光电传感器的特点和工作原理详细说明

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标签:光敏电阻(134)PN结(100)传感器(17431)

  光电式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。外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下,金属会吸收光子并发射电子,发射出来的电子叫做光电子。光的波长需小于某一临界值 (相等于光的频率高于某一临界值)时方能发射电子,其临界值即极限频率和极限波长。由E =hn-W如果入射光子的能量hn大于逸出功W,那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的能量,也就是说有些光电子具有一定的动能。因为不同的电子脱离某种金属所需的功不一样,所以它们就吸收了光子的能量并从这种金属逸出之后剩余的动能也不一样。由于逸出功W是使电子脱离金属所要做功的最小值,所以如果用E 表示动能最大的光电子所具有的动能,那么就有下面的关系式E =hn-W (其中,h表示普兰克常量,n表示入射光的频率),这个关系式通常叫做爱因斯坦光电效应方程。

  如图1所示,当光照射到距表面很近PN结上时,如果光能足够大,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, 使N区带上负电,P区带上正电。这样,N区和P区之间就出现了电位差,于是PN结两侧边产生了光生电动势。光敏电阻光敏电阻的原理是基于光电导效应:在无光照时,光敏电阻具有很高的阻值,在有光照时,当光子的能量大于材料禁带宽度,价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,激发出可以导电的电子-空穴对,使电阻值降低;光照停止后, 自由电子与空穴复合,导电性能下降,电阻恢复原值。

  光敏电阻的结构如图2所示。由于光电效应只限于光照表面的薄层,一般都把半导体材料制成薄膜,并赋予适当的阻值,电级构造成梳型,这样光敏电阻电极的距离短,载流子通过电极的时间少,而材料的载流子寿命有比较长,于是就有很高的内部增益,从而获得很高的灵敏度,光电传感器是将非电信号转换为电信号来测量。在一般情况下,有三部分构成。

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