光電式傳感器是將光量的變化轉變為電量變化的一種變換器。應用極為廣泛，已經在航天、醫學、科研，以及工業控制、家用電器、航海事業等各個領域得到應用。光電傳感器的理論基礎是光電效應，根據光電效應可以制作出各種光電傳感器。今天，為大家具體介紹光電效應的基本理論知識。 早期人們利用光電效應制成光電管。其外形和構造如下圖所示。它是一個抽成真空的玻璃泡，在泡的內壁上有一部分涂有金屬或金屬氧化物，作為光電管的陰極。而光電管的陽極是一根環狀的細金屬絲或半圓的金屬球。

光電管的結構

光電效應的實驗裝置如下圖所示。光電管的陽極A接高電位，陰極K接低電位，則陽極和陰極之間有一加速電場，電場方向由A指向K。AK之間的電壓由電壓表V讀出，電壓的大小由電位器R給定。圖中，G是靈敏電流計。實驗指出，當陰極沒有受到光照射時，電路中幾乎沒有電流；當陰極受到光照射時，電路中就立即有電流出現。光照多久，電流就維持多久；光照停止，電流也就消失。這就說明當光照射時，有電子從光電陰極逸出。在加速電場作用下，電子飛向陽極，從而在回路中形成光電流。

光電效應的實驗裝置

物質在光的作用下釋放出電子，這種現象叫光電效應。光電效應通常又分為外光電效應和內光電效應兩大類。

光電效應

1.外光電效應

在光線作用下，物體內的電子逸出物體表面，向外發射的現象稱為外光電效應。基于外光電效應的光電器件有光電管、光電倍增管等。

2.內光電效應

受光照物體電導率發生變化，或產生光生電動勢的效應叫內光電效應。內光電效應又可分為以下兩大類。

1）光電導效應

在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，而引起材料電阻率的變化，這種現象稱為光電導效應。絕大多數的高電阻率半導體都具有光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻（也稱光電導管），其常用的材料有硫化鎘（CdS）、硫化鉛（PbS）、銻化銦（InSb）、非晶硅（a-Si：H）等。

純半導體在光線照射下，其禁帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度Eg（eV）的光子的激發，由價帶越過禁帶躍遷到導帶，成為自由電子。同時，價帶也因此而形成自由空穴。致使純半導體中導帶的電子和價帶的空穴濃度增大，半導體電阻率減小。如下圖（a）所示。電子和空穴統稱為載流子。它們在端電壓作用下均可形成光電流。當光照停止后，自由電子被失去電子的原子俘獲，電阻又恢復原值。能使價帶電子躍遷到導帶的光譜范圍中，其最大的波長λ0（nm）稱為截止波長，λ0≈1240/Eg。

N型或P型摻雜半導體在光照射下，光子能量只要分別大于施主能級和導帶底能級差或受主能級與滿帶頂能級差Ei（eV），如下圖（b）或圖（c）所示，光能即被吸收，激發出能參與導電的光生電子或空穴。摻雜半導體產生光生載流子的截止波長為λ0≈1240/Ei。

圖 光電導效應機理圖

當光敏電阻接上直流電壓Vb，并用一定強度、波長小于λ0的光線連續照射時，其輸出直流電流i0為

式中，η 內光量子效率（光生載流子數與人射光子數之比）；μc——多數載流子的遷移率；τ——多數載流子壽命；d——光敏電阻兩電極間距；p——入射光功率；e——普朗克常數，為6.6261×10-34J?s。

隨光能的增加，光生載流子濃度雖然也因之劇增，但同時電子與空穴間的復合速度也加快，因此低于截止波長的光能量與半導體所產生的光電流的特性曲線不是線性關系。

2）光生伏特效應 物體（如半導體）

在光的照射下能產生一定方向的電動勢的現象稱為光生伏特效應。基。于該效應的光電器件有光電池、光敏二極管和光敏三極管。

光生伏特效應根據其產生電勢的機理可分為：

?側向光生伏特效應

側向光生伏特效應又稱殿巴（Dember）效應。

當半導體光電器件的光靈敏面受光照不均勻時，由載流子濃度梯度而產生的光電效應稱為側向光生伏特效應。基于該效應工作的光電器件有半導體位置敏感器件（簡稱PSD），或稱反轉光敏二極管。

側向光生伏特效應的工作機理是，半導體光照部分吸收人射光子的能量產生電子空穴對，使該部分載流子濃度高于未被光照部分，因而出現了濃度梯度，形成載流子的擴散。由于電子遷移率比空穴的大，因此電子首先向未被光照部分擴散，致使被光照部分帶正電，未被光照部分帶負電，兩部分之間產生光電動勢。

?PN結光生伏特效應

光照射到距表面很近的半導體PN結時，結及附近的半導體吸收光能。若光子能量大于禁帶寬度，則價帶電子躍遷到導帶，成為自由電子，而價帶則相應成為自由空穴。這些電子空穴對在PN結內部電場的作用下，電子移向N區外側，空穴移向P區外側，結果P區帶正電，N區帶負電，形成光電動勢。

PN結光生電流與人射光照度成正比，光生伏特與照度對數成正比。

由于光生電子、空穴在擴散過程中會分別與半導體空穴、電子復合，因此載流子的壽命與擴散長度有關。只有使PN結距表面的厚度小于擴散長度，才能形成光電流產生光生伏特。在工程上，利用改變PN結距表面厚度的大小的方法，可以調整基于PN結光生伏特效應的光電器件的頻率響應特性、光電流和光生電勢大小。

基于此效應的光電器件有光電池、太陽電池、光敏二極管和光敏三極管等。通過設計和制造工藝，使光電池工作在無外接電源下，則以光伏效應工作。光敏管工作在反向偏壓下，則同時存在光導效應和光伏效應。它們輸出的光電流與光照強度均具有線性關系。

?光電磁效應（簡稱PEM效應）

半導體受強光照射，并在光照垂直方向外加磁場時，垂直于光和磁場的半導體兩端面間產生電勢的現象稱為光電磁效應。它可以看成是光擴散電流的霍爾效應。

?貝克勒耳（Becquerel）效應

貝克勒耳效應是液體中的光生伏特效應。當光照射浸在電解液中的兩個同樣電極中的任一個電極時，在兩個電極間將產生電勢的現象稱為貝克勒耳效應。基于該效應的有感光電池。
來源：傳感器專家網