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光电传感器
光电式传感器是蒋光信号转换为电信号的光敏器件。它可用于检测直接一起光强变化的非电量,如光强,辐射测温,气体成分分析等;也可用来能转换成光亮变化的其他非电量,如零件线度,表面粗糙度,位移,速度,加速度等。光电式传感器具有非接触,相应快,性能可靠等优点,因而得到广泛应用。光电式传感器是目前产量最多应用最广的传感器之一。
光电效应
观点是传感器的物理基础是光电效应,即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为两大类,即外光电效应和内光电效应。
3.1.1 外光电效应
在光照射下,电子溢出物体表面向外发射的现象称为光电效应,亦称光电发射效应。它是在1887年由德国科学家赫兹发现的。基于这种效应的光电器有光电管,光电培管等。
每个光子具有的能量为
Q = hv
式中,h=6.626* SKIPIF 1 0 J.S,为普朗克常数,v为光的频率。物体在光照射下,电子吸收了入射的光子能量后,一部分由于克服物质对电子的束缚,另一部分转化为溢出电子的动能。如果光子的能量Q大于电子的溢出功A,则电子溢出。溢出功A也成为功函数,是一个电子从金属或半导体表面溢出时克服表面势垒所需做的功,其值于材料有关,还和材料的表面状态有关。若溢出电子的动能为 SKIPIF 1 0 ,择优能量守恒定律有:
SKIPIF 1 0
m 为电子的静止质量, SKIPIF 1 0 为电子溢出物体时得出速。上是即为爱因斯坦光电效应方程式。可知:
光电效应能否产生,取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子溢出功。这意味着每一种物质都有一个对应的光频阀值,成为红限频率(对应的光波长称为临界波长)。光的频率小于红限频率,光子的能量不足以使物体的电子溢出,因而小于红限频率的光,光强再大也不产生光电发射。反之,入射光频率高于红限频率,即使光强微弱也会有电子发射出来。
若入射光的光频为v,光功率为P,则每秒钟到达的光子数为p/hv.假设这些光子中只有一部分(η)能激发电子,则入射光在光电面激发的光电流密度为
SKIPIF 1 0
式中,η是量子效率,定义为光强生成的载流子数与入射光子数之比,它是波长的函数,并与光电面的反射率,吸收稀疏,发射电子的深度,表面亲和力等因素有关,e为电子电荷量。
光电子溢出物体表面具有初始动能。因此光电管即使未加阳极电压,也会有光电流产生。为使光电流为零,必须加负的截止电压,而截止电压与入射光的频率成正比。
3.1.2 内光电效应
内光电效应分为两类,光电导效应和光电伏特效应。
1.光电导效应
入射光强改变物质导电率的物理现象,叫光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有。这是由于,在入射光作用下,电子吸收光子的能量,从价带激发到导带,过渡到自由状态,同时价带也因此形成自由空穴,致使导带的电子和价带的空穴浓度增大,引起材料电阻率减小。为使电子从价带激发到导带,入射光子的能量E应大于禁带宽度E,如图,即光的波长应小于某一临界波长 SKIPIF 1 0 。
SKIPIF 1 0
式中, SKIPIF 1 0 为电子伏(eV)为单位(1eV=1.60*10 J),c 为光速(m/s). 也称为截止波长.根据半导体材料的禁带宽度可得相应的临界波长.本征半导体(纯半导体)的 大于掺杂质半导体。
图3。2为光电导元件工作示意图。当光电导元件在一定强度的光的连续照射下,元件达到平衡状态时,输出的短路电流密度为:
SKIPIF 1 0
可以看出, SKIPIF 1 0 在波长决定之后与p成正比,在 SKIPIF 1 0 一定时,与光波长 SKIPIF 1 0 成反比。还可以看出,要增加光电流密度要选择载流子寿命长、迁移率大的材料而且应该尽量缩短两极间的距离和提高外加电压。随着光能的增强,光生载流子浓度也增大,但同时电子与空穴间的复合速度也加快,因此光能量与光电流之间的关系不是线性的。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。
2.光生伏特效应
光生伏特效应就是半导体材料吸收光能后,在 PN结上产生电动势的效应。若在 N 型硅片掺入P 型杂质可行成一PN结,如图3。3所示。
为什么PN结会产生光生伏特效应呢?这是因为:当光照射到距表面很近的PN结上时,如果光足够大,光子能量大于半导体材料的禁带宽度,电子就能够从价带跃迁到导带,成为自由电子,而价带则相应成为自由空穴。这些电子——空穴对在 PN结的内部电场作用下,电子被推向N区外侧,空穴被推
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