2.2 光電效應

△ 光電器件的工作原理是基于一些物質的光電效應。許多材料受到光的照射后，其電學特性會發生變化。利用這種效應，可以制作出光電傳感器的光敏感元件。物質的光電效應，一般可以分為外光電效應和內光電效應兩大類。

2.2.1 外光電效應

2.2.1.1 光子的能量

△ 光照射到某些材料上，使材料內部的電子逸出物體表面的現象稱為外光電效應，或稱光電子發射效應。受到光能的激發而逸出物體表面的電子稱為光電子。光電管和光電倍增管傳感器就是利用這種外光電效應工作的。

△ 由物理光學可知，光也可以看成是一束粒子流，光粒子稱為光子。光子以光速運動，每個光子都具有一定的能量（Wp）。

式中：Wp——一個光子具有的能量（焦耳）；

h=6.626×10-34J·s（普朗克常數）；

ν——光的頻率（s-1）。

△ 由式（2-1）可知，頻率不同的光子，具有不同的能量。光的頻率越高（波長越短），光子所具有的能量就越大。反之，光的頻率越低（波長越長），光子的能量也越小。因此，紫外光所攜帶的能量高于可見光，而可見光所攜帶的能量又高于紅外線。

△ 光照射物質，可以看成是具有一定能量的光子轟擊這些物質，使物質中的電子吸收光子的能量。

●入射光能量的一部分，做功克服物質對電子的束縛，促使電子逸出物體表面。光子為此所做的功稱為電子的逸出功A。（A是一個電子從物質表面逸出時，為克服物質表面勢壘所必須做的功。其值與材料的種類及材料的表面狀態有關。）

●入射光能量的另一部分，轉化為從物質表面逸出的電子的動能；

2.2.1.2 光電效應能量公式

△ 光電效應能量公式的形式如式（2-2），也稱為愛因斯坦光電效應公式。當光電效應發生時，入射光子的能量hν被分解為逸出后電子的動能和逸出功A，光子的能量hν可用動能和表面逸出功表示為

式中，m為電子的靜止質量，m=9.1091×10-31kg；v0為電子逸出物體時的初速度。

△ 光電效應能量公式表明，外光電效應能否發生，取決于光子所攜帶的能量是否大于該物質表面電子的逸出功A。若入射光子所攜帶的能量（hν）大于該物質表面電子的逸出功（A），則外光電效應可以發生；否則，若光子所攜帶的能量（hν）小于該物質表面電子的逸出功（A），則照射光的強度再大也不會產生外光電效應。物質表面的逸出功（A）取決于光敏材料的種類和材料表面狀態，不同的物質和表面狀態的材料有不同的表面逸出功。

△ 每一種光敏物質都有一個發生光電效應的能量閾值，對應這個能量閾值的光頻率就稱為紅限頻率；對應著紅限頻率的光波長稱為臨界波長。物質受光子照射后能否產生光發射效應，就取決于這種物質的紅限頻率。當入射光的頻率低于物質的紅限頻率時，光子的能量小于該物質的逸出功A，不足以使電子從物質表面逸出，不能引發外光電效應，因此照射光的強度再大也不會產生光電子發射效應。反之，若入射光的頻率高于物質的紅限頻率，光子的能量就大于該物質的逸出功A，就能夠激發物質中的電子從該物質表面逸出，這樣即使入射光的強度很微小，也會有電子逸出物質表面，也能產生光電子發射效應。

△ 光電子逸出物體表面后，就從光子能量里獲得了原始動能，具有了飛向靶陽極的初速度v0；當靶陽極通過外部電路與光電子發射陰極形成回路時，光發射電子在其原始動能的作用下，飛向靶陽極，在外加正電壓的拉動下，運動的電子流能夠在回路中形成一定的電流，即光電流，這樣便將光信號轉換成了電信號。當入射光的頻譜成分不變時，入射光的強度越大，逸出的光電子數量也就越多，產生的光電流也越大。因此這種光電效應所產生的光電流信號又與入射光的強度成正比。

△ 光電管就是一種依靠外光電效應原理工作的光電傳感器。

圖2-2示出了光電管的基本構造[圖（a）]和外電路連接圖[圖（b）]。

●光電管是在真空或充有惰性氣體（如氦、氖等）的玻璃殼體內，安裝上光電陰極和陽極這樣兩個電極，在外加陽極電壓E的拉動下，將玻璃殼體內的光生電子流轉化為在外部線路中流動的電流IP。這樣一種由光能到電能的變換器，也是一種光電傳感器。

●關于光電管中光電陰極和陽極的裝設方法，在有些光電管內是直接將逸出功較低的光電發射材料貼附于玻璃體的內壁上；也有些光電管是將涂有的光電發射材料的半圓筒形金屬片裝設于光電管的玻璃殼內，并且將單根金屬絲形陽極或環狀陽極安裝在玻璃管的正中央，并使光電陰極上對光敏感的一面朝向陽極。

●當光電管受到波長小于陰極光發射材料臨界波長的光照射時，涂有光電發射材料的陰極就會產生外光電效應，向外逸出并發射具有一定原始動能的電子，在管中央的陽極正電壓吸引下，從陰極逸出的電子加速飛過真空區域到達陽極。這樣，在光電管內部就形成了定向移動的電子流束。當光電管內外電路形成回路時，外電路中便會產生光電流[如圖2-2（b）所示]，形成輸出電流IP，這樣就完成了光電轉換過程。

△ 光電倍增管（PMT）也一種是依靠外光電效應工作的光電傳感器。圖2-3示出了光電倍增管的構造原理和外電路連接示意圖。由于光電倍增管內部裝有可以通過電子撞擊而激發出更多電子發射的光電子倍增板，所以光電倍增管是一種自身具有光電子增益的真空型光電傳感器，能夠提供出更高的光電流響應，經常用于夜視儀等需要在微弱光線下獲取光信息裝置中。

△ 光電倍增管（PMT）的基本結構如圖2-3所示，入射光照射光電倍增管的光電陰極，外光電效應促使陰極中逸出光電子e；由于二次電子發射板（倍增板）電極上所加的正電壓+V1比陰極電位VK的電位高出很多，從陰極板K逸出光電子e受到高電壓+V1的吸引而加速撞擊到二次電子發射板；e由于電場的加速作用而具有高動能，故撞擊二次電子發射板時會使倍增板激發釋放出一個e以上的二次電子，此過程稱為二次激發過程。其后的每一個二次電極板（倍增板）的電壓都高于前一級的電極板的電壓，即總有：VK<+V1<+V2<+V3<+V4<+E的電位關系；因此在光電倍增管內部會一而再，再而三地產生二次電子激發的效應，這樣便數倍地增強了到達陽極的光生電子流。在外加陽極電壓E作用下，向外電路輸出的光電流IP也會成倍增大，這樣便實現了感測和放大微弱光信號的作用。

△ 若設光電倍增管內每一個二次激發過程中的電子流增益為δ；則第一個二次激發過程中釋放出的電子數為δ，第二個二次激發過程中釋放出的電子數就為δ2；依此類推，在總共n個二次激發過程里，光電倍增管的總增益就為δn，即光電倍增管內進行n次倍增的總增益值M=δn。普通光電倍增管中，δ值通常在2～6之間。

2.2.2 內光電效應

△ 當光照射在固體光敏物質上，使該固體物質內部的電阻率發生變化，或在這種固體物質中產生了光生電動勢的現象，稱為內光電效應。內光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應兩類。

2.2.2.1 光電導效應

（1）固體內部的光電效應

△ 在光照射下，固體光敏物質的電導率隨著外部光照射強度而發生改變的現象，就稱為光電導效應。

△ 物質內部的電子吸收光子能量，從價帶（束縛狀態），突破禁帶能級Eg，越遷到導帶（自由狀態），成為自由電子（載流子），如圖2-4所示。同時，價帶里也留下了自由空穴（載流子）。致使物質內部載流子的濃度增大，引起固體材料的電阻率下降，這樣就發生了光電導效應。光敏電阻傳感器大多都是基于這種光電導效應工作的。

△ 由式（2-1）可知，入射光子的能量Wp=h·ν，則：

式中，c為光速；λ為入射光波長。

△ 為使材料內部的電子能夠從價帶越遷到導帶，入射光子的能量Wp（單位為焦耳），應大于該材料的禁帶寬度Eg·q（單位為焦耳）。（Eg×q，可將[電子伏特]單位，轉化為[焦耳]單位。）

即

亦即

式中：Eg——禁帶寬度（單位為電子伏特[eV]，1eV=1.6×10-19焦耳）；

q——電子電量（q=1.6×10-19庫侖）；

h——普朗克常數（h=6.626×10-3 4焦耳·秒）；

c——光速（c=3×10 8米/秒）。

（2）固體光敏材料的臨界波長

△ 滿足式（2-5）的入射光波長λ即為能使該物質材料發生光電導效應的臨界波長（或稱為截止波長），用λ0表示。

不同的固體光敏材料有不同的臨界波長，當入射光的波長λ小于該物質材料的臨界波長λ0時，其光子能量就足以激發該物質內部的價帶電子越遷到自由電子能級（導帶），產生出光電導效應。反之，入射光的波長λ大于該物質材料的臨界波長λ0時，則不能激發出光電導效應。入射光的波長大于物質材料的臨界波長λ0時，即使加大入射光的強度，也不可能在該物質材料中產生光電導效應。

△ 固體材料的臨界波長λ0，與該材料的禁帶寬度Eg相關，不同的物質材料具有不同的禁帶寬度Eg，當然也就有不同的臨界波長λ0。

例如：硅（Si）的禁帶寬度Eg=1.11eV，則硅材料的臨界波長λ0為

因此，波長λ大于1119nm的入射光，就不可能在硅（Si）材料中引發光電效應。波長λ小于1119nm的光，則可能在硅中產生光電效應。由此也可以看出，全部的可見光譜（380～780nm）和波長小于1119nm的紅外光譜都可在Si中引起光電效應。

再如：硫化鎘（CdS）的禁帶寬度Eg=2.42eV，則硫化鎘材料的臨界波長λ0為

由上式可見，硫化鎘（CdS）的臨界波長在可見光區。波長λ小于513nm的光，包括部分可見光和紫外線，都可以在硫化鎘中產生光電效應。而波長λ大于513nm的入射光，包括部分可見光和紅外線，就不可能在硫化鎘材料中引發光電效應。因此，CdS光敏器件不能用于紅外線傳感器。

△ 表2-2中列出了幾種常用的光敏材料的工作波長區和對應的禁帶寬度能量（Eg）值。

△ 圖2-5為光電導元件工作示意圖。

圖中光電導元件與外接電源U及負載電阻RL串聯，形成回路。在光照強度發生變化時，光電導元件的電阻率也將會發生變化，流經負載RL的電流I也隨之變化，形成隨著入射光強度變化的輸出電流I。

隨著入射光照射功率的增大，光電導材料內部光生載流子濃度也將會隨之增大，輸出電流I也增加；但與此同時，物質內部電子與空穴間的復合（消滅載流子）速度也會加快，動態平衡之后，材料內部載流子的數量（濃度），并不與光的照射強度成正比。因此，對于光電導元件來講，其電阻率與光照能量之間的關系并不是線性的。例如，利用光電導效應工作的光敏電阻器，其電阻值隨光照能量的變化規律，在全量程范圍里也不是線性一致的。

2.2.2.2 光生伏特效應

△ 光生伏特效應都是發生在半導體晶體的PN結上。PN結上所發生的光生伏特效應，就是半導體材料在吸收光能后，會在其中的PN結上產生一定方向的光生電動勢（P區正，N區負）的效應。光敏二極管、光敏三極管及硅光電池等都是利用半導體PN結上的光生伏特效應工作的。

△ 當光照射到半導體材料表面附近的PN結上時，如圖2-6所示，如果入射光的能量足夠高，大于這種半導體材料材料禁帶寬度Eg，就能夠激發這種物質內部的電子從價帶越遷到導帶，生成新的電子-空穴對載流子，即產生了光生載流子。光照的能量作用，主要是在半導體材料中激發出新的少子載流子，即使P區和N區中的少子數量（濃度）增加。

△ 光照生成的電子-空穴對載流子，在PN結的空間電荷區（耗盡層）電場作用下：

——這一現象致使P區缺少電子平衡，帶上正電；N區缺少空穴平衡，帶上負電。N區和P區之間，由此產生了電位差，在PN結兩端，也就有了光生電動勢VP。這就是PN結上光生伏特效應的形成原理（如圖2-6所示）。如果把PN結兩端用外部導線連接起來，回路中便會產生光電流，并且這個“光電源”的P區端為正極，N區端為負極。

△ 另外，還有一種側向光生伏特效應。當半導體器件的光敏面受光照射不均勻時，受光照強的部分的載流子濃度比未受光照部分的自由載流子濃度大，這就出現載流子的濃度梯度。電子載流子向未受到光照的部分擴散比較明顯，而空穴的擴散不明顯，這就造成受光照射部分由于缺少電子平衡而帶上正電，未受到光照的部分帶上負電，致使被光照到的部分與未被光照到部分之間，產生了電動勢。這也是一種光生伏特效應，但與PN結上的光電效應原理不同，它是由于材料內部的光生電子和空穴擴散進行程度上的差異而形成的電勢差。