第二章光敏传感器PHOTOSENSORS1、光敏传感器---- 用光照射 材料后材料本身的电学 性质发生变化制成的器件感应光信号的材料称为---- 光电材料对光信号的变化反应迅速，并将光信号转变为电信号；2、 ∵光信号具有粒子性，光子具有一定的能量（hγ），∴ 光敏传感器是 将光能 变换为相应电能 的装置，又称 光电式传感器 ；3、 ∵它们还是 探测光信号的器件，也称为 光电探测器定义：-----通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件其原理是基于一些物质的光电效应是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把 光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件 光谱:光波：波长为 10—106nm的电磁波可见光：波长 380—780nm紫外线：波长 10—380nm，波长 300—380nm称为近紫外线波长 200—300nm称为远紫外线波长 10—200nm称为极远紫外线，红外线：波长 780—106nm波长 3μm （即 3000nm）以下的称近红外线波长超过 3μm 的红外线称为远红外线光谱分布如图所示远紫外 近紫外可见光 近红外 远红外极远紫外0.01 0.1 1 100.05 0.5 5波长/ μm波数/c m-1频率/Hz光子能量/eV1061051041035×1055×1045×10310155×101410145×1013100 10 1505 0.55×101510163×1018光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.99793× 1010cm/s，通常 c≈ 3× 1010cm/s。
光的波长 λ 和频率 ν的关系为ν 的单位为 Hz， λ 的单位为cm νλ =3× 1010cm / s二、 红外热释电探测器 ：对光谱中长波（红外）敏感的器件红外光电器件---光电效应红外器件和热释电器件三、 固态图像传感器：结构上分为两大类，一类---用CCD的光电转换和电荷转移功能制成的CCD图像传感器，一类---用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS图像传感器，又称自扫描光电二极管列阵（SSPA）四、 光纤传感器 ：是唯一的有光源的光敏传感器一、 光电效应传感器：用光敏材料的光电效应制成的光敏器件分为外光电效应和内光电效应器件按工作原理将光敏传感器 分为四类 ：CCD 传感器光敏传感器反射式光敏传感器光敏传感器(Photosensors)2.1 外光电效应及器件photoemissive effect and its devices2.2 光电导效应器件及其应用Photoconductor and its apllication2.3 光生伏特效应器件Photovoltaic effect device2.4 红外热释电器件Infrared discharge device2.5 固态图像传感器Solid image sensors2.6 光纤传感器Fiber optic sensors2.7 新型光传感器New-typle photosensors2.1 外光电效应及器件photoemissive effect and its devices2.1.1 外光电效应photoemissive effect2.1.2 光电发射二极管photoemissive cell2.1.3 光电倍增管photoemissive multiplier2.1.4 光电倍增管在闪烁计数器中的应用 Application of photoemissive multiplier to scintillation countor2.1.1 外光电效应一、原理： 在光照下某些材料中的电子逸出表面而产生光电子发射的现象----称为 外光电效应（光电发射效应） 。
爱因斯坦假设 ：一个电子只能吸收一个光子，一部分能量用以克服物质对电子的束缚（表面逸出功 φ ），一部分转化为电子的能量，且此过程必须满足能量守恒定律：eEh += φγ若电子得到的能量全都变为 电子的动能，光电子的最大动能为：φγγγ −=−== hhhmvE02maxmax21表明，光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光的强度无关？+Z1S22S22P6光子光电子二、实验总结光强 (lm)IL(10-6A)12340.05 0.12、光电流随光强的变化曲线：在足够的外加E 下，若入射光的频率一定或频谱成分不变时，饱和 光电流（IL）与光强成正比∵入射光强越大，光子数越多，发射的电子数越多，即单位时间内通过单位面积的电量越大1、检测装置：发射材料 上放一 电子接收板 连成一光电发射检测装置，测定逸出电流 随光强度和光频率 的变化3、存在一个极限频率 γ0 ：若入射光子能量 hγ 小于 hγ0，即 λ >λ0时，无论光强多大都无光电子发射，光电流为0证明爱因斯坦假设…，电子吸收h γ0后能量完全用于克服表面逸出功，此波长为阈波长 ：4、逸出电子的最大能量： 给光电发射材料加反压，以阻止电子运动到吸收板上，测出无电子到达时的电压。
若光子的波长或频率不变， 光强增加 只是照射材料的光子数目增多，逸出电子的最大能量保持不变)(24.1)(10239.1400mcmhccμφφφγλ =×===− 光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功 A0不同的物质逸出功不同，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限 光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射； 反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多 光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比2.1.2 光电发射二极管photoemissive cell光电二极管 ----把检测装置中发射电子的极板（阴极） 和吸收电子的极板（ 阳极） 封于同一壳内，连上电极按照原理可分 真空光电二极管和 充气光电二极管 两类。
一、真空光电二极管----将阳极和阴极 同装于一真空玻璃壳内，两个电极阴极： 为有效地吸收 最大光强一般具有一定的几何形状（球面或半圆筒状），其凹面上 镀有光电发射材料阳极：既 吸收阴极发射的电子， 又不妨碍照射到阴极上的光线，用细金属丝（或棒）做阳极真空光电二极管结构示意图阳极阴极入射光不透明阴极阴极阳极入射光透明阴极不产生阳极投影阳极阴极光电管同一光强下曲线 在0～20V范围内 ， 电压增大 达到阳极的 光电子数目也增大，阳极电流急剧增大；当电压 大于20V 后，几乎全部发射电子都巳到达阳极，电压再增大，电流几乎不变，曲线平坦( 饱和区) 一般工作电压 选择在饱和区但要尽可能小一些，而随着光强的增加，产生的光电子数就增多，所以 光电流与光强成正比RL+V-VV0真空光电二极管测量电路图Va(V)Ia(10-6A)阳极电压光通量0.11lm0.05lm0.02lm20 40601234(lm)其伏安特性曲线图光电管的结构示意图阳极光电阴极光窗光电管：真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类两者结构相似，如图由一个阴极和一个阳极构成，且密封在一只真空玻璃管内阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。
阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央二、充气光电二极管结构:与真空光电二极管类似,只是管壳内充有低压惰性气体(氩气和氖气)Va20Ia40 60 801000.02lm0.02lm(V)0真空光电二极管充气光电二极管比较:充气光电二极管的 灵敏度高，但 其灵敏度 随电压而显著变化，使其稳定性和频率特性都比真空光电二极管差，所以在实际应用中应选择合适的电压光线照到阴极上产生光电子 ,阳极电压使其加速 ,加速的电子使气体分子电离 ,形成更多的电子和离子，又被加速与另外气体分子碰撞使其电离产生更多电子 ,即发生了倍增效应 ,此外 ,气体电离的正离子又与阴极碰撞产生光电子 ,因此达到阳极的电子数目增大很多，相当于具有一定的放大倍数，可达10 倍左右三、实用光电阴极的光电材料应该具备三个基本条件1、光吸收系数大2、光电子在体内传输到体外的过程中能量损失小，使逸出深度大，即一旦产生就能够逸出3、电子亲和势较低，使表面的逸出几率提高∵纯金属反射强，吸收少，且逸出功大，光电发射效率低，∴大多数金属只适于做紫外灵敏的光电器件半导体光电材料，逸出功较小，对可见光、红外光都很敏感，如 Ge 、 CdSe、 (Ag-O-Cs)，（Cs3 Sb）、 Bi -Cs、AgBi-O-Cs、 Na-K-Cs-Sb、 Na2 KSb、 GaAs:Cs-O、GaP:Cs和 GaAs:Cs等负电亲和势的材料。
光电管光谱特性：由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率υ0 ，因此它们可用于不同的光谱范围除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率υ0 ，且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极国产 GD-4型的光电管，阴极是锑铯材料制成的其红限λ0 =7000Å，对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%~30%适用于白光光源 ，被广泛用于各种光电式自动检测仪表中对 红外光源 ，常用银氧铯阴极，构成红外传感器对 紫外光源 ，常用锑铯阴极和镁镉阴极另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为3000~8500Å，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，在测量和控制技术中可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等一般充气光电管当入射光频率大于 8000Hz时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。
2.1.3 光电倍增管一、工作原理Ev电子AU0RLDD1D2D3D4D5D6D7D8-1100 -900 -700-800-600-500-400-300-200-100-1000K-12001、基本原理： 光照到 阴极上产生光电子, 在真空 电场作用下被加速投射到第一个“ 打拿极 ”上，一个光电子可以产生多个电子 ,多次被加速而激发打拿极后电子数目得到倍增二、光电倍增管及其基本特性当入射光很微弱时，普通 光电管产生的光电流很小，只有零点几μ A，很不容易探测这时常用光电倍增管对电流进行放大，下图为其内部结构示意图1. 结构和工作原理由 光阴极、 次阴极 (倍增电极 )以及 阳极三部分组成光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极阳极是最后用来收集电子 的，收集到的电子数是阴极发射电子数的 105~106倍即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100 150 200024681012阳极。