02 第二章 传感器的基础效应

《传感器与检测技术》教材配套课件国防科技大学传感与测试教学团队国家精品课程、国家精品资源共享课程配套教材注：部分小节内容根据实际教学有所调整，有任何建议请联系qiuxtnudt@邱老师第二章传感器的基础效应第一篇传感器与测试技术理论基础主要内容2.1光电效应2.2电光效应2.3磁光效应2.4磁电效应2.5纳米效应2.1光电效应光也可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子（称为光子）所构成，每个光子具有的能量正比于光的频率。用光照射某一物体时，就可以看作物体受到一连串具有能量的光子所轰击，而光电效应就是由于物体吸收光子能量后产生的电效应。某些物质在光的作用下其电特性发生变化的现象称为光电效应（Photoelectriceffect）。

根据这一效应的现象是发生在物体的表面还是发生在物体的内部，光电效应一般分为

2.1光电效应外光电效应内光电效应2.1光电效应1、外光电效应在光线作用下，物体内部的电子获得光子的能量而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。由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。

式中，h

=6.626×10-34J∙s—普朗克常数；

—光的频率，Hz。已知每个光子具有的能量为：式中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；

0

—电子逸出物体表面时的初速度。

只有入射光的频率大于某一频率γ0时，电子才会从金属表面逸出.

0称为截止频率或红限频率

截止频率（红限）:光电效应方程

由能量守恒：

入射光子能量=逸出功+光电子初动能2.1光电效应1、外光电效应2.1光电效应1、外光电效应例题：

波长为4000埃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，红限频率。解：由光电效应方程红限频率结论（1）光电子能否产生，与光强无关，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。（2）

0一定时，产生的光电流和光强成正比。（3）逸出的光电子具有动能。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。2.1光电效应1、外光电效应在光的照射下，物质吸收入射光子的能量，在物质内部激发载流子，但这些载流子仍留在物质内部，从而增加物体的导电性或产生电动势、或产生光电流的现象，称为内光电效应。

内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。2.1光电效应2、内光电效应1）光电导效应某些物体（一般为半导体）受到光照时，其内部原子释放的电子留在内部而使物体的导电性增加、电阻值下降的现象称为光电导效应。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻（亦称光电导管）等，其常用的材料有硫化镉（CdS）、硫化铅（PbS）、锑化铟（InSb）、非晶硅（α-Si：H）等。2.1光电效应2、内光电效应1）光电导效应2.1光电效应2、内光电效应PN结光生伏特效应侧向光生伏特效应光磁电效应贝克勒耳效应5.1.1光电效应与光电器件2）光生伏特效应2.1光电效应2、内光电效应物质的光学特性受外电场的影响而发生变化的现象，如某些各向同性的透明物质在电场作用下其光学特性受外电场影响而发生各向异性变化的现象统称为电光效应（electro-opticaleffect）。2.2电光效应泡克耳斯效应克尔效应光弹效应电致发光效应电致变色效应2.2电光效应1、泡克耳斯效应

泡克耳斯效应（Pockelseffect）1893年由德国物理学家F.C.A.泡克耳斯发现。一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播方向一致）作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射现象，称为电致双折射。折射率的变化与所加电场强度的一次方成正比，所以这种效应也称为线性电光效应。2.2电光效应2、克尔效应1875年由英国物理学家J.克尔发现。光照射具有各向同性的透明物质（也可以是液体），在与入射光垂直的方向上加以高电压将发生双折射现象，即一束入射光变成“寻常”和“异常”两束出射光，称这种现象为电光克尔效应，因两个主折射率之差正比于电场强度的平方，故这种效应又称作平方电光效应。2.2电光效应3、光弹效应

光弹效应（Photoelasticeffect）也称应力双折射效应。某些非晶体物质（如环氧树脂、玻璃）在机械力的作用下，会获得各向异性的性质。如外力或振动作用于弹性体产生形变时，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质的效应。

利用光弹效应可制成压力、振动、声响传感器。2.2电光效应4、电致发光效应某些固态晶体在光和外加电场作用下发出冷光的现象，以及某些固态晶体无需外加激发光而在外加电场作用下即可发光的现象统称为电致发光效应（Electroluminescenceeffect）。

基于电致发光效应的器件有发光二极管、半导体激光器等。2.2电光效应5、电致变色效应某些材料在交替的高低或正负外电场的作用下，通过注入或抽取电荷（离子或电子），从而在低透射率的致色状态或高透色率的消色状态之间产生可逆变化的一种特殊现象，在外观性能上则表现为颜色及透明度的可逆变化。这种在电流或电场的作用下，材料发生可逆变色的现象，称为电致变色效应（Electrochromiceffect）。2.3磁光效应置于外磁场的物体，在光和外磁场的作用下，其光学特性（如吸光特性、折射率等）发生变化的现象称为磁光效应（Magneto-opticaleffect）。

法拉第效应磁光克尔效应科顿-穆顿效应塞曼效应2.3磁光效应平面偏振光（即线偏振光）通过带磁性的透光物体或通过在纵向磁场作用下的非旋光性物质时，其偏振光面发生偏转的现象称为磁光法拉第效应或磁致旋光效应，也称法拉第旋转或磁圆双折射效应。

1、法拉第效应2.3磁光效应平面偏振光垂直入射于抛光的强电磁铁的磁极表面，所产生的反射光是一束椭圆偏振光，且偏振面的偏转角度随磁场强度而变化，这种现象叫磁光克尔效应。克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的磁畴。

2、磁光克尔效应2.3磁光效应当光的传播方向与磁场垂直时，平行于磁场方向的线偏振光的相速不同于垂直于磁场方向的线偏振光的相速而产生双折射现象，称为科顿-穆顿效应，或磁致双折射效应。

3、科顿-穆顿效应为科顿-穆顿常数，它与光波波长和温度有关，与磁场强无关2.3磁光效应塞曼效应（Zeemaneffect）是当光源放在足够强的磁场中时，光源发出的每条光谱线，都分裂成若干条偏振化的光谱线，分裂的谱线条数随能级的类别不同而不同的现象。塞曼效应是研究原子结构的重要途径之一。在天体物理中，塞曼效应被用来测量天体磁场及星际磁场。因变化量极小，难用于传感器，但可用于激光稳频，制成双频激光器。4、塞曼效应将材质均匀的金属或半导体通电并置于磁场中产生的各种物理变化，称为磁电效应。它包括电流磁效应和狭义的磁电效应。电流磁效应是指磁场对通有电流的物体引起的电效应，如磁阻效应和霍尔效应；狭义的磁电效应是指物体由电场作用产生的磁化效应（称作电致磁电效应）或由磁场作用产生的电极化效应。2.4磁电效应2.4磁电效应1、霍尔效应

将载流导体板放在磁场中，使磁场方向垂直于电流方向，在导体板两侧之间就会出现横向电势差，称为霍尔效应（HallEffect）2.4磁电效应2、磁阻效应

当一载流半导体置于磁场中，其电阻值会随磁场而变化的这种现象称为磁阻效应。在磁场作用下，半导体片内电流分布是不均匀的，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为半导体片的电阻变化。式中：ρ0——零磁场时的电阻率；

Δρ——磁感应强度为B时电阻率的变化量；

K——比例因子；

μ——电子迁移率；

B——磁感应强度；

L，b——分别为磁敏电阻的长（沿电流方向）和宽；

f(L/b)——形状效应系数。2.4磁电效应2、磁阻效应磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。与霍尔效应的区别：霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。2.5纳米效应纳米效应（nmEffect）就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性。由于纳米材料的特