光電傳感器的基礎(chǔ)理論知識(shí)解析

光電式傳感器是將光量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏孔兓囊环N變換器。應(yīng)用極為廣泛，已經(jīng)在航天、醫(yī)學(xué)、科研，以及工業(yè)控制、家用電器、航海事業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。光電傳感器的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，根據(jù)光電效應(yīng)可以制作出各種光電傳感器。今天，為大家具體介紹光電效應(yīng)的基本理論知識(shí)。 早期人們利用光電效應(yīng)制成光電管。其外形和構(gòu)造如下圖所示。它是一個(gè)抽成真空的玻璃泡，在泡的內(nèi)壁上有一部分涂有金屬或金屬氧化物，作為光電管的陰極。而光電管的陽極是一根環(huán)狀的細(xì)金屬絲或半圓的金屬球。

光電管的結(jié)構(gòu)

光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示。光電管的陽極A接高電位，陰極K接低電位，則陽極和陰極之間有一加速電場(chǎng)，電場(chǎng)方向由A指向K。AK之間的電壓由電壓表V讀出，電壓的大小由電位器R給定。圖中，G是靈敏電流計(jì)。實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)陰極沒有受到光照射時(shí)，電路中幾乎沒有電流；當(dāng)陰極受到光照射時(shí)，電路中就立即有電流出現(xiàn)。光照多久，電流就維持多久；光照停止，電流也就消失。這就說明當(dāng)光照射時(shí)，有電子從光電陰極逸出。在加速電場(chǎng)作用下，電子飛向陽極，從而在回路中形成光電流。

光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置

物質(zhì)在光的作用下釋放出電子，這種現(xiàn)象叫光電效應(yīng)。光電效應(yīng)通常又分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。

光電效應(yīng)

1.外光電效應(yīng)

在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。

2.內(nèi)光電效應(yīng)

受光照物體電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類。

1）光電導(dǎo)效應(yīng)

在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率的變化，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。絕大多數(shù)的高電阻率半導(dǎo)體都具有光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻（也稱光電導(dǎo)管），其常用的材料有硫化鎘（CdS）、硫化鉛（PbS）、銻化銦（InSb）、非晶硅（a-Si：H）等。

純半導(dǎo)體在光線照射下，其禁帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度Eg（eV）的光子的激發(fā)，由價(jià)帶越過禁帶躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子。同時(shí)，價(jià)帶也因此而形成自由空穴。致使純半導(dǎo)體中導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴濃度增大，半導(dǎo)體電阻率減小。如下圖（a）所示。電子和空穴統(tǒng)稱為載流子。它們?cè)诙穗妷鹤饔孟戮尚纬晒怆娏鳌．?dāng)光照停止后，自由電子被失去電子的原子俘獲，電阻又恢復(fù)原值。能使價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶的光譜范圍中，其最大的波長λ0（nm）稱為截止波長，λ0≈1240/Eg。

N型或P型摻雜半導(dǎo)體在光照射下，光子能量只要分別大于施主能級(jí)和導(dǎo)帶底能級(jí)差或受主能級(jí)與滿帶頂能級(jí)差Ei（eV），如下圖（b）或圖（c）所示，光能即被吸收，激發(fā)出能參與導(dǎo)電的光生電子或空穴。摻雜半導(dǎo)體產(chǎn)生光生載流子的截止波長為λ0≈1240/Ei。

圖 光電導(dǎo)效應(yīng)機(jī)理圖

當(dāng)光敏電阻接上直流電壓Vb，并用一定強(qiáng)度、波長小于λ0的光線連續(xù)照射時(shí)，其輸出直流電流i0為

式中，η 內(nèi)光量子效率（光生載流子數(shù)與人射光子數(shù)之比）；μc——多數(shù)載流子的遷移率；τ——多數(shù)載流子壽命；d——光敏電阻兩電極間距；p——入射光功率；e——普朗克常數(shù)，為6.6261×10-34J?s。

隨光能的增加，光生載流子濃度雖然也因之劇增，但同時(shí)電子與空穴間的復(fù)合速度也加快，因此低于截止波長的光能量與半導(dǎo)體所產(chǎn)生的光電流的特性曲線不是線性關(guān)系。

2）光生伏特效應(yīng) 物體（如半導(dǎo)體）

在光的照射下能產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；?。于該效應(yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管和光敏三極管。

光生伏特效應(yīng)根據(jù)其產(chǎn)生電勢(shì)的機(jī)理可分為：

?側(cè)向光生伏特效應(yīng)

側(cè)向光生伏特效應(yīng)又稱殿巴（Dember）效應(yīng)。

當(dāng)半導(dǎo)體光電器件的光靈敏面受光照不均勻時(shí)，由載流子濃度梯度而產(chǎn)生的光電效應(yīng)稱為側(cè)向光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)工作的光電器件有半導(dǎo)體位置敏感器件（簡稱PSD），或稱反轉(zhuǎn)光敏二極管。

側(cè)向光生伏特效應(yīng)的工作機(jī)理是，半導(dǎo)體光照部分吸收人射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使該部分載流子濃度高于未被光照部分，因而出現(xiàn)了濃度梯度，形成載流子的擴(kuò)散。由于電子遷移率比空穴的大，因此電子首先向未被光照部分?jǐn)U散，致使被光照部分帶正電，未被光照部分帶負(fù)電，兩部分之間產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)。

?PN結(jié)光生伏特效應(yīng)

光照射到距表面很近的半導(dǎo)體PN結(jié)時(shí)，結(jié)及附近的半導(dǎo)體吸收光能。若光子能量大于禁帶寬度，則價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，而價(jià)帶則相應(yīng)成為自由空穴。這些電子空穴對(duì)在PN結(jié)內(nèi)部電場(chǎng)的作用下，電子移向N區(qū)外側(cè)，空穴移向P區(qū)外側(cè)，結(jié)果P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。

PN結(jié)光生電流與人射光照度成正比，光生伏特與照度對(duì)數(shù)成正比。

由于光生電子、空穴在擴(kuò)散過程中會(huì)分別與半導(dǎo)體空穴、電子復(fù)合，因此載流子的壽命與擴(kuò)散長度有關(guān)。只有使PN結(jié)距表面的厚度小于擴(kuò)散長度，才能形成光電流產(chǎn)生光生伏特。在工程上，利用改變PN結(jié)距表面厚度的大小的方法，可以調(diào)整基于PN結(jié)光生伏特效應(yīng)的光電器件的頻率響應(yīng)特性、光電流和光生電勢(shì)大小。

基于此效應(yīng)的光電器件有光電池、太陽電池、光敏二極管和光敏三極管等。通過設(shè)計(jì)和制造工藝，使光電池工作在無外接電源下，則以光伏效應(yīng)工作。光敏管工作在反向偏壓下，則同時(shí)存在光導(dǎo)效應(yīng)和光伏效應(yīng)。它們輸出的光電流與光照強(qiáng)度均具有線性關(guān)系。

?光電磁效應(yīng)（簡稱PEM效應(yīng)）

半導(dǎo)體受強(qiáng)光照射，并在光照垂直方向外加磁場(chǎng)時(shí)，垂直于光和磁場(chǎng)的半導(dǎo)體兩端面間產(chǎn)生電勢(shì)的現(xiàn)象稱為光電磁效應(yīng)。它可以看成是光擴(kuò)散電流的霍爾效應(yīng)。

?貝克勒耳（Becquerel）效應(yīng)

貝克勒耳效應(yīng)是液體中的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射浸在電解液中的兩個(gè)同樣電極中的任一個(gè)電極時(shí)，在兩個(gè)電極間將產(chǎn)生電勢(shì)的現(xiàn)象稱為貝克勒耳效應(yīng)?；谠撔?yīng)的有感光電池。
來源：傳感器專家網(wǎng)