2.2 光电效应

△ 光电器件的工作原理是基于一些物质的光电效应。许多材料受到光的照射后，其电学特性会发生变化。利用这种效应，可以制作出光电传感器的光敏感元件。物质的光电效应，一般可以分为外光电效应和内光电效应两大类。

2.2.1 外光电效应

2.2.1.1 光子的能量

△ 光照射到某些材料上，使材料内部的电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，或称光电子发射效应。受到光能的激发而逸出物体表面的电子称为光电子。光电管和光电倍增管传感器就是利用这种外光电效应工作的。

△ 由物理光学可知，光也可以看成是一束粒子流，光粒子称为光子。光子以光速运动，每个光子都具有一定的能量（Wp）。

式中：Wp——一个光子具有的能量（焦耳）；

h=6.626×10-34J·s（普朗克常数）；

ν——光的频率（s-1）。

△ 由式（2-1）可知，频率不同的光子，具有不同的能量。光的频率越高（波长越短），光子所具有的能量就越大。反之，光的频率越低（波长越长），光子的能量也越小。因此，紫外光所携带的能量高于可见光，而可见光所携带的能量又高于红外线。

△ 光照射物质，可以看成是具有一定能量的光子轰击这些物质，使物质中的电子吸收光子的能量。

●入射光能量的一部分，做功克服物质对电子的束缚，促使电子逸出物体表面。光子为此所做的功称为电子的逸出功A。（A是一个电子从物质表面逸出时，为克服物质表面势垒所必须做的功。其值与材料的种类及材料的表面状态有关。）

●入射光能量的另一部分，转化为从物质表面逸出的电子的动能；

2.2.1.2 光电效应能量公式

△ 光电效应能量公式的形式如式（2-2），也称为爱因斯坦光电效应公式。当光电效应发生时，入射光子的能量hν被分解为逸出后电子的动能和逸出功A，光子的能量hν可用动能和表面逸出功表示为

式中，m为电子的静止质量，m=9.1091×10-31kg；v0为电子逸出物体时的初速度。

△ 光电效应能量公式表明，外光电效应能否发生，取决于光子所携带的能量是否大于该物质表面电子的逸出功A。若入射光子所携带的能量（hν）大于该物质表面电子的逸出功（A），则外光电效应可以发生；否则，若光子所携带的能量（hν）小于该物质表面电子的逸出功（A），则照射光的强度再大也不会产生外光电效应。物质表面的逸出功（A）取决于光敏材料的种类和材料表面状态，不同的物质和表面状态的材料有不同的表面逸出功。

△ 每一种光敏物质都有一个发生光电效应的能量阈值，对应这个能量阈值的光频率就称为红限频率；对应着红限频率的光波长称为临界波长。物质受光子照射后能否产生光发射效应，就取决于这种物质的红限频率。当入射光的频率低于物质的红限频率时，光子的能量小于该物质的逸出功A，不足以使电子从物质表面逸出，不能引发外光电效应，因此照射光的强度再大也不会产生光电子发射效应。反之，若入射光的频率高于物质的红限频率，光子的能量就大于该物质的逸出功A，就能够激发物质中的电子从该物质表面逸出，这样即使入射光的强度很微小，也会有电子逸出物质表面，也能产生光电子发射效应。

△ 光电子逸出物体表面后，就从光子能量里获得了原始动能，具有了飞向靶阳极的初速度v0；当靶阳极通过外部电路与光电子发射阴极形成回路时，光发射电子在其原始动能的作用下，飞向靶阳极，在外加正电压的拉动下，运动的电子流能够在回路中形成一定的电流，即光电流，这样便将光信号转换成了电信号。当入射光的频谱成分不变时，入射光的强度越大，逸出的光电子数量也就越多，产生的光电流也越大。因此这种光电效应所产生的光电流信号又与入射光的强度成正比。

△ 光电管就是一种依靠外光电效应原理工作的光电传感器。

图2-2示出了光电管的基本构造[图（a）]和外电路连接图[图（b）]。

●光电管是在真空或充有惰性气体（如氦、氖等）的玻璃壳体内，安装上光电阴极和阳极这样两个电极，在外加阳极电压E的拉动下，将玻璃壳体内的光生电子流转化为在外部线路中流动的电流IP。这样一种由光能到电能的变换器，也是一种光电传感器。

●关于光电管中光电阴极和阳极的装设方法，在有些光电管内是直接将逸出功较低的光电发射材料贴附于玻璃体的内壁上；也有些光电管是将涂有的光电发射材料的半圆筒形金属片装设于光电管的玻璃壳内，并且将单根金属丝形阳极或环状阳极安装在玻璃管的正中央，并使光电阴极上对光敏感的一面朝向阳极。

●当光电管受到波长小于阴极光发射材料临界波长的光照射时，涂有光电发射材料的阴极就会产生外光电效应，向外逸出并发射具有一定原始动能的电子，在管中央的阳极正电压吸引下，从阴极逸出的电子加速飞过真空区域到达阳极。这样，在光电管内部就形成了定向移动的电子流束。当光电管内外电路形成回路时，外电路中便会产生光电流[如图2-2（b）所示]，形成输出电流IP，这样就完成了光电转换过程。

△ 光电倍增管（PMT）也一种是依靠外光电效应工作的光电传感器。图2-3示出了光电倍增管的构造原理和外电路连接示意图。由于光电倍增管内部装有可以通过电子撞击而激发出更多电子发射的光电子倍增板，所以光电倍增管是一种自身具有光电子增益的真空型光电传感器，能够提供出更高的光电流响应，经常用于夜视仪等需要在微弱光线下获取光信息装置中。

△ 光电倍增管（PMT）的基本结构如图2-3所示，入射光照射光电倍增管的光电阴极，外光电效应促使阴极中逸出光电子e；由于二次电子发射板（倍增板）电极上所加的正电压+V1比阴极电位VK的电位高出很多，从阴极板K逸出光电子e受到高电压+V1的吸引而加速撞击到二次电子发射板；e由于电场的加速作用而具有高动能，故撞击二次电子发射板时会使倍增板激发释放出一个e以上的二次电子，此过程称为二次激发过程。其后的每一个二次电极板（倍增板）的电压都高于前一级的电极板的电压，即总有：VK<+V1<+V2<+V3<+V4<+E的电位关系；因此在光电倍增管内部会一而再，再而三地产生二次电子激发的效应，这样便数倍地增强了到达阳极的光生电子流。在外加阳极电压E作用下，向外电路输出的光电流IP也会成倍增大，这样便实现了感测和放大微弱光信号的作用。

△ 若设光电倍增管内每一个二次激发过程中的电子流增益为δ；则第一个二次激发过程中释放出的电子数为δ，第二个二次激发过程中释放出的电子数就为δ2；依此类推，在总共n个二次激发过程里，光电倍增管的总增益就为δn，即光电倍增管内进行n次倍增的总增益值M=δn。普通光电倍增管中，δ值通常在2～6之间。

2.2.2 内光电效应

△ 当光照射在固体光敏物质上，使该固体物质内部的电阻率发生变化，或在这种固体物质中产生了光生电动势的现象，称为内光电效应。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应两类。

2.2.2.1 光电导效应

（1）固体内部的光电效应

△ 在光照射下，固体光敏物质的电导率随着外部光照射强度而发生改变的现象，就称为光电导效应。

△ 物质内部的电子吸收光子能量，从价带（束缚状态），突破禁带能级Eg，越迁到导带（自由状态），成为自由电子（载流子），如图2-4所示。同时，价带里也留下了自由空穴（载流子）。致使物质内部载流子的浓度增大，引起固体材料的电阻率下降，这样就发生了光电导效应。光敏电阻传感器大多都是基于这种光电导效应工作的。

△ 由式（2-1）可知，入射光子的能量Wp=h·ν，则：

式中，c为光速；λ为入射光波长。

△ 为使材料内部的电子能够从价带越迁到导带，入射光子的能量Wp（单位为焦耳），应大于该材料的禁带宽度Eg·q（单位为焦耳）。（Eg×q，可将[电子伏特]单位，转化为[焦耳]单位。）

即

亦即

式中：Eg——禁带宽度（单位为电子伏特[eV]，1eV=1.6×10-19焦耳）；

q——电子电量（q=1.6×10-19库仑）；

h——普朗克常数（h=6.626×10-3 4焦耳·秒）；

c——光速（c=3×10 8米/秒）。

（2）固体光敏材料的临界波长

△ 满足式（2-5）的入射光波长λ即为能使该物质材料发生光电导效应的临界波长（或称为截止波长），用λ0表示。

不同的固体光敏材料有不同的临界波长，当入射光的波长λ小于该物质材料的临界波长λ0时，其光子能量就足以激发该物质内部的价带电子越迁到自由电子能级（导带），产生出光电导效应。反之，入射光的波长λ大于该物质材料的临界波长λ0时，则不能激发出光电导效应。入射光的波长大于物质材料的临界波长λ0时，即使加大入射光的强度，也不可能在该物质材料中产生光电导效应。

△ 固体材料的临界波长λ0，与该材料的禁带宽度Eg相关，不同的物质材料具有不同的禁带宽度Eg，当然也就有不同的临界波长λ0。

例如：硅（Si）的禁带宽度Eg=1.11eV，则硅材料的临界波长λ0为

因此，波长λ大于1119nm的入射光，就不可能在硅（Si）材料中引发光电效应。波长λ小于1119nm的光，则可能在硅中产生光电效应。由此也可以看出，全部的可见光谱（380～780nm）和波长小于1119nm的红外光谱都可在Si中引起光电效应。

再如：硫化镉（CdS）的禁带宽度Eg=2.42eV，则硫化镉材料的临界波长λ0为

由上式可见，硫化镉（CdS）的临界波长在可见光区。波长λ小于513nm的光，包括部分可见光和紫外线，都可以在硫化镉中产生光电效应。而波长λ大于513nm的入射光，包括部分可见光和红外线，就不可能在硫化镉材料中引发光电效应。因此，CdS光敏器件不能用于红外线传感器。

△ 表2-2中列出了几种常用的光敏材料的工作波长区和对应的禁带宽度能量（Eg）值。

△ 图2-5为光电导元件工作示意图。

图中光电导元件与外接电源U及负载电阻RL串联，形成回路。在光照强度发生变化时，光电导元件的电阻率也将会发生变化，流经负载RL的电流I也随之变化，形成随着入射光强度变化的输出电流I。

随着入射光照射功率的增大，光电导材料内部光生载流子浓度也将会随之增大，输出电流I也增加；但与此同时，物质内部电子与空穴间的复合（消灭载流子）速度也会加快，动态平衡之后，材料内部载流子的数量（浓度），并不与光的照射强度成正比。因此，对于光电导元件来讲，其电阻率与光照能量之间的关系并不是线性的。例如，利用光电导效应工作的光敏电阻器，其电阻值随光照能量的变化规律，在全量程范围里也不是线性一致的。

2.2.2.2 光生伏特效应

△ 光生伏特效应都是发生在半导体晶体的PN结上。PN结上所发生的光生伏特效应，就是半导体材料在吸收光能后，会在其中的PN结上产生一定方向的光生电动势（P区正，N区负）的效应。光敏二极管、光敏三极管及硅光电池等都是利用半导体PN结上的光生伏特效应工作的。

△ 当光照射到半导体材料表面附近的PN结上时，如图2-6所示，如果入射光的能量足够高，大于这种半导体材料材料禁带宽度Eg，就能够激发这种物质内部的电子从价带越迁到导带，生成新的电子-空穴对载流子，即产生了光生载流子。光照的能量作用，主要是在半导体材料中激发出新的少子载流子，即使P区和N区中的少子数量（浓度）增加。

△ 光照生成的电子-空穴对载流子，在PN结的空间电荷区（耗尽层）电场作用下：

——这一现象致使P区缺少电子平衡，带上正电；N区缺少空穴平衡，带上负电。N区和P区之间，由此产生了电位差，在PN结两端，也就有了光生电动势VP。这就是PN结上光生伏特效应的形成原理（如图2-6所示）。如果把PN结两端用外部导线连接起来，回路中便会产生光电流，并且这个“光电源”的P区端为正极，N区端为负极。

△ 另外，还有一种侧向光生伏特效应。当半导体器件的光敏面受光照射不均匀时，受光照强的部分的载流子浓度比未受光照部分的自由载流子浓度大，这就出现载流子的浓度梯度。电子载流子向未受到光照的部分扩散比较明显，而空穴的扩散不明显，这就造成受光照射部分由于缺少电子平衡而带上正电，未受到光照的部分带上负电，致使被光照到的部分与未被光照到部分之间，产生了电动势。这也是一种光生伏特效应，但与PN结上的光电效应原理不同，它是由于材料内部的光生电子和空穴扩散进行程度上的差异而形成的电势差。