传感器_第08章_光电式传感器0603

《传感器_第08章_光电式传感器0603》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、Copyright南京理工大学陈文建2006第8章光电式传感器Copyright南京理工大学陈文建2006光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感器。光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器件，简称光电器件。它的物理基础是光电效应。在现代测量与控制系统，应用非常广泛。用光电器件测量非电量时，首先要将非电量的变化转换为光量的变化，然后通过光电器件的作用，就可以将非电量的变化转换为电量的变化了。在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象称为外光电效应。如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。在光线作用下能使物体电阻率改变的现象称为内光电效应，如光敏电阻等属于这类光电器件。在光线

2、作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象，称为阻挡层光电效应。如光电池、光敏晶体管等属于这类光电器件。阻挡层光电效应即光生伏打效应。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业Copyright南京理工大学陈文建20068.1光电效应根据爱因斯坦的光子假说：光是一粒一粒运动着的粒子流，这些光粒子称为光子。每一个光子具有一定的能量，其大小等于普朗克常数h乘以光的频率ν。所以不同频率的光子具有不同的能量。光的频率越高，其光子能量就越大。E=hν当具有一定能

3、量的光子作用到某些物体上转化为该物体中一些电子的能量而产生电效应，这种现象称为光电效应。光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光生伏特效应三类。后两类又称为内光电效应，根据这些效应可制成不同的光电转换器件(或称光敏元件)。Copyright南京理工大学陈文建20068.1.1外光电效应光线照射在某些物体上，而使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电子发射，逸出的电子称为光电子。光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体。根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只能传递给一个电子，因此单个光子把全部能量传给物体中的一个自由电子。使自由电子的能量增加hν。这些能量一部

4、分用作电子逸出物体表面的逸出功A，另一部分变电子的0初动能。即12hν=mυ+A02Copyright南京理工大学陈文建200612hν=mυ+A02由上述爱因斯坦光电效应方程可知：(1)光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸山功A。不同的物质具有不同的逸出功，0这意味着每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子的能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。(2)当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意

5、味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。12(3)光电子逸出物体表面具有初始动能mυ，因此外2光电效应器件，如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。Copyright南京理工大学陈文建20068.1.2内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率1/R发生变化，或产生光生电动势的效应叫做内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：1、光电导效应2、光生伏特效应Copyright南京理工大学陈文建20061、光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电

6、导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去，如图所示，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即也就是说，对于一种光电导体材料，总存在一个照射光波长hc1.24限λ，只有波长小于λ的光照hν==≥ECCgλλ射在光电导体上，才能产生电子式中ν、λ分别为入射光的频率和波能级间的跃进，从而使光电导体长。的电导率增加。Copyright南京理工大学陈文建20062、光生伏特效应在光线作用下能够

7、使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏持效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。(1)势垒效应(结光电效应)。接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时,便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动