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1、 （2011届）本科毕业设计（论文）资料 题 目 名 称： 光电效应及其应用 学 院（部）： 理学院 专 业： 应用物理学 学 生 姓 名： 朱 玲 班 级： 07-1 学号 06411200113 指导教师姓名： 方见树 职称 教授 最终评定成绩： 湖南工业大学教务处 2011届本科毕业设计（论文）资料第一部分 毕业论文（2011届）本科毕业设计（论文）光电效应及其应用学 院（部）： 理学院 专 业： 应用物理学 学 生 姓 名： 朱 玲 班 级： 07-1 学号 06411200113 指导教师名字： 方见树 职称 教授 最终评定成绩： 2011年6月摘 要光电效应是指在某种频率的光照下，
2、金属物体中有电子脱出其表面的现象。光电效应可分外光电效应和内光电效应，而内光电效应又分为光电导效应和光伏特效应两种。利用光电效应理论制作的各种电子器件有力的推动了社会的发展，如利用光电效应制造的光电倍增管、光敏电阻等，已被广泛应用于电子行业、传感技术等应用领域；基于光伏特效应的光伏电池也为有效合理利用太阳能提供了理想的途径。不仅如此，光电效应还广泛用于农业灭虫、诊断医学、军事、生活等多个领域。本文简要介绍了光电效应的发展历程;讨论和研究了光电效应的概念、基本原理与基本规律，运用爱因斯坦光电方程对光电效应规律进行了解释，并简单介绍了提高光电转换效率的方法，以及讨论了如何提高光电效应的有效利用等。
3、关键词：光电效应，爱因斯坦方程，应用ABSTRACTThe photoelectric effect in certain frequencies refers to the sunlight, metal objects in its surface phenomenon of electronic emerge. Photoelectric effect can be particularly photoelectric effect and inside of the photoelectric effect, and the photoelectric effect and divid
4、ed into light conductance effect and light volts effect two kinds. Using the theory of the photoelectric effect of various electronic devices made strong promoted the development of the society, such as using photoelectric effect manufacturing photomultiplier tubes, photosensitive resistor etc, has
5、been widely used in the electronics industry, the sensing technology application domain; Based on light volts effect of photovoltaic cells also for effective and reasonable use solar provides an ideal way. Not only such, photoelectric effect also widely used in agriculture an extermination, diagnost
6、ic medicine, military, life etc.This paper briefly introduces the development course of the photoelectric effect; The discussion and research of the photoelectric effect concept, basic principle and basic rule, use Einstein photoelectric equations of the photoelectric effect rule explained, and brie
7、fly introduces the methods of improving photoelectric conversion efficiency, and discusses how to improve the effective use of the photoelectric effect.Keywords: Photoelectric effect ，Einstein equation，applications目 录第1章 绪论11.1 光电效应的发展历史11.2 光电效应的应用概况41.3 本文的主要工作内容4第2章 光电效应52.1 与光电效应相关的基础知识52.1.1光的产
8、生机制52.1.2 光的波粒二象性62.2 光电效应的基本概念72.2.1外光电效应72.2.2内光电效应82.3 光电效应实验92.3.1 实验装置92.3.2 实验规律102.4 爱因斯坦的光量子说112.4.1光电方程112.4.2光电效应的量子解释11 2.5 提高光电效应的途径13第3章 光电效应的应用143.1 外光电效应的应用143.2 内光电效应的应用15 3.2.1光电导效应的应用15 3.2.2光伏特效应的应用163.3 光电效应的应用领域17 3.3.1在工业生产中的应用17 3.3.2在农业中的应用17 3.3.3在放射医学中的应用18 3.3.4在军事中的应用193.
9、3.5其它应用203.4 光电效应应用前景与展望20结论22参考文献23致谢24 第1章 绪论1.1光电效应的发展历史1885年，赫兹用如图1.1所示的装置证实了电磁波的存在。实验中电磁波发生器是在两根铜棒上各焊一个磨光的黄铜球，另一端各连接一块正方形锌板，它们共轴放置，两球间留有一空隙，它们相当于一个电容器，与感应圈两端连接，构成了LC电路，感应圈使两黄铜球聚集大量电荷，从而在空隙间产生电火花，形成高频振荡电流，辐射高频电磁波。与这个回路间隔一定距离放置一电磁波接收器，它是用一根粗铜导线弯成一开口的圆环，开口端各焊一黄铜球，之间有可作微调的空隙，这个接收器实际上也是一个LC电路调节间隙改变接
10、收电路的固有频率可与发射过来的电磁波产生共振，从而在接收器的空隙间观察到电火花。发射接收感应圈图1.1 电火花实验装置利用电火花实验装置，赫兹测量了电磁波速、进行了研究电磁波的反射、聚焦、折射、衍射、干涉、偏振等各种波现象的实验，大量反复地实验不但证实了麦克斯韦电磁波理论，同时意外地发现了表明光具有粒子性的一个重要现象：当发射器间隙的火光被阻隔时，原来接收间隙的火花变暗，而用其它任何火花的光照射到接收器铜球，也能促使间隙发生电火花，进一步研究发现这一现象中直接起作用的是火光中的紫外线，当火花的光照到间隙的负极时，作用最强，这种情况下接收器间隙发生的电火花实际上是紫外线的照射使一极铜球上飞出电子
11、到另一极铜球所形成，赫兹称之为“紫外光放电效应”，也就是光电效应。赫兹的论文紫外光对放电的影响发表在年物理学年鉴上。该论文详细地描述了他的发现。赫兹的发现吸引了许多人去做这方面的研究工作，1889年，哈耳瓦克做了一系列实验，他用碳弧照射绝缘的锌板，锌板连接到验电器上，他发现:如果锌板原来带负电，经照射会迅速失去电荷；如果锌板原来带正电，经照射仍保持不变。在碳弧前面用一块玻璃隔开，现象消失，说明起作用的确实是紫外光，从锌板放出的肯定是负电荷。俄国的斯托列托夫（1836-1896）对光电效应也进行了研究，并取得了重要成果。他发现：为了产生光电流，光必须被电极吸收；光电流的大小与入射光的强度成正比；
12、光电流实际上是在照射开始时立即产生，无需时间上的积累。在光电效应的研究过程中，做出重要贡献的是德国物理学家、赫兹的助手勒纳德。他早在1889年就开始做一些简单的光电效应实验，起先他设想光电效应是阴极射线引起的，但1894年他的实验证明这一想法不符合事实。1899年，J.J.汤姆逊用磁偏切断电流的方法测定光电流的荷质比，肯定光电流与阴极射线都是同一类带电粒子组成，勒纳德随即于1900年也用磁偏转法测定光电流的荷质比得到同样的结果。其实验装置如图1.2所示，当入射光照到清洁的金属表面（阴极K）就有电子发射出来，若有些电子射到到阳极A上，外电路上就有电流通过。阳极相对于阴极的电势可正可负，以使到达阳
13、极的电子数增加或减少。 图1.2 磁偏转法实验装置 图1.3不同强度下电流与电压的关系 图1.3表示两种强度不同的入射光照射到阴极K上，测得的电流与电压的关系曲线。当阳极A电势高于阴极K时，电子被吸引到阳极上，当电压值U足够大时，K极上所有发射出的电子全部到达阳极，因而电流达到它的最大值。勒纳德观测到此最大的饱和电流与入射光强度成正比，他并且创造了一种实验方法,用加反向电压的方法来测电子的最大速度，从而得到反向电压（又称遏止电压）与入射光光强无关，即电子离开金属极板的最大速度与光强无关。从图1.3看出，不同光强的遏止电压均为（-U0）这结论与经典理论显然相矛盾。勒纳德用不同材料做阴极，用不同光
14、源照射，发现都对遏止电压有影响，唯独改变光的强度对遏止电压没有影响。电子逸出金属表面的最大速度与光强无关，这就是勒纳德的新发现。和经典理论有抵触的实验事实还不止此，在勒纳德之前，人们已经遇到了其他的矛盾，如：1）光的频率低于某一临界值时，不论光有多强，也不会产生光电流，可是根据经典理论，应该没有频率限制。2）光照到金属表面，光电流立即就会产生，可是根据经典理论，能量总要有一个积累过程。本来，这些矛盾正是揭露了经典理论的不足，可是，勒纳德却煞费苦心地想出了一个补救办法，企图在不违反经典理论的前提下，对上述事实作出解释。他在1902年提出触发假说，假设在电子的发射过程中，光只起触发作用，电子原本就
15、是以某一速度在原子内部运动，光照到原子上，只要光的频率与电子本身的振动频率一致，就发生共振，所以光只起打开闸门的作用，闸门一旦打开，电子就以其自身的速度从原子内部逸走。他认为，原子里电子的振动频率是特定的，只有频率合适的光才能起触发作用。他还建议，由此也许可以了解原子内部的结构。勒纳德的触发假说很容易被人们接受，当时颇有影响。与勒纳德的观点不同，1905年，爱因斯坦在著名论文关于光的产生和转化的一个试探性观点中发展了普朗克的量子假说，提出了光量子概念，并应用到光的发射和转化上，很好地解释了光电效应等现象。爱因斯坦在他的论文中，总结了光学发展中微粒说和波动说长期争论的历史，揭示了经典理论的困境，
16、提出只要把光的能量看成不是连续分布，而是一份一份地集中在一起，就可以作出合理的解释。他写道：“在我看来，如果假定光的能量在空间的分布是不连续的，就可以更好地理解黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线（即光电效应），以及其它有关光的产生和转化的现象的各种观测结果。根据这一假设，从点光源发射出来的光束的能量在传播中将不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由一个数目有限的局限于空间各点的能量子所组成。这些能量子在运动中不再分散，只能整个地被吸收或产生。” 爱因斯坦的光量子假设和光电方程完全能够解释光电效应中的各种现象，但并没有立即得到人们的承认，直到1916年，密立根的精确实验才完全证实了爱因斯坦的
17、光电方程。图1.4 密立根证明光电方程的实验装置1.2光电效应的应用概况 如今光电效应的应用已遍布社会的多个领域。直接的应用主要体现在利用光电效应制作的各种光电子器件。利用外光电效应制做的电子器件有真空光电管和充气光电管。它们曾在自动控制和检测中显露辉煌，虽然现代多为小巧的半导体光电二极管和三极管所取代，但由真空二极管衍生出来的光电倍增管（PMT）却始终是将弱光信号转变成电信号不可或缺的传感器，广泛使用在众多高新探测技术中。光电导效应的应用主要体现在光电导材料的应用上。光电导材料是一种灵敏、快速的光电器件。通过它,能灵敏、快速地将接受到的光信号转换成对应的电信号,广泛地应用于国民经济、军事、科
18、学技术等各个部门和社会生活的方方面面,特别是现代高新技术之中。基于光电导效应原理的探测器有光电导探测器，而且光电导探测器可与光纤技术相结合而构成光纤探测器，光纤探测器与传统探测器相比,具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高、重量轻等一系列优点。光伏特效应的应用主要体现在光伏电池上。如今化石燃料存量日渐减少，并且燃烧化石燃料存在污染等不利影响，相反太阳能储量丰富且基本无污染等副作用，而光伏电池正是将太阳能转化成可用能量的有效手段，在能源日益缺乏未来光伏电池必有更大的发展空间。1.3本文主要工作内容本文对光电效应的基本概念、基本原理以及光电效应的具体应用进行了研究和讨论，其主要工作如下：第一章,
19、讲述了光电效应的发展历史和光电效应在现代社会中应用的概况。第二章,首先介绍了与光电效应有关的光学理论知识，为讨论光电效应做准备。接着分析了研究光电效应原理，讨论了光电方程，从量子层面上解释光电效应，并探讨提高光电效应的方法。第三章,讨论光电效应在社会中的应用情况。第2章 光电效应2.1与光电效应相关的基础知识2.1.1光的产生机制根据原子的核式模型理论，原子是由一个带正电荷的原子核和一个或若干个负电荷的电子组成，原子核所带的正电量与各个电子所带的负电量之和相等，整个原子成电中性。电子总是围绕着原子核不停的运动，电子分别分布于不同的能级，有着自己的运动状态和能量，不同能级的电子间在不同的条件下，
20、会发生跃迁，发生跃迁的电子会伴随着运动状态和能量的改变，同时会向外辐射能量，如果发生跃迁的两个能级之间能量相差较小，则辐射的能量是以热的形式放出；如果两个能级之间能量较大，则辐射的能量是以光子的形式放出，激光的产生就是后一种情况。 图2.1是能级跃迁图，箭头表示能级之间发生跃迁。3 2 15 411 10 9 8 7 6图2.1 能级跃迁其中为基态能级，其它能级按能量从低到高排列，能级越高距离原子核越远。按照爱因斯坦理论，能级之间的跃迁有两种方式：自发和受激辐射。在自发辐射的过程中，电子只能从高能级向低能级进行跃迁，只发生1、2、3、4、5的跃迁，在发生跃迁的同时高能级的电子会辐射一部份能量达
21、到低能级，辐射的能量可以用以下公式表示：， (2.1) 取=1、2、3 ，=0、1、2代入到上式即可以得到各能级之间发上跃迁时辐射出来的能量。在受激辐射发生跃迁过程中，图中所有的跃迁都有可能出现，其跃迁的方式有两种，一种是在外场频率为能量子（如光子）的作用下，电子吸收能量后由低能级向高能级跃迁，并向外辐射频率为的能量，可以用以下公式表示：， (2.2)其中= 1、2、3 ，n=0、1、2代入上式即可以得到相应能级之间辐射出来的能量。另一种是在外场频率为能量子（如光子）的作用下，电子由高能级向低能级跃迁，并向外辐射频率为的能量，其关系为：， (2.3)能级跃迁辐射出来的能量会以热量或光两种形式放
22、出。以光的形式放出出来的能量，会根据能量的大小辐射出频率不一样的光，即光波长不一样的光，如太阳光就是不同频率的光的集合。2.1.2 光的波粒二象性光的波粒二象性表明，光具有波动性质，被认为是一种波长很短的电磁波；同时光又具有量子性质，被认为是一种做高速运动的光子流。其实光波与光子是对立统一的。作为波动，光具有频率和波长；作为粒子，光又具有能量和动量。实际上波动和粒子之间也存在着共性都具有速度和能量。按照爱因斯坦假说，一个光子的能量和动量可以用波动性参数分别表示为： (2.4) (2.5)上式表明，光的波动性与粒子性具有某种内在的联系，这个联系的纽带就是普朗克常数h。实际上，按照爱因斯坦的相对论
23、质能关系，认为光子是具有动质量的，可以将光子在真空中的能量和动量分别表示为 (2.6) (2.7)式中表示光子的质量。将式（2.6）或（2.7）与式（2.4）或（2.5）联系起来，可得 (2.8)显然，如果我们将质量看成粒子性的主要象征，频率看成是波动性的主要象征，则联系光的波动性和粒子性的重要角色就是普朗克常数h和真空中的光速。不过要说明的是，与实物粒子不同，根据相对论，光子的静止质量等于0.因此，这里的表示光子的动质量。由上面的讨论可以得出如下结论：光是客观世界中的一种特殊客体，这种客体，同时具有波粒二象性。一般地，研究光在空间的传播行为以及相关问题时，其波动特性占主导地位，可以说光是一种
24、电磁波动，并且可以用经典的电磁理论来解决所有有关的光学问题；研究光的发射以及光与物质相互作用等问题时，其粒子特性占主导地位，又可以说光是一种粒子光子，此时需要用量子理论来解决相关的光学问题。此外还有一些光学现象，既可以用经典的电磁理论加以解析，又可以用量子理论加以解析，这就要看哪一种方法更简便或更严格。2.2、光电效应的概念光电效应现象是指某些材料中的电子在的光场的作用下变成自由电子而从材料表面溢出的现象。根据自由电子形成的特点可分为外光电效应和内光电效应。2.2.1外光电效应外光电效应也称光电发射效应。它是指物体（如金属）表面上受光照射有电子逸出的现象。金属或半导体受光照时，如果入射的光子能
25、量h足够大，它和物质中的电子相互作用，会使电子从材料表面逸出。一般来说光电发射大致可分三个过程：1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。3)达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出，如图2.2所示。金属材料金属表面光子电子动能 图2.2外光电效应电子在图2.2中：带有能量的光子照射到金属表面的时候，金属表面的电子克服原子核的束缚，脱离金属表面并且带有的动能。2.2.2内光电效应所谓内光电效应是指某些晶体或
26、半导体材料内的束缚电子受光的激发而成为自由电子，并在材料内部形成导电的载流子的现象（见图2.3）。若这些载流子引起材料的电导率显著变化，则称为光电导效应；若这些载流子的运动造成电荷积累，使得材料的某两个端面之间产生一定的电位差，则称为光伏特效应，受光的作用而获得的自由的电子称为光电子，光电子或光生载流子在电场的作用下的定向流动称为光电流。下电极上电极p-n结空穴电子图2.3内光电效应光束内建电场在图2.3中：当光束照射到半导体上面时，则在半导体内部产生大量的处于非平衡状态的电子-空穴对，其中的光生非平衡少数载流子（即区中的非平衡空穴和区中的非平衡电子）可以被内建电场牵引到对方区域，然后在p-n
27、结中形成光生电场，当接通外电路，即可流出电流，有电能输出。2.3光电效应实验2.3.1 实验装置 光电效应的试验装置有许多，图2.4是研究光电效应实验中一个典型的装置示意图。光电阴极K和阳极A密封于高真空容器内，容器上部开一个石英玻璃小窗（石英即水晶，能透过紫外线），从而构成一个光电管。光束经小窗进入光电管并照射在光阴极K上，逸出的光电子经电场加速后，向阳极A运动而形成光电流。用安培表和伏特表分别测量光电管产生的光电流强度I和加速电压的大小。光束K光电子A图2.4光电效应实验装置2.3.2 实验规律1、第一定律，根据实验我们可以得出相关的伏安特性曲线。从伏安特性曲线得出光电流和光强度的关系：对
28、于给定强度的单色光，加速电压V越大，光电流I强度越大；减小加速电压V，则光电流I随之减小；加速电压V等于0时，光电流I一般并不等于零。只有当两电极反向且反向电压达到一定值，时光电流I才等于0；当V增大到一定值时，光电流达到饱和值，改变入射光强度，则饱和电流的大小随之改变。上述结果表明，单位时间内自金属表面逸出的光电子数目（光电流强度）与入射光强度成正比，称为光电效应第一定律。2、截止电压和截止频率，加速电压等于0时光电流不等于0，表明从阴极逸出的光电子具有一定的初动能，反向电压等于，光电流等于0，进一步表明光电子的最大初动能被全部用于克服反向电压而做功。若以表示与光电子最大初动能对应的最大初速
29、度，则有 （2.9）式中表示电子质量，表示电子电荷。由于这个反向电压对光电子起截止作用，故称为截止电压。进一步的实验表明，截止电压与入射光的频率具有如下线性关系： （2.10）式中为与金属材料性质无关的普适常数，为决定于金属材料性质的常数。利用（2.9）和（2.10）式可以得到： （2.11） 上式表明，光电子的初动能与入射光强大小无关。只随入射光的频率做线性变化，并且当入射光频率增大时，光电子的初动能也随之增大（称为第二定律）。当时，对应的入射光频率。要使受光照的金属表面能够有光子逸出，入射光的频率就必须满足，以使光电子具有初动能。这个是光电子初动能等于0的最小入射光频率反映了入射光的红限，
30、称光电效应的截止频率。当入射光的频率小于截止频率时，无论光强有多大，电子都不会逸出金属表面（称为第三定律）。 3、弛豫时间，当入射光照射到光阴极上时，无论光强度大小如何，几乎在开始照射的同时就产生了光电子，弛豫时间最多不超过s。2.4爱因斯坦的光量子说2.4.1光电方程光电效应的现象在经典理论无法解析的时候，爱因斯坦受普朗克量子假说启发于1905年提出如下假设：当光束在和物质相互作用时，其能流并不像波动理论所想象的那样，是连续分布的，而是集中在一些叫做光子（photon）或光量子（lightquantum）的粒子上。但这种粒子仍保持这频率（及波长）的概念，光子的能量正比于其频率。 根据爱因斯坦
31、光量子假说，光束实际上是一种以光速运动这的粒子流。这些粒子被称为光量子。每一个频率为的光量子有能量： （2.12）式中为普朗克常数。光的能流密度大小决定于单位时间通过单位面积的光子数，即 （2.13）同时，光子也具有质量和动量。根据相对论，由于光子以光速运动，光子的静质量等于0，其动质量及动量大小分别为 （2.14） （2.15）入射光子与金属中的自由电子相互作用，使每个受作用的电子从入射中获得一个光子的能量。根据能量守恒定律，电子所吸引的光子能量的一部分用于克服金属的束缚，即消耗于逸出功，另一部分则转化为电子的初动能。因此有 （2.16）此式就是爱因斯坦光电（效应）方程。2.4.2光电效应的
32、量子解释利用波动理论解释有关的光电效应现象时存在着许多难以解释的问题，如：1、按照光的电磁理论，当金属受到光束照射时，其中电子作受迫振动，直到电子的振幅足够大时脱离金属而逸出。电子每单位时间能吸收的能量应与光强I成正比。但是实验证明与光强无关，这个无法解析。2、按照波动理论，不论入射光的频率多少，只要光强I足够大，总可以使电子吸收足够的能量hv超过A，从而产生光电效应。但实验表明，光频v红限时，无论光强多大，也没有发生光电效应，这也无法解析。3、经典电磁理论认为光强大时电子能量积累的时间短，光强小时，能量积累的时间长，而实验表明发生光电效应的时间是不变的。 以上这些问题直到爱因斯坦提出光量子假
33、设后才使得光电效应得到完满的量子解析。其解释如下： 1、按照光量子假设，逸出金属表面的光电子数目与入射光子数目成正比，即饱和光电流与入射光子数目成正比，入射光子数目与入射光强度成正比，因此饱和电流与入射光强度成正比。 2、不同的金属材料，其电子的逸出功A不同，根据爱因斯坦光电方程知，光电子的初动能与逸出功A和光子的频率v有关，逸出功一定时，光电子的初动能与光子的频率成正比。 3、电子每次只能够吸收一个光子的能量，如果光子的频率太低，以致于其能量小于逸出功（hvA），则电子是不会逸出金属表面的，即使是光强度很大，也不会发生光电效应，只有入射光子频率v大于极限频率时,才能够发生光电效应。4、由于一
34、个电子每次只能吸收一个光子的全部能量，因此，光电效应发生并不需要能量的累积时间。2.5提高光电效应的途径提高光电效应即增大物体中电子的溢出数目或几率，光电效应的提高途径研究不仅对改进光电传感器灵敏度具有重大意义，也对光伏电池发展具有推动作用。从爱因斯坦光电方程我们可以看出，提高光电效应的效率，有两个途径，一、提高光子的频率，二、降低金属对电子束缚的能量。1、降低逸出功 表2.1 几种金属的溢出功元素溢出功（）2.282.251.942.513.904.524.80在自然界中，每种金属都具有各自的电子逸出功，表2.1是几种金属逸出功：不同的金属所产生的光电效应条件不同，其光电效应的转换效率也一样
35、。目前在光电效应的应用器件中，主要是对光电材料的研究。降低电子的逸出功方法，即选着逸出功较小的材料，让低频率的光也能发生光电效应，提高光电转换的效率。通常可以通过改变材料的结构，使得材料具有某种新的特性，也可以通过在材料中加入某些元素，改变其性能，达到降低电子的逸出功。2、提高光子的频率 通过与某些材料的作用，使得频率较低的光子得到增益，变成频率较高的光子，提高光子的能量，进而提高光的能量，达到提高光电效率的目的。具体来说是通过原子能电子的受激作用来提高光子的频率。这种方法不受光子频率的影响，能够使入射的光全部发生光电效应，同时受到材料的限制较低，不必去寻找新材料，就直接取现成材料作为光电反应
36、材料就可以。其关键技术在于选择选取增益材料，但和对整个实验装置的设计，这相对而言就较容易实现。相反降低电子的逸出功的途径，需要在材料方面进行研究，由于固体材料的性质一般都比较稳定，改变其逸出功就比较复杂，得通过材料成型技术生成具有新的性质的样品，还需要对样品进行实验的测定，操作起来比较繁琐；或者是寻找具有新特性的新材料。 第3章 光电效应的应用3.1外光电效应的应用效应的发现，最终总是导致技术的应用。1930年利用外光电效应做的光电转换器件光电管开始实用化, 其不断改进的目标是提高灵敏度和扩展使用的光频域, 从而出现了继真空光电管之后的充气光电管。充气光电管尽管提高了灵敏度, 但对弱光的探测,
37、 光电流仍然太微, 于是出现了光电倍增管。利用外光电效应制做的真空光电管和充气光电管曾在自动控制和检测中显露辉煌，现代多为小巧的半导体光电二极管和三极管所取代，但由真空二极管衍生出来的光电倍增管（PMT）却始终是将弱光信号转变成电信号不可或缺的传感器，广泛使用在众多高新探测技术中，如各种光谱仪，光子相关仪，光子计数器，红外探测仪，表面分析仪等场合，通道式电子倍增管由于增益高，功耗低，结构简单小巧，响应快、多功能等优点更受科技工作者欢迎，它可直接探测光、电子、离子、中性粒子、软X射线及、等带能粒子。光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。D1D2D3D4D5
38、D6AKU0IRL 图 3.1 光电倍增管结构示意图图 3.2 各种光电倍增管实物图3.2内光电效应的应用内光电效应可分光电导效应和光伏特效应，因此分析内光电效应的应用又可从两个不同的方面来分析。3.2.1 光电导效应的应用1）基于光电导效应的电子器件有光敏电阻器，光敏电阻器是一种电导率随吸收的光量子多少而变化的电子元件。当某种物质受到光的照射时,载流子浓度增加,从而增加了电导率,这就是光电导效应。这种附加的电导叫光电导。根据光敏电阻器的光谱特性,光敏电阻器可分为以下几类: (1)紫外光敏电阻器,用于探测紫外线;(2)可见光敏电阻器,主要用于自动控制、光电跟踪以及照相机的自动曝光等场合;(3)
39、红外光敏电阻器,主要用于导弹制导、光报警装置、人体病变探测、红外通信等工作中。2）利用光电导效应原理工作的探测器称为光电导探测器。光电导探测器可与光纤技术相结合而构成光纤探测器,与传统的探测器相比,具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高、重量轻、体积小、探头外形可变、测量对象广泛、便于复用、便于成网等优点,适用于大型机电、石油化工、冶金、高压输电等有强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀、狭小和特殊的环境中。3）光电导材料也是目前摄像管中应用最为广泛的光电变换材料之一。它的光电变换或电荷存贮原理如下图 所示。 图 3.3 光电导靶光电变换或电荷存贮原理在光电导层上施以固定直流电压,形成跨层电压。当受
40、光照时, 光电导材料的电导率升高,由此使正电荷从电位较高的一边流向较低的一边, 如图,从左到右。光电导材料右边由于电荷积累而使电位上升。电位升高量或电荷积累量与光照相对应,这样就把入射在光电导材料左边的光学像,转换成了右边的电位图像或电荷积累图像。与利用外光电效应的摄像管相比, 光电导摄像管突出的优点是:体积小、重量轻、结构简单、灵敏度高等。目前,它已广泛地应用于工业监控系统、电视节目制作系统和军事领域之中。3.2.2光伏特效应的应用基于光伏特效应的应用光电池和光敏二极管、三极管。光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电
41、流通过。图 3.4 PN结因光照产生电动势光电池的种类很多，有硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓光电池等，其中应用最广泛的是硅光电池，因为它有一系列优点，例如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高，能耐高温辐射等。另外，很多分析仪器、测量仪表也常用到它。光敏二极管、三极管与光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN结参与了光电转换过程。3.3光电效应的应用领域3. 3 .1在工业生产中的应用光电效应在工业生产中的应用主要通过光电传感器体现在自动化控制中，利用光电效应原理设计出各种工业所需控制环节，节约了大量的人力物力。如包装充填物高度检测。图3.5所表示的是借助光电检测
42、技术控制充填高度的原理图，当充填高度偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测，例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴，以及送料机构是否断料等图 3.5 包装充填物高度检测装置框架图3. 3. 2在农业中的应用为害昆虫趋光性行为的分析表明，昆虫对敏感光源具有个体差异性和群体一贯性的趋光性行为特征，昆虫的这种趋光行为特征表现出生物光电效应的作用本质。利用昆虫的这种趋性行为诱导特性，一些光电诱导杀虫灯技术以及害虫诱导捕集技术广泛地应用于农业虫害的防治，展现出良好的应用前景。一般认为，昆虫趋光行为是由其复眼的视觉生理反应而引起的，因此在不同光波或光强作用下，昆虫复眼发生明显的生理变异，产生对光波和光强作用的适应性反应。明适应下，昆虫复眼的主色素细胞颗粒离开晶锥而分布，感杆束膨大并且其远端部分向
