北京科技大学实验报告
光电效应
实验原理：
原理图如右图所示：入射光照射到光电管阴极K上，产生的光电子在电场的作用下向
阳极A迁移形成光电流。改变外加电压VAK，测量出光电流I的大小，即可得出光电管得伏
安特性曲线。
1）对于某一频率，光电效应I-VAK关系如图所示。从图
中可见，对于一定频率，有一电压V0，当VAK≤V0时，电流
为0，这个电压V0叫做截止电压。
2)当VAK≥V0后，电流I迅速增大，然后趋于饱和，饱
和光电流IM的大小与入射光的强度成正比。
3）对于不同频率的光来说，其截止频率
的数值不同，如右图：
4)对于截止频率V0与频率的关系图如下所示。V0与成正比关系。当入射光的频率低
于某极限值时，不论发光强度如何大、照射时间如何长，都没有光电流产生。
5）光电流效应是瞬时效应。即使光电流的发光强度非常微弱，只要频率大于，在开始
照射后立即就要光电子产生，所经过的时间之多为10-9s
的数量级。实验内容及测量：
1将4mm的光阑及365nm的滤光片祖昂在光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖。从低
到高调节电压（绝对值减小），观察电流值的变化，寻找电流为零时对应的VAK值，以其绝对值作为该波长对应的值，测量数据如下：
波长/nm365404.7435.8546.1577
频率/8.2147.4086.8975.495.196
截止电压/V1.6791.3351.1070.5570.434
频率和截止电压的变化关系如图所示：
由图可知：直线的方程是:y=0.4098x-1.6988所以:h/e=0.4098×,
当y=0，即时，，即该金属的截止频率为。也就是说，如果入射光如果频率低于上值
时，不管光强多大也不能产生光电流；频率高于上值，就可以产生光电流。
根据线性回归理论：
可得：k=0.40975，与EXCEL给出的直线斜率相同。
我们知道普朗克常量,所以，相对误差：
2测量光电管的伏安特性曲线
1）用435.8nm的滤色片和4mm的光阑
实验数据如下表所示：435.8nm4mm光阑I-VAK的关系
光电转换效应
光电转换效应是指在光的作用下，电子从物质表面或界面跃迁到空间内，形成电流和电场的现象。它是光与物质相互作用的一种基本形式，也是光电器件的基础。
光电子发射现象是光电转换效应的最早和最重要的现象之一。根据经典物理学的理论，当一个金属表面上受到光的照射时，电磁波的能量被吸收，电子吸收能量后就获得了足够的能量从金属表面逸出，形成了光电子。通过对金属表面的光电发射电流随光强和频率的变化关系的研究，人们发现：随着光频的增加，光电发射电流强度逐渐增加，并且发射电子的动能也随光频的增加而增加；随着光强的增加，光电发射电流强度也相应增加。而这些结果表明光电发射电流和光的频率和强度有密切关系。
实验结果表明，光电发射的电子能量与金属材料的性质有关，受金属表面的工作函数影响。金属的工作函数指的是从固体表面取出电子所需的最小能量，它是确定金属能否发生光电子发射的因素之一。
除了光电子发射现象，光电转换效应还包括光电导效应、内照效应、外光效应等。光电导效应是指光的能量通过外部途径输入半导体材料，使其电导率发生变化的现象。这种现象被应用于光电场效应管和光电二极管等器件中。内照效应则是指在材料内部光与物质的相互作用产生电荷和电场，并导致电子的运动和能量传递的现象。这种效应被应用于太阳能电池、光电探测器等器件中。外光效应则是指外光作用下产生电流或电压的现象，例如晶体管中的光诱导效应和光控开关中的光控降噪等。
总之，光电转换效应是一种重要的光电效应，它被广泛应用于光电器件、太阳能电池、光照度计、数字相机等领域，对于推动现代电子技术、信息技术和节能环保等方面的发展具有重要意义。
光电式传感器原理与应用
光电效应与光电器件一、光电效应光电效应可以分为以下三种类型：(1)外光电效应(2)光电导效应(3)光生伏特效应.(1)外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象叫外光电效应。只有当光子能量大于逸出功时，即时，才有电子发射出来，即有光电效应，当光子的能量等于逸出功时，即时，逸出的电子初速度为0，此时光子的频率为该物质产生外光电效应的最低频率，称为红限频率。利用外光电效应制成的光电器件有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。(2)光电导效应.在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。.由于这里没有电子自物体向外发射，仅改变物体内部的电阻或电导，有时也称为内光电效应。与外光电效应一样，要产生光电导效应，也要受到红限频率限制。利用光电导效应可制成半导体光敏电阻。(3)光生伏特效应.在光的作用下，能够使物体内部产生一定方向的电动势的现象叫光生伏特效应。.利用光生伏特效应制成的光电器件有光敏二极管、光敏三极管和光电池等。二、光电器件的特性(1)光电流光敏元件的两端加一定偏置电压后，在某种光源的特定照度下产生或增加的电流称为光电流。(2)暗电流光敏元件在无光照时，两端加电压后产生的电流称为暗电流。(3)光照特性当光敏元件加一定电压时，光电流I与光敏元件上光照度E之间的关系，称为光照特性。一般可表示为。(4)光谱特性.当光敏元件加一定电压时，如果照射在光敏元件上的是一单色光，当入射光功率不变时，光电流随入射光波长变化而变化的关系，称为光谱特性。.光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，当光电器件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率也高。在检测中，应选择最大灵敏度在需要测量的光谱范围内的光敏元件，才有可能获得最高灵敏度。(5)伏安特性在一定照度下，光电流I与光敏元件两端的电压U的关系称为伏安特性。(6)频率特性在相同的电压和相同幅值的光强度下，当入射光以不同的正弦交变频率调制时，光敏元件输出的光电流I和灵敏度S随调制频率f变化的关系：称为频率特性。(7)温度特性环境温度变化后，光敏元件的光学性质也将随之改变，这种现象称为温度特性。光电器件一、光敏电阻(1)光敏电阻工作原理和结构光敏电阻是利用光电导效应制成的。.制造光敏电阻的材料一般由金属的硫化物、硒化物、碲化物组成。由于光电导效应只限于光照的表面薄层，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，如图8-1所示。它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。为了避免外来干扰，光敏电阻外壳的入射孔上盖有一种能透过所要求光谱范围的透明保护窗(如玻璃)。为了避免光敏电阻的灵敏度受潮湿等因素的影响，将电导体严密封装在金属壳中。如图8-2所示。(2)光敏电阻的基本特性和主要参数(1)光电流-光敏电阻在不受光照射时的阻值称"暗电阻"，或暗阻，此时流过的电流称"暗电流"；-光敏电阻在受光照射时的阻值称"亮电阻"或称亮阻，此时的电流称"亮电流"。-而亮电流与暗电流之差即为"光电流"。光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，则性能越好,灵敏度就高。-实际用的光敏电阻的暗电阻在1 MΩ~100MΩ之间，而亮电阻在几千欧姆以下。-不同类型的光敏电阻，其光照特性也不相同，多数光敏电阻的光照特性类似于图8-3所示的曲线形状。因此，光敏电阻不宜作为线性测量元件，这是光敏电阻的一个缺点。在一般的控制系统中用作开关式光电信号传感元件。-光敏电阻对温度变化比较敏感，当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都将下降。(2)光敏电阻的伏安特性在光敏电阻的两端所加-电压和电流关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性.如右图所示。由曲线可知：所加的-电压U越高，光电流I也愈大，而且没有饱和现象，在给定的光照下，电阻值与外加电压无关；在给定的电压下，光电流的数值将随光照的增强而增加.(3)光敏电阻的光照特性光敏电阻的光电流I和光强F的关系曲线，-称为光敏电阻的光照特性。-不同的光敏电阻的-光照特性是不同的，-但在大多数情况下，曲线的形状类似右图所示。-光敏电阻的光照特性曲线时非线性，因此不适宜做线性敏感元件，这是光敏电阻的缺点之一。所以在自动控制中它常用作开关量的光电传感器。(4)光敏电阻的光谱特性光敏电阻对于不同波长的入射光，其相对灵敏度也是不同的。各种不同材料的光谱特性曲线如右图所示。从图中可以看出，硫化镉的峰值在可见光区域,而硫化铅的峰值在红外区域，因此，在选用光敏电阻时，就应当把元件和光源结合起来考虑，才能获得满意的结果。(5)光敏电阻的频率特性在使用光敏电阻时，应当注意它的光电流并不是随光强改变而立刻做出相应的变化，而是具有一定的惰性，这也是光敏电阻的缺点之一。这种惰性常用时间常数来描述，不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数，因而它们的频率特性也就搁不相同，如右图所示为两种不同材料的光敏电阻的频率特性，即相对灵敏度K与光强度变化频率F间的关系曲线。(6)光敏电阻的光谱温度特性光敏电阻和其它半导体器件一样，它的光学与电学性质受温度影响较大，随着温度的升高，它的暗阻和灵敏度都降。同时温度变化也影响它的光谱特性曲线。如右图所示表示硫化铅的光谱温度特性，即在不同温度下的相对灵敏度K和入射光波长的关系曲线。-从图可以看出，它的峰值随着温度上升向短波方向移动。因此，有时为了提高元件的灵敏度，或为了接受远红外光而采取降温措施。二、光敏二极管和光敏三极管原理和结构光敏二极管和光敏三极管统称光敏管。1、光敏二极管原理与结构光敏二极管的结构与一般的二极管相似，其PN结对光敏感。将其PN结装在管的顶部，上面有一个透镜制成的窗口，以便使光线集中在PN结上。如图8-9 2、光敏三极管原理与结构图8-10给出了NPN型光敏三极管基本线路。基极开路，基极-集电极处于反偏状态。当光照射到PN结附近时，由于光生伏特效应，产生光电流。该电流相当于普通三极管的基极电流，因此将被放大(1+β)倍，所以光敏三极管具有比光敏二极管更高的灵敏度。3、光敏管的基本特性和主要参数(1)光敏晶体管的光谱特性图为光敏晶体管的光谱特性曲线从特性曲线可以看出：-硅管的峰值波长为0.9μm左右，-锗管的峰值波长为1.5μ左右。-由于锗管的暗电流比硅管大，锗管的性能较差。-故在可见光或探测赤热状态物体时，都采用硅管。但对红外光进行控测时，则锗管较为合适。(2)光敏晶体管的伏安特性右图为锗光敏晶体管的伏安特性曲线.光敏晶体管在不同照度Ee下的伏安特性，就象一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只要将入射光在发射极与基极之间的PN结附近所产生的光电流看作基极电流,就可将光敏晶体管看成一般的晶体管。(3)光敏晶体管的光照特性右图为光敏晶体管的光照特性曲线。它给出了光敏晶体管的输出电流Ic和照度Ee之间的关系。从图中可以看出它们的曲线近似地可以看作是线性关系。(4)光敏晶体管的温度特性图为锗光的敏晶体管的温度-特性曲线。-它给出了温度对暗电流及输出电流的关系。从曲线可知，温度变化对输出电流的影响较小，主要由光照度所决定。而暗电流随温度变化很大所在应用时应在线路上采取措施进行温度补偿。(5)光敏晶体管的时间常数实验表明，光敏晶体管可以看成一个非周期环节。一般锗管的时间常数约为2×10-4s，而硅管的在10-5s左右。-当检测系统要求快速时，往往选择硅光敏晶体管光电传感器的类型光电传感器可应用于检测多种非电量。-由于光通量对光电元件作用方式的不同所确定的光学装置是多种多样的，按其输出性质可分为两类：第一类,模拟量光电传感器检测系统；第二类，开关量光电传感器检测系统。1、模拟量光电传感器检测系统把被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值对应关系。属于这一类的有下列几种形式：(1)吸收式光辐射能源本身是被测物由被测物发出的光通量到达电元件上。这种形式的光电传感器可用于光电比色高温计中，它的光通量的强度和光谱的强度分布都是被测温度的函数。(2)遮光式恒光源是白炽灯(或其它任何光源)。光通量穿过被测物，部分被吸收，而后到达光电元件上。-吸收量决定于被检测介质的被测参数。例如，测液体、气体的透明度、混浊度的光电比色计、混浊度计的传感器等。(3)反射式恒光源发出光通量到被测物，再从被测物体表面反射出来的光通量投射到光电元件上。表面反射条件决不定期于该表面的性质或状态，因此，同样可以是被测非电量的函数。-例如，测量表面粗糙度、粗造等仪器的传感器。(4)辐射式从恒光源发射到光电元件的光通量遇到被测物被遮蔽了一部分，由此改变了照射到光电元件上的光通量在某些检测尺寸或振动等仪器中，常采用这种传感器2、开关量光电传感器检测系统把被测量转换成断续变化的光电流，而自动检测系统输出的为开关量或数字的电信号。-属于这一类的大多数是用在光机电信结合的检测装置中。-如电子计算机的光电输入机以及转速表的光电传感器、光栅等。光电耦合器件一、光电耦合器件结构光电传感器在自动检测等系统中有着广泛的应用，这里仅就光电耦合器和光电转速传感器在转速检测中的应用实例加以介绍。-光电耦合器是由一发光元件和一光电元件同时封在一个外壳内组合而成的转换元件(1)光电耦合器的结构光电耦合器的结构有金属密封型和塑料密封型两种。-金属密封型(图8-16a)采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中心装片，采用环焊以保证发光管和光敏管对准，以此来提高灵敏度。-塑料密封型(图8-16b)采用双立直插式塑料封装的结构。管芯先装于管脚上，中间用透明树脂固定，具有集光作用，故这种结构的光电耦合器的灵敏度较高。(2)砷化镓发光二极管光电耦合器中经常采用的发光元件是采用砷化镓发光二极管。它是一种半导体发光器件，和普通二极管一样，管芯是一个PN结组成，也具有单向导电的特性。当给PN结加以正向电压后，空间电荷区势垒下降，引起载流子的注入，P区的空空注入到N区，注入的空穴和电子就会相遇而产生复合释放出能量。对于发光二极管来说，复合时放出的能量大部分以光的能量出现。对于砷化镓发光二极管来说，此光是单色光，波长为940nm左右。随正向电压的提高，正向电流增加，发光二极管产生的光通量亦增加，其最大值受发光二极管最大允许电流的限制。二、光电耦合器的组合形式光电耦合器的组合形式有四种(1).图a组合形式，结构简单、成本低，通常用于50kHz以下工作频率的装置内。(2).图b为采用高速开关管构成的高速光电耦合器，用于较高频率的装置中.(3).图c的组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，用于直接驱动和较低频率的装置中。(4).图d为采用固体功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。-近年来，也有将发光元件和光敏元件做在同一个半导体基片上，构成全集成化的光电耦合器。-无论哪一种组合形式，都要使发光元件与光敏元件在波长上得到最佳匹配，保证其灵敏度为最高。三、光电耦合器的特性曲线光电耦合器的特性曲线是用输入发光元件和输出电元件的特性曲线合成的。-作为输入元件的砷化镓发光二极管与作为输出元件的硅光敏三极管合成的光电耦合器的特性曲线，如右图所示。-光电耦合器的输入量是直流电流IF，而输出量也是直流电流Ic。从图中可以看出，该器件的直线性较差，但可采用反馈技术对其非线性失真进行校正。四、光电耦合器的特点与应用1.特点：光电耦合器件实际上一个电量转换器，由于它实现了电隔离，提高了抗干扰性能，并且由于它具有单向信号传输功能，有脉冲转换和直流电平转换特性。2、应用：-特别适用于数字逻辑电路的开关信号传输、计算机、工业控制机中作二进制的输入、输出信号传输。-*在逻辑电路中可作为隔离器件,还可作为不同逻辑电路间的接口；-*在电源电路中，可作为反馈单元以提高电压稳定度；-*在逻辑信号驱动电路中，可用于防止感性负载噪声的反馈单元；-*在显示系统中，作为输入信号与高压间的隔离元件等。-随着科学技术的发展，光电耦合器的性能会不断提高，在模拟电路中也会得到愈来愈广泛的应用五、半导体色敏器件半导体色敏器件利用半导体特有的光吸收特性与厚度有关的原理，将两个光电二极管(PD1，PD2)深浅不一地集成于同一硅片上，构成彩色识别元件，其结构如左图所示。-色敏器件检测颜色的原理是：集成片表面(PN结距表面约0.5μm)的光电二极管PD1对短波长光谱响应较强，深处(PN结深约10μm)的光电二极管PD2对于长波长光谱响应较强。这样PD1和PD2短路电流的比值为一条曲线，根据比值与入射光波长的一一对应关系，就可直接求得入射光波长。六、光源在光电传感器监测电路中常用的光源有：(1)发光二极管(2)钨丝灯泡(3)电弧灯和石英灯(4)激光光电传感器的应用一、光电转速传感器光电式转速传感器工作在脉冲状态下，它是将轴的转速变换成相应频率的脉冲，然后测出脉冲频率就测得转速的数值。-这种测速方法具有传感器结构简单、可靠、测量精度高等优点。-如右图所示即为直射式光电转速传感器的结构原理。它是由装在输入轴上的开孔盘、光源、光敏元件以及缝隙板所组成，输入轴与被测轴相连接。从光源发射的光，通过开孔盘和缝隙照射到光敏元件上，使光敏元件感光。开孔盘上开有一定数量的小孔，当开孔盘转动一周，光敏元件感光的次数与盘的开孔数相等，因此产生相应数量的电脉冲信号。这种结构的传感器由于开孔盘尺寸的限制，其开孔数目不可能太多，使应用受到限制。二、光电转速传感器脉冲变换电路光电式转速传感器的脉冲变换电路如右图所示，VTO1为光敏三极管，当有光照时，光电流I增加使VT2导通，作用到由VT3和VT4组成的射极耦合触发器，使其输出U0为高电位。反之，U0为低电位。传感器的输出脉冲信呈U0送到测量电路时行计数。-测量电路中的计数器、寄存器、分频器、晶体振荡器等部分都是一些通用电路，因此不再进行详细叙述。三、光电转速传感器的其它形式
1
光电效应
当光束照射到某些金属表面上时，会有电子从金属表面即刻逸出，这种现象称为光电效应”。1905年爱 因斯坦圆满地解释了光电效应的实验现象，使人们进一步认识到光的波粒二象性的本质 ，促进了光的量子理
论的建立和近代物理学的发展 ，爱因斯坦因此获得了 1921年的诺贝尔奖。现在利用光电效应制成的各种光电 器件(如光电管、光电倍增管、夜视仪等 )已经被广泛应用于工农业生产、科研和国防等领域。
［实验目的］
1. 加深对光的量子性的认识；
2. 验证爱因斯坦方程，测定普朗克常数；
3•测定光电管的伏安特性曲线。
［实验原理］
当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光 电效应。所产生的电子，称为光电子。根据爱因斯坦的光电效应方程有
2 h v1/2 mvm2+ W (1)
其中V为光的频率，h为普朗克常数口和Vm是光电子的质量和最大速度，W%电子摆脱金属表面的
约束所需要的逸出功。
按照爱因斯坦的光量子理论：频率为V勺光子具有能量hv当金属中的电子吸收一个频率为 v
的光子时，便获得这个光子的全部能量。如果光子的能量 h大于电子摆脱金属表面的约束所需 要的逸出功W,电子就会从金属中逸出,1/2mvm是光电子逸出表面后所具有的最大动能；光子能 量h
V小于W时，电子不能逸出金属表面，因而没有光电效应产生。能产生光电效应的入射光最低 频率v,称为光电效应的截止(或极限)频率。由方程(1)可得
vo=W/h (2)
不同的金属材料有不同的逸出功，因而v也是不同的。
利用光电管可以进行研究光电效应规律、测量普朗克常数的实验 ，实验原理可参考图1。
图中K为光电管的阴极,A为阳极，微安表用于测量微小的光电流，电压表用于测量光电管两极 间的电压丘为电源,R提供的分压可以改变光电管两极间的电势差。 单色光照射到光电管的阴极
K上产生光电效应时，逸出的光电子在电场的作用下由阴极向阳极运动 ，并且在回路中形成光电
