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光電傳感器特性分析 摘要：隨著科技的發(fā)展，人類越來越注重信息和自動化，在日常的生產(chǎn)學(xué)習(xí)過程中，人們常常要進(jìn)行自動篩選、自動傳送，而為了實現(xiàn)這些，光電傳感發(fā)揮了不可磨滅的作用。光敏傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，即光敏材料的電學(xué)特性因受到光的照射而發(fā)生變化。 關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)、光電傳感器、光敏材料 一、 理論基礎(chǔ)——光電效應(yīng) 光電效應(yīng)通常分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。外光電效應(yīng)是指在光照射下，電子逸出物體表面的外發(fā)射的現(xiàn)象，也稱光電發(fā)射效應(yīng)，基于這種效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。內(nèi)光電效應(yīng)是指入射的光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，大多數(shù)光電控制應(yīng)用的傳感器，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等都屬于內(nèi)光電效應(yīng)類傳感器。 1.外光電效應(yīng) 光照在照在光電材料上，材料表面的電子吸收的能量，若電子吸收的能量足夠大，電子會克服束縛逸出表面，從而改變光電子材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應(yīng)。 根據(jù)愛因斯坦的光電子效應(yīng)，光子是運動著的粒子流，每種光子的能量為hv(v為光波頻率，h為普朗克常數(shù))，由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設(shè)光子的全部能量交給光子，電子能量將會增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律： 式中，m為電子質(zhì)量,v為電子逸出的初速度,w為逸出功。 由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是hv>w。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強(qiáng)多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。相應(yīng)的波長為 式中，c為光速，w為逸出功。 2.內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照射到半導(dǎo)體表面時,由于半導(dǎo)體中的電子吸收了光子的能量,使電子從半導(dǎo)體表面逸出至周圍空間的現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)。利用這種現(xiàn)象可以制成陰極射線管、光電倍增管和攝像管的光陰極等。半導(dǎo)體材料的價帶與導(dǎo)帶間有一個帶隙,其能量間隔為Eg。一般情況下,價帶中的電子不會自發(fā)地躍遷到導(dǎo)帶,所以半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性遠(yuǎn)不如導(dǎo)體。但如果通過某種方式給價帶中的電子提供能量,就可以將其激發(fā)到導(dǎo)帶中,形成載流子,增加導(dǎo)電性。光照就是一種激勵方式。當(dāng)入射光的能量hν≥Eg（ Eg為帶隙間隔)時,價帶中的電子就會吸收光子的能量,躍遷到導(dǎo)帶,而在價帶中留下一個空穴,形成一對可以導(dǎo)電的電子——空穴對。這里的電子并未逸出形成光電子,但顯然存在著由于光照而產(chǎn)生的電效應(yīng)。因此,這種光電效應(yīng)就是一種內(nèi)光電效應(yīng)。從理論和實驗結(jié)果分析,要使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶,也存在一個入射光的極限能量,即Eλ=hν0=Eg,其中ν0是低頻限(即極限頻率ν0=Egh)。這個關(guān)系也可以用長波限表示,即λ0=hcEg。入射光的頻率大于ν0或波長小于λ0時,才會發(fā)生電子的帶間躍遷。當(dāng)入射光能量較小,不能使電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶時,有可能使電子吸收光能后,在一個能帶內(nèi)的亞能級結(jié)構(gòu)間(即圖1中每個能帶的細(xì)線間)躍遷。 二、光電器件及其特性 1.光敏電阻 1)光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。 2)光敏電阻的伏安特性測量 圖1 光敏電阻伏安特性測試電路 （1）按原理圖1連接好實驗線路，將光源用的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈和光敏電阻板置測試架中，電阻盒以及轉(zhuǎn)接盒插在九孔板中，電源由DH-VC3直流恒壓源提供。 （2）通過改變光源電壓或調(diào)節(jié)光源到光敏電阻之間的距離以提供一定的光強(qiáng)，每次在一定的光照條件下，測出加在光敏電阻上電壓U為+2V、+ 4V、+6V、+8V、+10V時5個光電流數(shù)據(jù)，即,同時算出此時光敏電阻的阻值。以后逐步調(diào)大相對光強(qiáng)重復(fù)上述實驗，進(jìn)行5～6次不同光強(qiáng)實驗數(shù)據(jù)測量。 （3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏電阻的一組伏安特性曲線。 光 強(qiáng) （ lx) UR(V) U(V) 46.8 315.7 1099 2688.9 5436.7 2 0.056 0.203 0.404 0.614 0.810 4 0.113 0.412 0.830 1.251 1.643 6 0.174 0.621 1.245 1.874 2.457 8 0.232 0.831 1.670 2.505 3.281 10 0.290 1.040 2.088 3.139 4.103 由圖可知，在一定光強(qiáng)下，光敏電阻的光電流與光電壓成線性關(guān)系，隨電壓的增大二增大，并且，光強(qiáng)越大，其增長越快。 2、光敏二極管 1）光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的,其管芯是一個具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，因此工作時需加上反向電壓。無光照時,有很小的飽和反向漏電流,即暗電流，此時光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時,飽和反向漏電流大大增加，形成光電流,它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。當(dāng)光線照射PN結(jié)時，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對，使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可以利用光照強(qiáng)弱來改變電路中的電流。 2）光敏二極管的伏安特性測量 圖2 光敏二極管特性測試電路 （1）按原理圖2接好實驗線路，將光電二極管板置測試架中、電阻盒置于九孔插板中，電源由DH-VC3直流恒壓源提供，光源電壓0～12V（可調(diào)）。 （2）先將可調(diào)光源調(diào)至相對光強(qiáng)為“弱光”位置，每次在一定的照度下，測出加在光敏二極管上的反偏電壓與產(chǎn)生的光電流的關(guān)系數(shù)據(jù)，其中光電流：(l.00KΩ為取樣電阻R），以后逐步調(diào)大相對光強(qiáng)（5～6次），重復(fù)上述實驗。 （3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏二極管的一組伏安特性曲線。 光 強(qiáng) （ lx) UR(V) U(V) 16.2 109.4 380.8 931.7 1883.8 2 0.009 0.027 0.058 0.102 0.161 4 0.009 0.028 0.059 0.104 0.165 6 0.009 0.029 0.060 0.107 0.170 8 0.009 0.030 0.061 0.110 0.174 10 0.009 1.031 0.062 0.113 0.179 12 0.009 1.032 0.063 0.117 0.183 由圖可知，光電二極管的在一定光強(qiáng)下，其光電流保持一定值，并不隨光電壓得增大而增大。 3.光敏三極管 1） 光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時也受光輻射的控制。 通?；鶚O不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，用于溫度補(bǔ)償和附加控制等作用。當(dāng)具有光敏特性的PN 結(jié)受到光輻射時，形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個放大了相當(dāng)于β倍的信號電流。不同材料制成的光敏三極管具有不同的光譜特性，與光敏二極管相比，具有很大的光電流放大作用，即很高的靈敏度。 2） 光敏三極管的伏安特性測量 圖3 光敏三極管特性測試實驗 （1）按原理圖3接好實驗線路，將光敏三極管板置測試架中、電阻盒置于九孔插板中，電源由DH-VC3直流恒壓源提供，光源電壓0～12V（可調(diào)）。 （2）先將可調(diào)光源調(diào)至相對光強(qiáng)為“弱光”位置，每次在一定光照條件下，測出加在光敏三極管的偏置電壓UCE與產(chǎn)生的光電流IC的關(guān)系數(shù)據(jù)。其中光電流(l.00KΩ為取樣電阻R）。 （3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏三極管的一組伏安特性曲線。 光 強(qiáng) （ lx) UR(V) U(V) 16.2 109.4 380.8 931.7 1883.8 2 0.101 0.205 0.814 2.248 4.560 4 0.114 0.311 1.102 2.825 5.469 6 0.125 0.426 1．367 3.403 6.733 8 0.138 0.540 1.504 4.017 7.965 10 0.150 0.650 1.740 4.605 9.236 12 0.161 0.753 1.976 5.213 10.514 由圖可知，在較弱光強(qiáng)下，光明三極管的光電流并不隨光電壓變化，隨著光強(qiáng)的增大，其光電流在一定范圍內(nèi)隨著電壓的增大二增大，而后保持一定值不變。 4.硅光電池 1） 硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它的結(jié)構(gòu)很簡單，核心部分是一個大面積的PN 結(jié)，把一只透明玻璃外殼的點接觸型二極管與一塊微安表接成閉合回路，當(dāng)二極管的管芯(PN結(jié))受到光照時，你就會看到微安表的表針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，顯示出回路里有電流，這個現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。硅光電池的PN結(jié)面積要比二極管的PN結(jié)大得多，所以受到光照時產(chǎn)生的電動勢和電流也大得多。 2） 硅光電池的伏安特性測量 圖4 硅光電池特性測試電路 （1）實驗線路見圖4，電阻箱調(diào)到0Ω。 （2）先將可調(diào)光源調(diào)至相對光強(qiáng)為“弱光”位置，每次在一定的照度下，測出硅光電池的開路電壓Uoc和短路電流IS，其中短路電流為（取樣電阻R為10.00Ω），以后逐步調(diào)大相對光強(qiáng)（5～6次），重復(fù)上述實驗。 （3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出硅光電池的光照特性曲線。 光強(qiáng)566.1Lx R(Ω) 47 141 470 1000 USC(V) 0.173 0.136 0.103 0.052 UR(V) 0.024 0.107 0.430 0.913 由圖可知，在光強(qiáng)一定時，硅光電池的光電流隨著光電壓的增大先保持不變，后逐漸減小，且減小速度越來越快。 二、 光電傳感器的應(yīng)用 光敏電阻可用于進(jìn)行光的測量和光的控制，測量方面主要是用于測量光強(qiáng)，控制方面最常見的就是路燈控制和樓道感應(yīng)燈的控制，在電路接通的狀態(tài)下，路燈會隨著周圍光強(qiáng)的變化而變化，樓道中的燈白天不亮晚上亮也利用了光敏電阻的對光的感應(yīng)特點。光敏電阻還被應(yīng)用于海上導(dǎo)航，通常海上的浮標(biāo)用的就是光敏電阻作為航道燈的開關(guān)，到晚上光敏電阻阻值變小，接通控制電路，將燈打開；白天光敏電阻增大將控制電路斷開，關(guān)掉電燈。 光敏管大體有開關(guān)作用，環(huán)境光檢測作用，各種光線接收作用。在太陽能自動跟蹤控制中，做光電檢測用，接受太陽光，校正方位。光敏二級管被應(yīng)用于收音機(jī)、電視、電腦等設(shè)備中，比如用LED發(fā)光二極光替代液晶顯示器背后的光源，能達(dá)到節(jié)能且穩(wěn)定的作用。光敏三極管可用來控制開關(guān)的狀態(tài)，其主要原因是三極管對光照強(qiáng)度十分敏感，可以根據(jù)根據(jù)光照強(qiáng)弱來控制電流大小，從而在繼電器的配合下控制開關(guān)的通斷狀態(tài)，實現(xiàn)自動化控制。由于光敏管對光的敏感性很高，還可用于測量溫度，因為不同溫度的物體輻射的光不同，以此可以間接測量溫度。此外，光敏三極管還可用于傳輸信號，如光藕合器，光耦合器亦稱光電隔離器，簡稱光耦，光耦合器以光為媒介傳輸電信號，它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。另外，紅光光敏管可用于測量紅外線，這一點可用來做夜視儀 硅光電池在日常生活中也是十分常見的，因為它能將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，像一些太陽能發(fā)電板和太陽能電池中就有硅光電池，被廣泛用于衛(wèi)星、太陽能發(fā)電、太陽能熱水器以及手機(jī)等。 光電傳感器的用途很多很廣，還有一些等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。比如我們經(jīng)常抱怨陽光下看不清手機(jī)和電腦，我們可以利用光敏器件來改變手機(jī)和電腦的屏幕亮度，從而更能看清楚，。還有我們的空調(diào)，可以通過檢測紅外線自動調(diào)至人的舒適溫度，當(dāng)溫度過低或過高就開啟調(diào)節(jié)裝置，若在人體舒適范圍左右則可關(guān)閉調(diào)節(jié)裝置，從而節(jié)省能源。我們還可以穿一件有硅光電池板的衣服，衣服內(nèi)有溫度調(diào)節(jié)裝置，由硅光電池提供能源，調(diào)節(jié)溫度。 參考資料：《大學(xué)物理》（王磊 陳剛 聶婭） 《現(xiàn)代傳感技術(shù)》（李科杰） 《傳感器原理與測試技術(shù)》（李曉瑩） 《傳感器原理及應(yīng)用》（王雪文 張志勇）