《智能传感器与智能仪表》课件-6.1 外光电效应及典型元件

外光电效应及典型元件从爱因斯坦理论到国之重器项目六

光电式传感器电气工程学院目录CONTENTS外光电效应基本原理Smartsensorsandsmartmeters01典型元件Smartsensorsandsmartmeters02知识导入光电发射效应爱因斯坦1905年用光照射某一物体，可看作物体受到一连串能量为hf（或hν）的光子的轰击组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应外光电效应内光电效应知识导入手机自动调节亮度扫地机器人辨别方向天文望远镜捕捉星光外光电效应基本原理光电效应外光电效应光线作用下，物体内部电子获得光子能量从表面释放出来的现象，称为外光电效应又称为光电发射效应已知每个光子具有的能量为：h=6.626×10-34J∙s普朗克常数f光频率，HzE=hf外光电效应基本原理能量守恒W0——电子逸出物体表面所需的功（逸出功）

me=9.109×10-31kg——电子的质量v0——电子逸出物体表面时的初速度入射光子能量=逸出功+光电子初动能

光电效应方程外光电效应光子“踢出”电子内光电效应光子“激发”电子在材料内部形成导电性变化外光电效应基本原理截止频率红限频率f0=w0/h电子要想逸出金属表面，光子能量必须足够大0102只有入射光的频率大于某一频率f0时，电子才会从金属表面逸出外光电效应基本原理例题波长为4000的单色光照射在逸出功为2.0eV的金属材料上，求：光电子的初动能和红限频率。解：由能量守恒公式hf=w0+EkEk=hf-w0金属逸出功1eV=1.6×10-19J

典型元件单个光子把全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，使自由电子能量增加当入射光照射在阴极上时电子可以克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射当电子获得的能量足够大时结构半圆筒形金属片制成得阴极K和位于阴极轴心得金属丝制成得阳极A封装在抽成真空得玻璃壳内。光电管典型元件工作原理光电管

光电管基本测量电路光电管正常工作时，阳极电位高于阴极入射光频率大于红线频率时，阴极表面逸出的“光电子”被阳极吸引，在光电管内形成空间电子流光强增大，轰击阴极的光子数增多单位时间发射光电子数增多，光电流变大，电流IΦ和电阻RL上的电压U0和光强成函数关系，实现光电转换典型元件光电倍增管结构阴极阳极第一倍增电极第二倍增电极倍增电极通常为通常为10~15级典型元件工作原理光电倍增管工作时，相邻电极之间保持一定电位差，其中阴极电位最低，各倍增电极电位逐级升高，阳极电位最高。光电倍增管光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发光电子光电子按聚焦极电场进入倍增系统，二次电子释放效应倍增放大电子，阳极收集输出典型元件主要性能若倍增电极有n级，各级的倍增率为δ，则光电倍增管的倍增系数为δn，令倍增系数为M，则有以下关系式：光电倍增管倍增系数MI=iM=iδnI为阳极电流i为光电阴极发出的初始光电流n为倍增极个数δ为各级的倍增率电流放大倍数ß=M=I/i=δn一般M在105-108之间阳极和阴极之间的电压为1000~2500V两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V“放大能力”让它能捕捉到极微弱光信号思考一下为什么在激光雷达中，选择光电倍增管而非普通光电二极管除灵敏度，还需考虑哪些因素课程小结基础科学驱动技术革新|技术革新服务国家需求1905年爱因斯坦的理论突破如今光电倍增管支撑我国各项领域课程小结都要怀揣对科学的敬畏、对国家的责任