文档介绍：第5章光电式传感器
常用光电器件
光栅传感器
固态图像传感器
上一页
下一页
返回
教学目标:了解和掌握光电效应及其形式以及相应的光电器件工作原理。掌握光敏电阻、光电池、光敏晶体管(光敏二极管、光敏三极管)的结构特点及相应的基本特性和参数。
光电式传感器
定义:是一种将光信号转换成电信号的装置。
以光电元件作为转化元件,可以将被测的非电量通过光量的变化再转化成电量的传感器。光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件三部分组成。
物理基础:光电效应
优点:结构简单、性能可靠、精度高、反映快。
应用:现代测量和自动控制系统,应用广泛,前景广阔。
上一页
下一页
返回
光电效应
下一页
返回
定义:是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量,从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类:
1)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。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。
光子是具有能量的粒子,每个光子的能量:
光是由被看做具有一定能量的光粒子组成,每个光子所具有的能量E正比于其光的频率。光射在物体上(半导体材料)可以看成是一串有能量的光粒子轰击在物体上,物体吸收了能量为E的光后产生了电效应。
根据爱因斯坦假设,一个电子只能接受一个光子的能量,所以要使一个电子从物体表面逸出,必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功,超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物,从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。
根据能量守恒定理
式中 m—电子质量;v0—电子逸出速度。
A0—电子逸出表面的功(束缚电子的能量)
该方程称为爱因斯坦光电效应方程
光电子能否产生,取决于光电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,即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。
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,意味着入射光子数目越多,逸出的电子数也就越多。
光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ,因此外光电效应器件(如光电管)即使没有加阳极电压,也会有光电子产生。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。
区分光强和光能量:光强——光子的多少引起光的强弱
光能量——E=hf
下一页
返回
2)内光电效应
当光照射在物体上,使物体的电阻率ρ发生变化,或产生光生电动势的现象叫做内光电效应,它多发生于半导体内。根据工作原理的不同,内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类:
(1) 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导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
过程:当光照射到半导体材料上时,价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击,并使其由价带越过禁带跃入导带,如图,使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加,从而使电导率变大。
导带
价带
禁带
自由电子所占能带
不存在电子所占能带
价电子所占能带
Eg
材料的光导性能决定于禁带宽度,对于一种光电导材料,总存在一个照射光波长限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。
式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。
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
(2) 光生伏特效应
在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势(电荷堆积)的现象叫做光生伏特效应。
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,形成光电动势。
②侧向光电效应
当半导体光电器件受光照不均匀时,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,因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大,那