传感器第8章光电式传感器讲义.ppt

第八章 光电式传感器 光电式传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器，其理论基础是光电效应。对非电量进行测量时，只要将被测非电量的变化转化成光信号的变化，通过光电传感器，就可以将该非电量的变化转换成电量的变化。光电传感器具有结构简单、精度高、响应快、非接触测量等优点，因此在检测和控制系统中得到广泛应用。 随着科学的发展和绿色能源的广泛应用，根据光电效应制成的光电池也越来越多的使用到各个领域。本章在研究光电式传感器同时，也介绍了太阳能光电池的相关知识。;8.1 光电效应 当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电导率变化、发射电子或产生电动势等），这种现象就称为光电效应。通常将光电效应分：外光电效应、内光电效应（光电导效应和光生伏特效应）。 外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。 根据光的波粒二象性，光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子，光子具有能量，每个光子的能量可由下式确定 E= h v （8-1） ;式中 h —— 普朗克常数，6.626×10 （J?s）；v—— 光的频率（s）。 对不同频率的光，光子的能量是不同的，频率越高，光子能量越大，并且光子的能量是一份一份的，一个光子的全部能量只能一次性的释放或被电子吸收。当光照射到物体时，物体中的电子吸收入射光子的能量，当足以克服逸出功时，电子就逸出物体表面，产生光电子。因此，如果一个电子想要逸出，光子能量h v必须超过逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理 h v= +A0 (8-2) 式中：m 电子质量；v0电子逸出速度；A0逸出功。 ;该方程称为爱因斯坦光电效应方程。由式（8-2）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出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应???光频阀值，称为红限频率或波长。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反射；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．当入射光的频率不变时，产生的光电流与光强成正比，即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的光电子数也就越多。 3．光电子逸出物体表面具有初始动能 ，因此外光电效应器件，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。 ;二、内光电效应 在光照下，物体的电导率发生变化或产生一定方向光生电动势的现象，称为内光电效应。 1．光电导效应 当光照射在物体上，使物体的电导率（1/R）或电阻率发生变化的现象，称为光电导效应，基于这种效应的光电器件有光敏电阻。这是因为在光线作用下，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。 当光照射到光电导体上时，若该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8-1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Ef，即; （8-3） 式中v、λ分别为入射光的频率和波长。 也就是说，对于一种光电导体材料，总存在一个照射光波长极限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。 ;图8-1 电子能级示意图;2.光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二级管、光敏三极管。 （1）势垒效应（结光电效应） 当光线照射PN结时，若光子能量大于禁带宽度Ef，则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，形成光电动势，这就是结光电效应。 （2）侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子要扩散。;如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明