光电式感测器.PDF

光電式感測器 4.1 光電效應與光電器件 光電元件的理論基礎是光電效應。光可以認為是由一定能量的粒子（光子） 所形成，每個光子具有的能量 h γ正比於光的頻率γ，即光的頻率越高，其光子 的能量就越大。用光照射某一物體，可以看做物體受到一連串能量為 h γ的光子 所轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發生相應電效應的物理現象稱為光電 效應。通常把光電效應分為三類：外光電效應，內光電效應和光生伏特效應。根 據這些光電效應可製成不同的光電轉換器件（光電元件），如：光電管，光電倍 增管，光敏電阻，光電電晶體，光電池等。 4.1.1 光電效應 1 〃外光電效應 光照射於某一物體上，使電子從這些物體表面逸出的現象稱為外光電效應， 也稱光電發射。逸出來的電子稱為光電子。外光電效應可由愛因斯坦光電方程來 1 2 mv h A （4-1） 2 描述： 式中：m —電子品質； v —電子逸出物體表面時的初速度； h —普朗克常數， h = 6.626×10 －34J·s ； γ —入射光頻率； A — 物體逸出功。 根據愛因斯坦假設：一個光子的能量只能給一個電子，因此一個單個的光子 把全部能量傳給物體中的一個自由電子，使自由電子能量增加 h γ，這些能量一 1 2 部分用於克服逸 出功A ，另一部分作為電子逸出時的初動能 。 mv 2 由於逸出功與材料的性質有關，當材料選定後，要使物體表面有電子逸出， 入射光的頻率γ有一最低的限度，當 h γ小於A時，即使光通量很大，也不可能 有電子逸出，這個最低限度的頻率稱為紅限頻率，相應的波長稱為紅限波長。當 h γ大於A時（入射光頻率超過紅限頻率），光通量越大，逸出的電子數目也越 多，電路中光電流也越大。 基於外光電效應的光電器件有光電管、光電倍增管。 2 〃內光電效應 光照射於某一物體上，使其導電能力發生變化，這種現象稱為內光電效應， 也稱光電導效應。許多金屬硫化物、硒化物、碲化物等半導體材料，如：硫化鎘、 硒化鎘、硫化鉛、硒化鉛在受到光照時均會出現電阻下降的現象。另外電路中反 偏的 PN結在受到光照時也會在該 PN結附近產生光生載流子（電子-空穴對）從 而對電路構成影響。 基於內光電效應的光電器件有光敏電阻，光敏二極體，光敏三極管，光敏晶 閘管等。 3 〃光生伏特效應 在光線作用下，物體產生一定方向電動勢的現象稱為光生伏特效應。具有該 效應的材料有矽、硒、氧化亞銅、硫化鎘、砷化鎵等。例如在一塊N型矽上，用 擴散的方法摻入一些 P型雜質，而形成一個大面積的 PN結，由於 P層做得很薄， 從 而使光線能穿透到PN結上。當一定波長的光照射 PN結時，就產生電子-空穴 對，在PN結內電場的作用下，空穴移向 P區，電子移向 N區，從而使 P區帶正 電， N區帶負電，於是 P區和 N區之間產生電壓，即光生電動勢。 基於光生伏特效應的光電器件有光電池等。 4.1.2 光電器件 1 〃光電管與光電倍增管 （1） 光電管 光電管的外形如圖4-1所示。金屬陽極 A和陰極 K 封裝在一個玻璃殼內，當 入射光照射在陰極時，光子的能量傳遞給陰極表面的電子，當電子獲得的能量足 夠大時，就有可能克服金屬表面對電子的束縛（稱為逸出功）而逸出金屬表面 形成電子發射，這種電子稱為光電子。在光照頻率高於陰極材料紅限頻率的前提 下，溢出電子數決定於光通量，光通量越大，則溢出電子越多。當光電管陽極與 陰極間加適當正向電壓（數十伏）時，從陰極表面溢出的電子被具有正向電壓的 陽極所吸引，在光電管中形成電流，稱為光電流。光電流 Iφ正比於光電子數，