光电传感器基本理论之光电效应详解

　　光电式传感器是将光量的变化转变为电量变化的一种变换器。应用极为广泛，已经在航天、医学、科研，以及工业控制、家用电器、航海事业等各个领域得到应用。光电传感器的理论基础是光电效应，根据光电效应可以制作出各种光电传感器。今天，为大家具体介绍光电效应的基本理论知识。

　　早期人们利用光电效应制成光电管。其外形和构造如下图所示。它是一个抽成真空的玻璃泡，在泡的内壁上有一部分涂有金属或金属氧化物，作为光电管的阴极。而光电管的阳极是一根环状的细金属丝或半圆的金属球。

光电管的结构

　　光电效应的实验装置如下图所示。光电管的阳极A接高电位，阴极K接低电位，则阳极和阴极之间有一加速电场，电场方向由A指向K。AK之间的电压由电压表V读出，电压的大小由电位器R给定。图中，G是灵敏电流计。实验指出，当阴极没有受到光照射时，电路中几乎没有电流；当阴极受到光照射时，电路中就立即有电流出现。光照多久，电流就维持多久；光照停止，电流也就消失。这就说明当光照射时，有电子从光电阴极逸出。在加速电场作用下，电子飞向阳极，从而在回路中形成光电流。

光电效应的实验装置

　　物质在光的作用下释放出电子，这种现象叫光电效应。光电效应通常又分为外光电效应和内光电效应两大类。

光电效应

　　1.外光电效应

　　在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。

　　2.内光电效应

　　受光照物体电导率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。

　　1)光电导效应

　　在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。绝大多数的高电阻率半导体都具有光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻(也称光电导管)，其常用的材料有硫化镉(CdS)、硫化铅(PbS)、锑化铟(InSb)、非晶硅(a-Si：H)等。

　　纯半导体在光线照射下，其禁带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度E_g(eV)的光子的激发，由价带越过禁带跃迁到导带，成为自由电子。同时，价带也因此而形成自由空穴。致使纯半导体中导带的电子和价带的空穴浓度增大，半导体电阻率减小。如下图(a)所示。电子和空穴统称为载流子。它们在端电压作用下均可形成光电流。当光照停止后，自由电子被失去电子的原子俘获，电阻又恢复原值。能使价带电子跃迁到导带的光谱范围中，其最大的波长λ₀(nm)称为截止波长，λ₀≈1240/E_g。

　　N型或P型掺杂半导体在光照射下，光子能量只要分别大于施主能级和导带底能级差或受主能级与满带顶能级差E_i(eV)，如下图(b)或图(c)所示，光能即被吸收，激发出能参与导电的光生电子或空穴。掺杂半导体产生光生载流子的截止波长为λ₀≈1240/E_i。

图 光电导效应机理图

　　当光敏电阻接上直流电压V_b，并用一定强度、波长小于λ₀的光线连续照射时，其输出直流电流i₀为

　　式中，η 内光量子效率(光生载流子数与人射光子数之比)；μ_c——多数载流子的迁移率；τ——多数载流子寿命；d——光敏电阻两电极间距；p——入射光功率；e——普朗克常数，为6.6261×10^-34J•s。

　　随光能的增加，光生载流子浓度虽然也因之剧增，但同时电子与空穴间的复合速度也加快，因此低于截止波长的光能量与半导体所产生的光电流的特性曲线不是线性关系。

　　2）光生伏特效应

　　物体（如半导体）在光的照射下能产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基.于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管和光敏三极管。

　　光生伏特效应根据其产生电势的机理可分为：

　　•侧向光生伏特效应

　　侧向光生伏特效应又称殿巴（Dember）效应。

　　当半导体光电器件的光灵敏面受光照不均匀时，由载流子浓度梯度而产生的光电效应称为侧向光生伏特效应。基于该效应工作的光电器件有半导体位置敏感器件（简称PSD）,或称反转光敏二极管。

　　侧向光生伏特效应的工作机理是，半导体光照部分吸收人射光子的能量产生电子空穴对，使该部分载流子浓度高于未被光照部分，因而出现了浓度梯度，形成载流子的扩散。由于电子迁移率比空穴的大，因此电子首先向未被光照部分扩散，致使被光照部分带正电，未被光照部分带负电，两部分之间产生光电动势。

　　•PN结光生伏特效应

　　光照射到距表面很近的半导体PN结时，结及附近的半导体吸收光能。若光子能量大于禁带宽度，则价带电子跃迁到导带，成为自由电子，而价带则相应成为自由空穴。这些电子空穴对在PN结内部电场的作用下，电子移向N区外侧，空穴移向P区外侧，结果P区带正电，N区带负电，形成光电动势。

　　PN结光生电流与人射光照度成正比，光生伏特与照度对数成正比。

　　由于光生电子、空穴在扩散过程中会分别与半导体空穴、电子复合，因此载流子的寿命与扩散长度有关。只有使PN结距表面的厚度小于扩散长度，才能形成光电流产生光生伏特。在工程上，利用改变PN结距表面厚度的大小的方法，可以调整基于PN结光生伏特效应的光电器件的频率响应特性、光电流和光生电势大小。

　　基于此效应的光电器件有光电池、太阳电池、光敏二极管和光敏三极管等。通过设计和制造工艺，使光电池工作在无外接电源下，则以光伏效应工作。光敏管工作在反向偏压下，则同时存在光导效应和光伏效应。它们输出的光电流与光照强度均具有线性关系。

　　•光电磁效应（简称PEM效应）

　　半导体受强光照射，并在光照垂直方向外加磁场时，垂直于光和磁场的半导体两端面间产生电势的现象称为光电磁效应。它可以看成是光扩散电流的霍尔效应。

　　•贝克勒耳（Becquerel）效应

　　贝克勒耳效应是液体中的光生伏特效应。当光照射浸在电解液中的两个同样电极中的任一个电极时，在两个电极间将产生电势的现象称为贝克勒耳效应。基于该效应的有感光电池。