第二节 光电效应及器件

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两类。

一．外光电效应(External photoelectric effect)

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。

根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量ε大于该物体的表面逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A，因此对某特定材料而言，将有一个频率限νo(或波长限λo)，称为“红限”。当入射光的频率低于νo时(或波长大于λo)，不论入射光有多强，也不能激发电子；当入射频率高于νo时，不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多。红限波长可用下式求得：

(8-2)

式中. c——光速。

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10-9s。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。

图8.3 光电管图8.4 光电管受光照发射电子光电管种类很多，它是个装有光阴极和阳极的真空玻璃管，结构如图8.3

与电源连接在管内形成电场。光电管的阴极受到适当所示。图8.4阳极通过R

L

的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子流。电阻R

上产生的电压降正比于空间电流，其

L

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(如氩、氖等)即构成充气光电管。由于光电子流对惰性气体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电子，从而提高光电变换的灵敏度。

光电倍增管的结构如8.5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。设每级的培增率为δ，图8.5 光电倍增管

若有n级，则光电倍增管的光电流倍增率将为δn。

二.内光电效应(Internal photoelectric effect)

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-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ΔE

才能产

g

(nm)。通常纯生内光电效应。由此可得内光电效应的临界波长λo=1293/ΔE

g

净半导体的禁带宽度为1eV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。

1.光电导效应

半导体受到光照时会产生光生电子－空穴对(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。

(1)光敏电阻(photo resistors)光敏电阻是图8.6 光敏电阻的工作原理

一种电阻器件，其工作原理如图8.6所示。使用时，可加直流偏压(无固定

极性)，或加交流电压。

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(暗电阻)较大。因此光照引起的附加电导就十分明显，表现出很高的灵敏度。

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。

(2)光敏二极管(photodiode) PN结可以光电导效应工作，也可以光生伏特效应工作。如图8.8所示，处于反向偏置的PN结，在无光照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子－空穴对，在结电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成光电流，图8.7 光敏电阻梳状电极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。

图8.8 光电二极管原理图图8.9 光电三极管原理图

(3)光敏三极管(photo transistors) 它可以看成是一个bc结为光敏二极管的三极管。其原理和等效电路见图8.9。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β时，光敏三极管的光电流要比相应的光敏二极管大β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

8.10)。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。

图8.10 入射光方向与管壳轴线夹角示意图图8.11 PN结光生伏特效应原理图

2.光生伏特效应（Photo Voltage Effect）

光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着内建结电场，其方向是从N区指向P 区，如图8.11所示。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N区，空穴推向P区；电子在N区积累和空穴在P区积累使PN结两边的电位发生变化，PN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。由于它可以像电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池。

光电池(photocell)与外电路的连接方式有两种(图8.12)：一种是把PN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(IL)，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1000lx时呈现饱和特性。因此使用时应根据需要选用工作状态。

图8.12 光电池的开路电压输出(a)和短路电流输出(b)

硅光电池是用单晶硅制成的。在一块N型硅片上用扩散方法渗入一些P型杂质，从而形成一个大面积PN结，P层极薄能使光线穿透到PN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。

二、常用的光电器件

将光信号（或光能）转变成电信号（或电能）的器件叫光电器件。现已有光敏管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏组件、色敏器件、光敏可控硅器件、光耦合器、光电池等光电器件。这些器件已被广泛应用于生产、生活、军事等领域。下面着重介绍几种光电器件的应用及其检测方法。

光敏管——光敏管包括光电管、光电倍增管和像管三类。光电管和光电倍增管都是辐射光的接收器件，完成光信号转变为电信号的功能。光电管广泛应用于光电转换装置，如传真机、电影放映机、录音机、VCD、DVD等设备中。光电倍增管用于电影放映机的还声系统，像管用于摄像机。

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：紫外光敏电阻器，用于探测紫外线；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；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。

光敏二极管、三极管——硅光敏管有硅光敏二极管、硅光敏三极管两类。硅光敏管的基本结构是PN结，当硅光敏二极管不受光照时，通过PN结的仅是由环境温度产生的微小暗电流及加反向偏压所产生的漏电流；只有受到光照时，光的能量变成电能，才产生电流。在光敏三极管中，光信号从基极输入，且可以通过调节偏置得到所需要的工作状态和放大特性。

光电耦合器——光电耦合器是以光为媒介、用来传输电信号的器件。通常是把发光器（可见光LED或红外光LED）与受光器（光电半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接收光照后就产生光电流，由输出端引出，从而实现了“电-光-电”的转换。光电耦合器主要用于稳压电源、光电开关、限幅器及各种逻辑电路中。用以代替继电器等装置。

太阳能电池——硅太阳能电池是将太阳能直接转换成电能的一种半导体器件。硅光电池等效于一个PN结，在光照条件下PN结两端能产生电动势，接上负载后就形成电流。硅太阳能电池系统利用的是取之不尽的太阳能。硅光电池可组成太阳能手表、太阳能计算器。它还被广泛用于人造卫星、通信系统、电视机、收录机、照明等其他领域。

半导体传感器

半导体传感器

semiconductor transducer

利用半导体材料的各种物理、化学和生物学特性制成的传感器。所采用的半导体材料多数是硅以及Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族元素化合物。半导体传感器种类繁多，它利用近百种物理效应和材料的特性，具有类似于人眼、耳、鼻、舌、皮肤等多种感觉功能。优点是灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化。半导体传感器的主要应用领域是工业自动化、遥测、工业机器人、家用电器、环境污染监测、医疗保健、医药工程和生物工程。半导体传感器按输入信息分为物理敏感、化学敏感和生物敏感半导体传感器三类。

物理敏感半导体传感器将物理量转换成电信号的器件，按敏感对象分为光敏、热敏、力敏、磁敏等不同类型，具有类似于人的视觉、听觉和触觉的功能。这类器件主要基于电子作用过程，机理较为简单，应用比较普遍，半导体传感器的无触点开关应用尤广。它们与微处理机相配合，能构成遥控、光控、声控、工业机器人和全自动化装置。下表列出常用的物理效应。

化学敏感半导体传感器将化学量转换成电信号的器件，按敏感对象可分为对气体、湿度、离子等敏感的类型，具有类似于人的嗅觉和味觉的功能。这类器件主要基于离子作用过程，机理较为复杂，研制较难，但有广阔的应用前景。通常利用的化学效应有：氧化还原反应、光化学反应、离子交换反应、催化反应和电化学反应（固体电解质浓淡电池反应）等。

生物敏感半导体传感器将生物量转换成电信号的器件，往往利用膜的选择作用、酶的生化反应和免疫反应，通过测量反应生成物或消耗物的数量达到检测的目的。生物敏感传感器所用的敏感功能材料是蛋白质，而蛋白质分子只能同特定物质起化学反应。通常利用的生物学效应有抗原抗体反应、酶作用下的氧化反应、微生物活组织和细胞的呼吸功能等。

半导体传感器

semiconductor sensor

利用半导体性质易受外界条件影响这一特性制成的传感器。

根据检出对象,半导体传感器可分为物理传感器(检出对象为光、温度、磁、压力、湿度等)、化学传感器(检出对象为气体分子、离子、有机分子等)、生物传感器(检出对象为生物化学物质）。

光传感器根据光和半导体的相互作用原理制成的传感器。通过在半导体中掺进杂质可

以在禁带中造成新的能级，可以人为地将光的吸收移至长波范围。

半导体光传感器种类很多，可以通过光导效应、光电效应、光电流等实现光的检出，如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电池等。改变结构，还可以制成具有新功能的光传感器，例如灵敏度高和响应速度快的近红外检出器件、仅在特定波长范围灵敏的器件、发光与受光器件处于同一衬底的器件、可进行光检出和电流放大的器件（图1）、光导膜与液晶元件相结合的器件、电荷耦合器件等。

温度传感器一般随温度的上升，半导体中载流子浓度增加、电阻降低。利用这种效应可以制成热敏电阻。由于半导体载流子浓度与温度有关，还会产生显著的塞贝克效应。当P 型半导体两端存在温度差墹T，热端的空穴浓度大，因此空穴向冷端扩散，并在此端产生正的空间电荷场（图2）。这个电压（塞贝克电压uS）约为150μV/K。对N型半导体，图2 中载流子为电子，冷端连接点为负。因此,同时使用P型与N型半导体电偶的uS可达300μV/K，比金属的uS(40μV/K)大一个数量级。

半导体温度传感器分为两类：接触型和非接触型。接触型又分为热敏电阻与PN结型两种。

随着温度的变化，半导体感温器件电阻会发生较大的变化，这种器件称为热敏电阻。常用的热敏电阻为陶瓷热敏电阻,分为负温度系数(NTC)热敏电阻、正温度系数(PTC)热敏电阻和临界温度电阻(CTR)。热敏电阻一般指NTC热敏电阻。

PN结温度传感器是一种利用半导体二极管、三极管的特性与温度的依赖关系制成的温度传感器。非接触型温度传感器可检出被测物体发射电磁波的能量。传感器可以是将放射能直接转换为电能的半导体物质，也可以先将放射能转换为热能，使温度升高，然后将温度变化转换成电信号而检出。这可用来测量一点的温度，如测温度分布，则需进行扫描。

当对象温度低、只能发射红外线时，则须检出其红外线（见光电导探测器）。

磁传感器磁传感器主要基于霍尔效应和磁阻效应的原理。利用霍尔效应的器件称为霍尔器件。当施加磁通B 时，电阻增加率墹R/R 可用下式表示

墹R/R∝μ2B2

式中μ为载流子迁移率。半导体的载流子迁移率(如InAs约为104厘米2/伏秒)比金属(如Cu约为34.8厘米2/伏秒)大得多，所以半导体的磁阻效应很大。

半导体磁传感器体积小、重量轻、灵敏度高、可靠性高、寿命长，在电子学领域得到应用。此外，还可利用磁效应制作长度与重量传感器、高分辨（0.01度）的倾斜传感器，以及测定液体流量等。

压力传感器半导体在承受压力时禁带宽度发生变化，导致载流子浓度和迁移率变化。这样引起的电阻变化比金属丝受压时截面积减小引起的电阻变化要大两个数量级。因此半导体压力传感器具有高灵敏度。将P型半导体与N型半导体组合使用还可制成灵敏度更高的压力传感器。扩散型半导体压力传感器采用集成电路工艺制成，可以提高性能，改进测量的精度。如加工硅单晶制成受压膜片，在其表面用平面工艺扩散再制成压力规，由于二者处在同一硅片上，可以减少滞后、提高精度。

使用半导体压力传感器测量生物体各部分的压力比使用古老的脉压、血压测量方法，具有精度高、体积小、可在生物体自然状态下测量和安全（微小电流）的优点。

湿度传感器当半导体表面或界面吸附气体分子或水分子时，半导体表面或界面的能带发生变化。利用这种半导体电阻的变化可检测气体或湿度。半导体湿度传感器具有体积小、重量轻的特点,实用的有ZnO-Cr2O3系、TiO2-V2O5系陶瓷湿度传感器。ZnO-Cr2O3系陶瓷湿度传感器用于室内空调，可精密控制湿度，与微机结合能自动去湿,节省电能。TiO2-V2O5系陶瓷湿度传感器耐热性好,可测量60℃以上的环境湿度,还可用于医药、合成纤维工厂中存在有机物蒸气时的湿度测量。

气体传感器利用半导体与气体接触时电阻或功函数发生变化这一特性检测气体。气体传感器分为电阻式与非电阻式两种。

电阻式采用SnO2、ZnO等金属氧化物材料制备,有多孔烧结件、厚膜、薄膜等形式。根据半导体与气体的相互作用是发生在表面还是体内，又分为表面控制型与体控制型。表面控制型电阻式传感器包括SnO2系传感器、ZnO系传感器、其他金属氧化物(WO3、V2O5、CdO、Cr2O3等) 材料的传感器和采用有机半导体材料的传感器。体控制型电阻式传感器包括Fe2O3系传感器、ABO3型传感器和燃烧控制用传感器。这类传感器可检测甲烷、丙烷、氢、一氧化碳等还原性气体，氧、二氧化氮等氧化性气体，具有强吸附力的胺类和水蒸汽等。

非电阻式气体传感器利用气体吸附和反应时引起的功函数变化来检测气体。它可分为金属－半导体结二极管型传感器（利用金属与半导体界面上吸附气体时，二极管整流特性的变化）、MOS二极管型传感器（采用MOS结构，通过C-V特性的漂移检测气体）和MOS FET 型传感器（通过MOS FET的阈值电压变化检测气体）。

半导体气体传感器灵敏度高，可用于可燃气体防爆报警器,CO、H2S等有毒气体的监测器。通过稳定性研究，一些传感器可用于气体浓度的定量监测。半导体气体传感器在防灾、环境保护、节能、工程管理、自动控制等方面有广泛的应用。

离子传感器半导体离子传感器体积很小，能直接插入生物体内进行连续测量，随时监视患者的病情。

半导体表面的电阻随垂直于表面的电场变化。利用这种场效应制成的绝缘栅场效应晶体管(IGFET)可作为化学传感器。而在测量离子时，即称为离子灵敏场效应晶体管(ISFET)。ISFET 的栅绝缘层表面只对特定的离子产生响应并形成离子感应层。这种界面电位的变化通过FET 的漏极电流变化检出。ISFET的小型化不存在离子选择电极电阻过大的问题，它的输出阻抗很小。由于界面双电层的稳定性，即使在浓度很低的情况下也能检出界面电位的变化，因此具有很高的灵敏度（见场效应化学传感器）。ISFET可用来测量H+、Na+、K+、Ca++、Ag+、NH嬃等阳离子和F-、Cl-、Br-、I-、CN-等阴离子,还可制成复合ISFET（即同一ISFET可测几种不同的离子）和FET型的参考电极(REFFET)等。

生物传感器改变ISFET敏感膜或采用其他结构可以检出复杂的生物化学物质。这种传感器用于医疗、食品、医药、环境保护等方面。例如，在临床化学检查中，用固定酵素作电极的方法对血液中葡萄糖、淀粉酶、甲胍乙丙脂、尿素、尿酸进行分析，迅速而又简便。生物传感器正向检测更复杂的生物关联物质、免疫物质、细胞和微生物的方向发展。

采用集成化技术，将半导体传感器与信息处理电路集成于同一芯片，可以增加传感器的功能。此外，还可以在同一衬底上制作能检出不同对象的具有复合功能的半导体传感器器件。已出现单片集成传感器和混合集成传感器，将传感器与微处理机相结合可以制成具有自动补偿功能和预知判断功能的智能化器件。

半导体传感器优点是灵敏度高、可靠性好、可实现多功能、小型化、智能化，缺点是多感性、选择性差、在极限状态下（例如高温）不能使用。针对结晶型半导体传感器的不足，人们正在研究无定形半导体传感器。

传感器的基本概念

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

1. 磁阻效应

许多金属、合金及金属化合物材料处于磁场中时，传导电子受到强烈磁散射作用，使材料的电阻显著增大，称这种现象为磁阻效应。通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻，即

00

MR ρρρρρ-=?=B （5.10.1）

式中，B ρ和0ρ分别为有磁场和无磁场时的电阻率。

磁场与外电场垂直时所产生的磁阻称为横向磁阻，磁场平行于外电场时所产生的磁阻称为纵向磁阻。由于横向磁阻效应比纵向磁阻效应更明显，本实验仅讨论前者。

材料电阻的变化，可以是材料电学性质的改变引起的，或是材料几何尺寸引起的。因此，可以分为两类。

（1）物理磁阻效应：如图5.10.1所示的长方

形n 型半导体薄片，并施加直流恒定电流，当放置于图示方向的磁场B 中，半导体内的载流子将受到洛仑兹力的作用而发生偏转，在a 、b 端产生电荷积聚，因而产生霍尔电场。如果霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，那么小于或等于该速度的载流子将发生偏转，

因而沿外加电场方向运动的载流子数目将减少，使该方向的电阻增大，表现横向磁阻效应。如果

将a 、b 端短接，霍尔电场将不存在，所有电子将向b 端偏转，使电阻变得更大，因而磁阻效应加强。因此，霍尔效应比较明显的样品，磁阻效应就小；霍尔效应比较小的，磁阻效应就大。

（2）几何磁阻效应：磁阻效应也与样品的形状有关，不同几何形状的样品，在同样大小的磁场作用下，其电阻变化不同，此现象称为几何磁阻效应。

在实际测量中，常用磁阻器件的磁电阻相对改变量R R /?来研究磁阻效应，由于ρρ//?∝?R R ，)0()(R B R R -=?，则

)0()0()(R R B R R R

-=? （5.10.2）

其中，)(B R 是磁场为B 时的磁电阻，)0(R 为零磁场时的磁电阻。理论和实验都证明，在弱磁场中时ΔR /R 正比于磁感应强度B 的平方，而在强磁场中时与B 呈线性关系。

当磁阻传感器受到外加大磁场干扰后，构成它的铁磁性薄膜材料的磁畴就会呈现随

机取向的状态，这会使得它的灵敏度受到影响。 图5.10.1磁阻效应原理