光电效应和普朗克常量.ppt

皮厚礼皮厚礼1 1光电效应和普朗克常数的测量光电效应和普朗克常数的测量背景资料背景资料背景资料背景资料实验原理实验原理实验原理实验原理实验内容实验内容实验内容实验内容实验仪器实验仪器实验仪器实验仪器数据处理数据处理数据处理数据处理A.爱因斯坦爱因斯坦M.普朗克普朗克拓展拓展拓展拓展应用应用应用应用2 2背景资料背景资料背景资料背景资料光电效应现象：光电效应现象：1887 1887年德国物理学家年德国物理学家H.R.H.R.赫兹发现电火花间隙赫兹发现电火花间隙受到受到紫外线照射时会产生更强的电火花。赫兹的论文紫外光对放电紫外线照射时会产生更强的电火花。赫兹的论文紫外光对放电的影响发表在的影响发表在18871887 年物理学年鉴上。论文详细描述了他的发年物理学年鉴上。论文详细描述了他的发现。现。赫兹的论文发表后，立即引起了广泛的反响，许多物理学家纷纷赫兹的论文发表后，立即引起了广泛的反响，许多物理学家纷纷对此现象进行了研究，用紫外光或波长更短的对此现象进行了研究，用紫外光或波长更短的X X光照射一些金属，都光照射一些金属，都观察到金属表面有电子逸出的现象，称之为光电效应。观察到金属表面有电子逸出的现象，称之为光电效应。对于光电效应的实验规律，经典的波动理论无法给出圆满的解释。对于光电效应的实验规律，经典的波动理论无法给出圆满的解释。19051905年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假说，即：年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假说，即：一束光是一粒一粒以光速一束光是一粒一粒以光速C C运动的粒子流，这些粒子称为光子，光子运动的粒子流，这些粒子称为光子，光子的能量为的能量为E Ehvhv（h h为普朗克常数，为普朗克常数，v v为光的频率）。根据光量子假说，为光的频率）。根据光量子假说，爱因斯坦给出了著名的光电效应方程，并成功地解释了光电效应的各爱因斯坦给出了著名的光电效应方程，并成功地解释了光电效应的各条实验规律。条实验规律。然而，爱因斯坦的光量子假说和光电效应方程并没有立即得到然而，爱因斯坦的光量子假说和光电效应方程并没有立即得到人们的承认，原因是经典的电磁理论的传统观念束缚了人们的思想，人们的承认，原因是经典的电磁理论的传统观念束缚了人们的思想，同时这个假说未获得全面的验证。同时这个假说未获得全面的验证。实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理拓展拓展-应用应用3 3背景资料背景资料背景资料背景资料1912-1915年间，密立根以卓越的研究方法和精湛的实验技术，检验了爱年间，密立根以卓越的研究方法和精湛的实验技术，检验了爱因斯坦因斯坦1905年提出的光电效应公式。于年提出的光电效应公式。于1916年发表论文证实了爱因斯坦方程年发表论文证实了爱因斯坦方程的正确性，并直接运用光电方法对普朗克常数的正确性，并直接运用光电方法对普朗克常数h作了首次测量。作了首次测量。1922年，康普顿发现了年，康普顿发现了“康普顿效应康普顿效应”，他采用单个光子和自由电子的简，他采用单个光子和自由电子的简单碰撞理论，对这个效应做出了满意的理论解释，进一步证实了爱因斯坦的光单碰撞理论，对这个效应做出了满意的理论解释，进一步证实了爱因斯坦的光子理论。子理论。密立根和康普顿的精密实验研究终于确立了光量子论的地位。密立根和康普顿的精密实验研究终于确立了光量子论的地位。密立根（密立根（RobertAndrewsMillikan,1868-1953)因对基本电荷和光电效应的研究，获得了因对基本电荷和光电效应的研究，获得了1923年度的诺贝尔物理学奖。年度的诺贝尔物理学奖。R.密粒根密粒根康普顿（康普顿（ArthurHollyCompton,1892-1962）因发现康普顿效应获得了）因发现康普顿效应获得了1927年度的诺贝尔物理学奖。年度的诺贝尔物理学奖。H.康普顿康普顿爱因斯坦（爱因斯坦（AlbertEinstein,1879-1955）因在理论物理方面的成就，尤其是发现）因在理论物理方面的成就，尤其是发现了光电效应的规律，获得了了光电效应的规律，获得了1921年度的诺贝尔年度的诺贝尔物理学奖。物理学奖。A.爱因斯坦爱因斯坦实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理拓展拓展-应用应用4 4实验原理实验原理实验原理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，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。这种现象称为光电效应，所产生的电子称为光电子。光电效应的实验规律：光电效应的实验规律：饱和光电流与入射光强成正比；饱和光电流与入射光强成正比；(频率相同）频率相同）光电效应存在一个截止频率光电效应存在一个截止频率，当入射光的频率，当入射光的频率时，不论光时，不论光的强度如的强度如何都没有光电子产生；何都没有光电子产生；光电子的初动能与光强无关，而与入射光的频率成正比；光电子的初动能与光强无关，而与入射光的频率成正比；只要只要，无论光强如何，都会立即引起光电子发射，无论光强如何，都会立即引起光电子发射，。对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。爱因斯坦光量子理论：爱因斯坦光量子理论：爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假设，当光子照射金爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假设，当光子照射金属时，金属中的电子全部吸收光子的能量属时，金属中的电子全部吸收光子的能量hv，电子把光子能量的一部分变成，电子把光子能量的一部分变成它逸出金属表面所需的功它逸出金属表面所需的功W，另一部分转化为光电子的动能，即：，另一部分转化为光电子的动能，即：爱因斯坦方程爱因斯坦方程爱因斯坦光量子理论圆满地解释了光电效应的各条实验规律。爱因斯坦光量子理论圆满地解释了光电效应的各条实验规律。背景资料背景资料实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理拓展拓展-应用应用5 5实验原理实验原理实验原理实验原理图图1光电效应实验原理图光电效应实验原理图UG0图图2IU特性曲线特性曲线（频率相同）（频率相同）光强较大光强较大光强较小光强较小截止频率截止频率：根据爱因斯坦方程，只有当：根据爱因斯坦方程，只有当才会有光电子发射，才会有光电子发射，即截止频率为即截止频率为（值随金属种类不同而不同值随金属种类不同而不同）普朗克常数的测量：普朗克常数的测量：反向遏止电压反向遏止电压：使光电流为零而在光电管两端所加的反向电压（如：使光电流为零而在光电管两端所加的反向电压（如图图2所示），显然，反向遏止电压的物理含义为所示），显然，反向遏止电压的物理含义为背景资料背景资料实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理拓展拓展-应用应用6 6实验原理实验原理实验原理实验原理根据根据普朗克常数的测量：普朗克常数的测量：上式说明上式说明与入射光频率与入射光频率成直线关系，实验中可用不同频成直线关系，实验中可用不同频率的入射光照射，分别找到相应的遏止电压率的入射光照射，分别找到相应的遏止电压，就可作出，就可作出的实验直线，此直线的斜率就是的实验直线，此直线的斜率就是由该直线与横轴的交点，可求出由该直线与横轴的交点，可求出“红限红限”频率频率。这就是密立根。这就是密立根验证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想。验证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想。则普朗克常数则普朗克常数背景资料背景资料实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理拓展拓展-应用应用7 7实验原理实验原理实验原理实验原理普朗克常数的测量：普朗克常数的测量：注：注：实际测量的光电管伏安特性曲线如实际测量的光电管伏安特性曲线如图图3所示。这是由于在实验进行时，光电所示。这是由于在实验进行时，光电管中还伴有两个现象，即阳极的光电子管中还伴有两个现象，即阳极的光电子发射和暗电流。阳极的光电子发射是阳发射和暗电流。阳极的光电子发射是阳极材料在光照下发射的光电子，对这些极材料在光照下发射的光电子，对这些光电子而言，外加反向电场是加速电场，光电子而言，外加反向电场是加速电场，因此它们很容易到达阴极，形成反向电因此它们很容易到达阴极，形成反向电流。暗电流流。暗电流则是在无光照射时，外则是在无光照射时，外加反向电压下光电管流过的微弱电流。加反向电压下光电管流过的微弱电流。由于这两个因素的影响，实验中实测的由于这两个因素的影响，实验中实测的IU特性曲线往往如图特性曲线往往如图3所示。曲线的所示。曲线的下部转变为直线，转变点下部转变为直线，转变点B(抬头点抬头点)对应对应的外加电压值才是遏止电压。的外加电压值才是遏止电压。图图3IU实验曲线实验曲线暗电流暗电流实验曲线实验曲线0B背景资料背景资料实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理拓展拓展-应用应用8 8实验仪器实验仪器实验仪器实验仪器GD1GD1型微电流测试仪型微电流测试仪型微电流测试仪型微电流测试仪GDh45GDh45型光电管型光电管型光电管型光电管GGQ50WHgGGQ50WHg仪器用高压汞灯仪器用高压汞灯仪器用高压汞灯仪器用高压汞灯背景资料背景资料实验原理实验原理实验内容实验内容数据处理数据处理拓展拓展-应用应用9 9实验仪器实验仪器实验仪器实验仪器型型型型号号号号NG365NG365NG405NG405NG436NG436NG546NG546NG577NG577选用波长（选用波长（选用波长（选用波长（A A）3650365040474047435843585461546157705770透过率（）透过率（）透过率（）透过率（）48484040202030302525滤色片滤色片:是一组外径为是一组外径为36mm36mm的宽带通型有色玻璃组合滤色片的宽带通型有色玻璃组合滤色片,具有滤选具有滤选 3650A,4047A,4358A,5461A和和5770A等谱线的能力等谱线的能力。滤色片性能表滤色片性能表中性减光片中性减光片:是三块一组外径是三块一组外径为为 36mm的中性减光片。光通的中性减光片。光通过减光片后过减光片后,光强将减弱。在单光强将减弱。在单色光为色光为5770A时，其减光率分别时，其减光率分别可达可达25%、50%、和、和75%。背景资料背景资料实验原理实验原理实验内容实验内容数据处理数据处理拓展拓展-应用应用1010实验仪器实验仪器实验仪器实验仪器开机前准备开机前准备:按照光源、光电管暗盒和微电流测试仪的顺序将仪器安放在适当位按照光源、光电管暗盒和微电流测试仪的顺序将仪器安放在适当位置，并将微电流测试仪面板上各个开关旋钮置于下列位置；置，并将微电流测试仪面板上各个开关旋钮置于下列位置；“电流量程电流量程”置置“1A”；“电压量程电压量程”置置“30V”；“电压极性电压极性”置置“+”；“电压调节电压调节”逆时逆时针调到最小。针调到最小。将光源上出光孔和暗盒上入光孔分别用挡光盖盖上；把暗盒上将光源上出光孔和暗盒上入光孔分别用挡光盖盖上；把暗盒上“K”端用屏蔽电端用屏蔽电缆与微电流测试仪面板上缆与微电流测试仪面板上“K”端连接，再用普通导线将二者对应的端连接，再用普通导线将二者对应的“A”和和“”连接好。连接好。先将电源开关打开，让汞灯预热先将电源开关打开，让汞灯预热1520分钟，然后再打开微电流测试仪电源开分钟，然后再打开微电流测试仪电源开关。关。让光源出光孔与暗盒入光孔水平对准，二者间距由以下方法确定：将让光源出光孔与暗盒入光孔水平对准，二者间距由以下方法确定：将365滤色片滤色片装在暗盒光窗上，电流测试仪上输出电压调为装在暗盒光窗上，电流测试仪上输出电压调为3V，移动光电管，使电流测试仪，移动光电管，使电流测试仪上电流读数在上电流读数在0.4A0.3A变动并停留在变动并停留在0.3A，此时二者间距最为合适。，此时二者间距最为合适。实验仪器的使用及注意事项实验仪器的使用及注意事项注意事项：注意事项：更换滤色片时注意避免污染，以免除不必要的折射光带来实验误差；更换滤色片时注意避免污染，以免除不必要的折射光带来实验误差；更换滤色片时先将光源出光孔遮住，而且做完实验后也要用遮光罩盖住光电管入更换滤色片时先将光源出光孔遮住，而且做完实验后也要用遮光罩盖住光电管入光孔，避免强光直接照射阴极而缩短光电管寿命；光孔，避免强光直接照射阴极而缩短光电管寿命；光电管入光孔勿对着其他强光源，以减少杂散光干扰。光电管入光孔勿对着其他强光源，以减少杂散光干扰。汞灯光源外壳加热后温度较高，试验过程中不要接触到光源外壳。汞灯光源外壳加热后温度较高，试验过程中不要接触到光源外壳。电压从大量程换为小量程要先调节旋钮使指针偏转到最小，以免损坏仪表。电压从大量程换为小量程要先调节旋钮使指针偏转到最小，以免损坏仪表。背景资料背景资料实验原理实验原理实验内容实验内容数据处理数据处理拓展拓展-应用应用1111实验内容实验内容实验内容实验内容一、测量一、测量IU伏安特性曲线伏安特性曲线将挡光盖盖住光源出光孔，把暗盒入光孔套架上挡光盖取下来，换上滤将挡光盖盖住光源出光孔，把暗盒入光孔套架上挡光盖取下来，换上滤色片，再从光源出光孔上取下挡光盖，顺时针旋转色片，再从光源出光孔上取下挡光盖，顺时针旋转“电压调节电压调节”旋钮，使电旋钮，使电压由压由-3V逐渐升高到逐渐升高到30V，观察光电流的变化，记下一组，观察光电流的变化，记下一组IU值，由短波到值，由短波到长波逐次换上五种不同波长的滤色片，这样可记长波逐次换上五种不同波长的滤色片，这样可记5组组IU值。值。注意测量点应合理分配，具体为：注意测量点应合理分配，具体为：3V0V电流开始变化电流开始变化(急剧变化急剧变化)时细测几个点时细测几个点(间隔间隔0.1V或或0.2V)0V10V每隔每隔1V记一个电流值记一个电流值10V30V每隔每隔5V记一个电流值记一个电流值二、测量二、测量IP特性特性(光电特性光电特性)曲线曲线把把577型滤色片装在暗盒光窗上，电压由型滤色片装在暗盒光窗上，电压由0V升到升到30V，记下饱和电压值，记下饱和电压值，我们可视之为透光率为我们可视之为透光率为100%的情况，还可测出透光率分别为的情况，还可测出透光率分别为75%，50%和和25%的三种情况，即将三块减光片分别装在光源出光口，电压都是从的三种情况，即将三块减光片分别装在光源出光口，电压都是从0V升到升到30V的。由此可观察饱和光电流与光的强度的关系。的。由此可观察饱和光电流与光的强度的关系。背景资料背景资料实验原理实验原理实验仪器实验仪器数据处理数据处理拓展拓展-应用应用1212数据处理数据处理数据处理数据处理一、根据测量数据作出一、根据测量数据作出5种不同频率的照射光所对应种不同频率的照射光所对应的的IU伏安特性曲线，由此确定伏安特性曲线，由此确定5种不同频率的照射光所对应截止种不同频率的照射光所对应截止电压值。电压值。型型型型号号号号NG365NG365NG405NG405NG436NG436NG546NG546NG577NG577选用波长（选用波长（选用波长（选用波长（A A）3650365040474047435843585461546157705770频率频率频率频率10101414（HzHz）8.228.227.417.416.886.885.945.945.205.20截至电压截至电压截至电压截至电压U US S（V V）参考表格：参考表格：数据拟合：数据拟合：1作图法作图法作出作出USv的实验直线，求此直线的斜率的实验直线，求此直线的斜率k；普朗克常数普朗克常数hek（与公认值进行比较，计算相对不确定度）（与公认值进行比较，计算相对不确定度）该直线与横轴的交点即该直线与横轴的交点即“红限红限”频率频率v0。背景资料背景资料实验原理实验原理实验内容实验内容实验仪器实验仪器拓展拓展-应用应用1313数据处理数据处理数据处理数据处理2最小二乘法最小二乘法根据最小二乘法求出直线方程根据最小二乘法求出直线方程普朗克常数普朗克常数“红限红限”频率频率计算不确定度、表达实验结果。计算不确定度、表达实验结果。二、根据测量数据作出不同照度下二、根据测量数据作出不同照度下IU伏安特性曲伏安特性曲线和线和IP特性特性(光电特性光电特性)曲线。曲线。背景资料背景资料实验原理实验原理实验内容实验内容实验仪器实验仪器拓展拓展-应用应用1414拓展拓展拓展拓展-应用应用应用应用光照射在物体上可以看成是一连串的具有一定能量的光子光照射在物体上可以看成是一连串的具有一定能量的光子轰击这些物体的表面；光子与物体之间的联接体是电子。所谓轰击这些物体的表面；光子与物体之间的联接体是电子。所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应可分成外光电效应和内光电效应量而产生的电效应。光电效应可分成外光电效应和内光电效应两类。两类。一外光电效应一外光电效应(Externalphotoelectriceffect)在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应。光电效应。外光电效应从光开始照射至金属释放电子几乎在瞬间发生，所需时外光电效应从光开始照射至金属释放电子几乎在瞬间发生，所需时间不超过间不超过1010-9-9S S。基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管和光电倍增。基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管和光电倍增管。管。图图1光电管光电管图图2光电管受光照发射电子光电管受光照发射电子实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理背景资料背景资料1515拓展拓展拓展拓展-应用应用应用应用图3光电倍增管光电管种类很多，它是个装有光阴极和阳极的光电管种类很多，它是个装有光阴极和阳极的真空玻璃管，结构如图真空玻璃管，结构如图1 1所示。图所示。图2 2阳极通过阳极通过RLRL与电与电源连接在管内形成电场。光电管的阴极受到适当的源连接在管内形成电场。光电管的阴极受到适当的照射后便发射光电子，这些光电子在电场作用下被照射后便发射光电子，这些光电子在电场作用下被具有一定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电具有一定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。电阻子流。电阻RLRL上产生的电压降正比于空间电流，其上产生的电压降正比于空间电流，其值与照射在光电管阴极上的光成函数关系。如果在值与照射在光电管阴极上的光成函数关系。如果在玻璃管内充入惰性气体玻璃管内充入惰性气体(如氩、氖等如氩、氖等)即构成充气光即构成充气光电管。由于光电子流对惰性气体进行轰击，使其电电管。由于光电子流对惰性气体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电子，从而提高光电变换的灵离，产生更多的自由电子，从而提高光电变换的灵敏度。敏度。光电倍增管的结构如光电倍增管的结构如3 3所示。在玻璃管内除装有光电阴极和光电阳极外，所示。在玻璃管内除装有光电阴极和光电阳极外，尚装有若干个光电倍增极。光电倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子尚装有若干个光电倍增极。光电倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。光电倍增极的形状及位置设置得正好能使前一级倍增极发射的电子的材料。光电倍增极的形状及位置设置得正好能使前一级倍增极发射的电子继续轰击后一级倍增极。在每个倍增极间均依次增大加速电压。设每级的培继续轰击后一级倍增极。在每个倍增极间均依次增大加速电压。设每级的培增率为增率为，若有，若有n n级，则光电倍增管的光电流倍增率将为级，则光电倍增管的光电流倍增率将为nn。实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理背景资料背景资料1616拓展拓展拓展拓展-应用应用应用应用二二.内光电效应内光电效应(Internalphotoelectriceffect)光照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带光照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子-空穴对，空穴对，从而使半导体材料产生电效应。光子能量必须大于材料的禁带宽度从而使半导体材料产生电效应。光子能量必须大于材料的禁带宽度EgEg才能产才能产生内光电效应。由此可得内光电效应的临界波长生内光电效应。由此可得内光电效应的临界波长o=1293/Eg(nm)o=1293/Eg(nm)。通常纯。通常纯净半导体的禁带宽度为净半导体的禁带宽度为1eV1eV左右。左右。内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。1.1.光电导效应光电导效应 半导体受到光照时会产生光生电子空穴对半导体受到光照时会产生光生电子空穴对(electron-hole pairs)(electron-hole pairs)，使导电性能增强，光线愈强，阻值愈低。这种光照后电阻率变化的现象称为使导电性能增强，光线愈强，阻值愈低。这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管与三极管。极管与三极管。实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理背景资料背景资料1717拓展拓展拓展拓展-应用应用应用应用图4 光敏电阻的工作原理 (1)(1)光敏电阻光敏电阻(photo resistors)(photo resistors)光敏光敏电阻是一种电阻器件，其工作原理如图电阻是一种电阻器件，其工作原理如图4 4所示。所示。使用时，可加直流偏压使用时，可加直流偏压(无固定极性无固定极性)，或加，或加交流电压。交流电压。光敏电阻中光电导作用的强弱是用其电导光敏电阻中光电导作用的强弱是用其电导的相对变化来标志的。禁带宽度较大的半导的相对变化来标志的。禁带宽度较大的半导体材料，在室温下热激发产生的电子空穴体材料，在室温下热激发产生的电子空穴对较少，无光照时的电阻对较少，无光照时的电阻(暗电阻暗电阻)较大。因较大。因此光照引起的附加电导就十分明显，表现出此光照引起的附加电导就十分明显，表现出很高的灵敏度。很高的灵敏度。为了提高光敏电阻的灵敏度，应尽量减小电极间的距离。对于面积较大为了提高光敏电阻的灵敏度，应尽量减小电极间的距离。对于面积较大的光敏电阻，通常采用光敏电阻薄膜上蒸镀金属形成梳状电极。为了减小的光敏电阻，通常采用光敏电阻薄膜上蒸镀金属形成梳状电极。为了减小潮湿对灵敏度的影响，光敏电阻必须带有严密的外壳封装。光敏电阻灵敏潮湿对灵敏度的影响，光敏电阻必须带有严密的外壳封装。光敏电阻灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜，因此在自动化技术中应用度高，体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜，因此在自动化技术中应用广泛。广泛。实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理背景资料背景资料1818拓展拓展拓展拓展-应用应用应用应用图6 光敏电阻梳状电极图5 光电二极管原理图 (2)(2)光敏二极管光敏二极管(photodiode)PN(photodiode)PN结可以光电导效应工作，结可以光电导效应工作，也可以光生伏特效应工作。如图也可以光生伏特效应工作。如图5 5所示，处于反向偏置的所示，处于反向偏置的PNPN结，结，在无光照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区在无光照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子空穴对，在结电场作用下，电子向产生电子空穴对，在结电场作用下，电子向N N区运动，空穴向区运动，空穴向P P区运动，形成光电流，图区运动，形成光电流，图6 6 光敏电阻梳状电极光敏电阻梳状电极 方向与反向方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈大。由于无光照时的反偏电流一致。光的照度愈大，光电流愈大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此光照时的反向电流基本上电流很小，一般为纳安数量级，因此光照时的反向电流基本上与光强成正比。与光强成正比。实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理背景资料背景资料1919拓展拓展拓展拓展-应用应用应用应用图7 光电三极管原理图图8 入射光方向与管壳轴线夹角示意图 (3)(3)光敏三极管光敏三极管(photo transistors)(photo transistors)它可以看成是一个它可以看成是一个bcbc结为光敏二极管的三结为光敏二极管的三极管。其原理和等效电路见图极管。其原理和等效电路见图7 7。在光照作用下，光敏二极管将光信号转换成。在光照作用下，光敏二极管将光信号转换成电流信号，该电流信号被晶体三极管放大。显然，在晶体管增益为电流信号，该电流信号被晶体三极管放大。显然，在晶体管增益为 时，光敏时，光敏三极管的光电流要比相应的光敏二极管大三极管的光电流要比相应的光敏二极管大 倍。倍。光敏二级管和三极管均用硅或锗制成。由于硅器件暗电流小、温度系数光敏二级管和三极管均用硅或锗制成。由于硅器件暗电流小、温度系数小，又便于用平面工艺大量生产，尺寸易于精确控制，因此硅光敏器件比锗小，又便于用平面工艺大量生产，尺寸易于精确控制，因此硅光敏器件比锗光敏器件更为普通。光敏器件更为普通。光敏二极管和三极管使用时应注意保持光源与光敏管的合适位置光敏二极管和三极管使用时应注意保持光源与光敏管的合适位置(见图见图8)8)。因为只有在光敏晶体管管壳轴线与入射光方向接近的某一方位因为只有在光敏晶体管管壳轴线与入射光方向接近的某一方位(取决于透镜的取决于透镜的对称性和管芯偏离中心的程度对称性和管芯偏离中心的程度)，入射光恰好聚焦在管芯所在的区域，光敏管，入射光恰好聚焦在管芯所在的区域，光敏管的灵敏度才最大。为避免灵敏度变化，使用中必需保持光源与光敏管的相对的灵敏度才最大。为避免灵敏度变化，使用中必需保持光源与光敏管的相对位置不变。位置不变。实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理背景资料背景资料2020拓展拓展拓展拓展-应用应用应用应用图9 PN结光生伏特效应原理图2.2.光生伏特效应光生伏特效应 光生伏特效应是光照引光生伏特效应是光照引 起起PNPN结两端产生电动势的效结两端产生电动势的效 应。当应。当PNPN结两端没有外加电结两端没有外加电 场时，在场时，在PNPN结势垒区内仍然结势垒区内仍然 存在着内建结电场，其方向存在着内建结电场，其方向 是从是从N N区指向区指向P P区，如图区，如图9 9所所 示。当光照射到结区时，光示。当光照射到结区时，光 照产生的电子空穴对在结电场作用下，电子推向照产生的电子空穴对在结电场作用下，电子推向N N区，区，空穴推向空穴推向P P区；电子在区；电子在N N区积累和空穴在区积累和空穴在P P区积累使区积累使PNPN结两结两边的电位发生变化，边的电位发生变化，PNPN结两端出现一个因光照而产生的结两端出现一个因光照而产生的电动势，这一现象称为光生伏特效应。由于它可以像电电动势，这一现象称为光生伏特效应。由于它可以像电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池。池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池。实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理背景资料背景资料2121拓展拓展拓展拓展-应用应用应用应用实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理背景资料背景资料图10 光电池的开路电压输出(a)和短路电流输出(b)光电池光电池(photocell)(photocell)与外电路的连接方式有两种与外电路的连接方式有两种(图图10)10)：一种是把：一种是把PNPN结的两端通过外导线短接，形成流过外电路的电流，这电流称为光电池的结的两端通过外导线短接，形成流过外电路的电流，这电流称为光电池的输出短路电流输出短路电流(IL)(IL)，其大小与光强成正比；另一种是开路电压输出，开路，其大小与光强成正比；另一种是开路电压输出，开路电压与光照度之间呈非线性关系；光照度大于电压与光照度之间呈非线性关系；光照度大于1000lx1000lx时呈现饱和特性。因时呈现饱和特性。因此使用时应根据需要选用工作状态。此使用时应根据需要选用工作状态。硅光电池是用单晶硅制成的。在一块硅光电池是用单晶硅制成的。在一块N N型硅片上用扩散方法渗入一些型硅片上用扩散方法渗入一些P P型杂质，从而形成一个大面积型杂质，从而形成一个大面积PNPN结，结，P P层极薄能使光线穿透到层极薄能使光线穿透到PNPN结上。硅结上。硅光电池也称硅太阳能电池，为有源器件。它轻便、简单，不会产生气体污光电池也称硅太阳能电池，为有源器件。它轻便、简单，不会产生气体污染或热污染，特别适用于宇宙飞行器作仪表电源。硅光电池转换效率较低，染或热污染，特别适用于宇宙飞行器作仪表电源。硅光电池转换效率较低，适宜在可见光波段工作。适宜在可见光波段工作。2222拓展拓展拓展拓展-应用应用应用应用实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理背景资料背景资料光电式传感器光电式传感器一一.光电式传感器的类型光电式传感器的类型光电式传感器按其输出量性质可分为两大类：光电式传感器按其输出量性质可分为两大类：1.1.模拟式光电传感器模拟式光电传感器 这类传感器将被测量转换成连续变化的光电流，要求光电元件的光照这类传感器将被测量转换成连续变化的光电流，要求光电元件的光照特性为单值线性，而且光源的光照均匀恒定。特性为单值线性，而且光源的光照均匀恒定。(1)(1)辐射式辐射式 被测物体本身是光辐射源，由它释出的光射向光电元件。被测物体本身是光辐射源，由它释出的光射向光电元件。光电高温计、光电比色高温计、红外侦察、红外遥感和天文探测等均属于光电高温计、光电比色高温计、红外侦察、红外遥感和天文探测等均属于这一类。这种方式还可用于防火报警，火种报警和构成光照度计等。这一类。这种方式还可用于防火报警，火种报警和构成光照度计等。(2)(2)吸收式吸收式 被测物体位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物对光的被测物体位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度，对气体进行成分分析，测定液体中某种物质的含量等。混浊度，对气体进行成分分析，测定液体中某种物质的含量等。2323拓展拓展拓展拓展-应用应用应用应用(3)(3)反射式反射式 恒定光源释出的光投射到被测物体上，再从其表面反射到恒定光源释出的光投射到被测物体上，再从其表面反射到光电元件上，根据反射的光通量多少测定被测物表面性质和状态。例如光电元件上，根据反射的光通量多少测定被测物表面性质和状态。例如测量零件表面粗糙度、表面缺陷、表面位移以及表面白度、露点、湿度测量零件表面粗糙度、表面缺陷、表面位移以及表面白度、露点、湿度等。等。实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理背景资料背景资料图11.反射式光电传感器示意图 图图1111为反射式光电传感器示意图。为反射式光电传感器示意图。(a)(b)(a)(b)是利用反射法检测材质表是利用反射法检测材质表面粗糙度和表面裂纹、凹坑等疵病的传感器示意图。面粗糙度和表面裂纹、凹坑等疵病的传感器示意图。(a)(a)为正反射接收型，为正反射接收型，用于检测浅小的缺陷，灵敏度较高；用于检测浅小的缺陷，灵敏度较高；(b)(b)为非正反射接收型，用于检测较为非正反射接收型，用于检测较大的几何缺陷；图大的几何缺陷；图(c)(c)是利用反射法测量工件尺寸或表面位置的示意图，是利用反射法测量工件尺寸或表面位置的示意图，当工件位移当工件位移hh时，光斑移动时，光斑移动ll，其放大倍数为，其放大倍数为l/hl/h。在标尺处放置。在标尺处放置一排光电元件即可获得尺寸分组信号。一排光电元件即可获得尺寸分组信号。2424拓展拓展拓展拓展-应用应用应用应用实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理背景资料背景资料图12 透射式光电传感器示意图(4)(4)投射式（遮光式）投射式（遮光式）被测物位于被测物位于恒定光源与光电元件之间，根据被恒定光源与光电元件之间，根据被测物阻档光通量的多少来测定被测测物阻档光通量的多少来测定被测参数。参数。图图1212为透射式光电传感器示意为透射式光电传感器示意图。这种传感器将被测对象作为光图。这种传感器将被测对象作为光闸，主要用于测小孔、狭缝、细丝闸，主要用于测小孔、狭缝、细丝直径等。直径等。(5)(5)时差测距时差测距.恒定光源发出的光投射于目的物，然后反射恒定光源发出的光投射于目的物，然后反射至光电元件，根据发射与接收之间的时间差测出距离。这种至光电元件，根据发射与接收之间的时间差测出距离。这种方式的特例为光电测距仪方式的特例为光电测距仪 。2525拓展拓展拓展拓展-应用应用应用应用实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理背景资料背景资料2.2.开关式光电传感器开关式光电传感器 这类光电传感器利用光电元件受光照或无光这类光电传感器利用光电元件受光照或无光照时照时“有有”“”“无无”电信号输出的特性将被测量转电信号输出的特性将被测量转换成断续变化的开关信号。为此，要求光电元件换成断续变化的开关信号。为此，要求光电元件灵敏度高，而对光照特性的线性要求不高。灵敏度高，而对光照特性的线性要求不高。这类传感器主要应用于零件或产品的自动记这类传感器主要应用于零件或产品的自动记数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器以及光电报警装置等方面。电编码器以及光电报警装置等方面。2626拓展拓展拓展拓展-应用应用应用应用实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理背景资料背景资料 图图1313为光电式数字转速表工作原理图。图为光电式数字转速表工作原理图。图(a)(a)表示转轴上涂黑白两种颜表示转轴上涂黑白两种颜色的工作方式。当电机转动时，反光与不反光交替出现，光电元件间断地色的工作方式。当电机转动时，反光与不反光交替出现，光电元件间断地接收反射光信号，输出电脉冲。经放大整形电路转换成方波信号，由数字接收反射光信号，输出电脉冲。经放大整形电路转换成方波信号，由数字频率计测得电机的转速。图频率计测得电机的转速。图(b)(b)为电机轴上固装一齿数为为电机轴上固装一齿数为z z的调制盘相当的调制盘相当图图(a)(a)电机轴上黑白相间的涂色的工作方式。其工作原理与图电机轴上黑白相间的涂色的工作方式。其工作原理与图(a)(a)相同。相同。若频率计的计数频率为若频率计的计数频率为f f，由下式：，由下式：即可测得转轴转速即可测得转轴转速n(r/min)n(r/min)。图13 光电式数字转速表工作原理图2727拓展拓展拓展拓展-应用应用应用应用实验原理实验原理实验仪器实验仪器实验内容实验内容数据处理数据处理背景资料背景资料1.1.光电物位传感器光电物位传感器光电物位传感器多用于测量物体之有无、个数、物体移动距离和相位等。光电物位传感器多用于测量物体之有无、个数、物体移动距离和相位等。按结构可分为遮光式、反射式两类。按结构可分为遮光式、反射式两类。2.CCD2.CCD图像传感器的应用图像传感器的应用 CCD CCD图像传感器研究的目标之一是构成固态摄像装置的光电器件。由图像传感器研究的目标之一是构成固态摄像装置的光电器件。由于于CCDCCD图像传感器是极小型的固态集成器件，即同时具有光生电荷以及积累图像传感器是极小型的固态集成器件，即同时具有光生电荷以及积累和转移电荷等多种功能，取消了光学扫描系统或电子束扫描，所以在很大和转移电荷等多种功能，取消了光学扫描系统或电子束扫描，所以在很大程度上降低了再生图像的失真。这些特点决定了它可广泛用于自动控制，程度上降低了再生图像的