1、 光電傳感器特性分析摘要：隨著科技的發展，人類越來越注重信息和自動化，在日常的生產學習過程中，人們常常要進行自動篩選、自動傳送，而為了實現這些，光電傳感發揮了不可磨滅的作用。光敏傳感器的物理基礎是光電效應，即光敏材料的電學特性因受到光的照射而發生變化。關鍵詞：光電效應、光電傳感器、光敏材料一、 理論基礎光電效應光電效應通常分為外光電效應和內光電效應兩大類。外光電效應是指在光照射下，電子逸出物體表面的外發射的現象，也稱光電發射效應，基于這種效應的光電器件有光電管、光電倍增管等。內光電效應是指入射的光強改變物質導電率的物理現象，稱為光電導效應，大多數光電控制應用的傳感器，如光敏電阻、光敏二極管、光

2、敏三極管、硅光電池等都屬于內光電效應類傳感器。1.外光電效應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電性，這種現象成為外光電效應。根據愛因斯坦的光電子效應，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)，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，另一部分轉換成電子能量。根據能量守恒定律： 式中，m為電子質量,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

3、件是hvw。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，當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，都不會產生光電子發射，此頻率限稱為“紅限”。相應的波長為 式中，c為光速，w為逸出功。2.內光電效應 當光照射到半導體表面時,由于半導體中的電子吸收了光子的能量,使電子從半導體表面逸出至周圍空間的現象叫外光電效應。利用這種現象可以制成陰極射線管、光電倍增管和攝像管的光陰極等。半導體材料的價帶與導帶間有一個帶隙,其能量間隔為Eg。一般情況下,價帶中的電子不會自發地躍遷到導帶,所以半導體材料的導電性遠不如導體。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

4、發到導帶中,形成載流子,增加導電性。光照就是一種激勵方式。當入射光的能量hEg（ Eg為帶隙間隔)時,價帶中的電子就會吸收光子的能量,躍遷到導帶,而在價帶中留下一個空穴,形成一對可以導電的電子空穴對。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生的電效應。因此,這種光電效應就是一種內光電效應。從理論和實驗結果分析,要使價帶中的電子躍遷到導帶,也存在一個入射光的極限能量,即E=h0=Eg,其中0是低頻限(即極限頻率0=Egh)。這個關系也可以用長波限表示,即0=hcEg。入射光的頻率大于0或波長小于0時,才會發生電子的帶間躍遷。當入射光能量較小,不能使電子由價帶躍遷到導帶時,有可能使電

5、子吸收光能后,在一個能帶內的亞能級結構間(即圖1中每個能帶的細線間)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。這是由于光照產生的載流子都參與導電，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，將光源用的標準鎢絲燈和光敏電阻板置測試架中，電阻盒以及轉接盒插在九孔板中，電源由DH-VC3直流恒壓源提供。（2）通過

6、改變光源電壓或調節光源到光敏電阻之間的距離以提供一定的光強，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個光電流數據，即,同時算出此時光敏電阻的阻值。以后逐步調大相對光強重復上述實驗，進行56次不同光強實驗數據測量。（3）根據實驗數據畫出光敏電阻的一組伏安特性曲線。光強（lx)UR(V)U(V)46.8315.710992688.95436.720.0560.2030.4040.6140.81040.1130.4120.8301.2511.64360.1740.6211.2451.8742.45780.2320.8311.6702.5053.

7、281100.2901.0402.0883.1394.103 由圖可知，在一定光強下，光敏電阻的光電流與光電壓成線性關系，隨電壓的增大二增大，并且，光強越大，其增長越快。2、光敏二極管1）光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導體二極管在結構上是類似的,其管芯是一個具有光敏特征的PN結，具有單向導電性，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,它隨入射光強度的變化而變化。當光線照射PN結時，可以使PN結中產生電子一空穴對，使少數載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可

8、以利用光照強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012V（可調）。（2）先將可調光源調至相對光強為“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生的光電流的關系數據，其中光電流：(l.00K為取樣電阻R），以后逐步調大相對光強（56次），重復上述實驗。（3）根據實驗數據畫出光敏二極管的一組伏安特性曲線。光強（lx)UR(V)U(V)16.2109.4380.8931.71883.820.0090.0270.058

9、0.1020.16140.0090.0280.0590.1040.16560.0090.0290.0600.1070.17080.0090.0300.0610.1100.174100.0091.0310.0620.1130.179120.0091.0320.0630.1170.183 由圖可知，光電二極管的在一定光強下，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，用于溫度補償和附加控制等作用。當具有光敏特性的PN

10、 結受到光輻射時，形成光電流，由此產生的光生電流由基極進入發射極，從而在集電極回路中得到一個放大了相當于倍的信號電流。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012V（可調）。（2）先將可調光源調至相對光強為“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與產生的光電流IC的關系數據。其中光電流(l.00K為取樣電阻R）。（3）根據實

11、驗數據畫出光敏三極管的一組伏安特性曲線。光強（lx)UR(V)U(V)16.2109.4380.8931.71883.820.1010.2050.8142.2484.56040.1140.3111.1022.8255.46960.1250.42613673.4036.73380.1380.5401.5044.0177.965100.1500.6501.7404.6059.236120.1610.7531.9765.21310.514 由圖可知，在較弱光強下，光明三極管的光電流并不隨光電壓變化，隨著光強的增大，其光電流在一定范圍內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

12、池是一種直接把光能轉換成電能的半導體器件。它的結構很簡單，核心部分是一個大面積的PN 結，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，當二極管的管芯(PN結)受到光照時，你就會看到微安表的表針發生偏轉，顯示出回路里有電流，這個現象稱為光生伏特效應。硅光電池的PN結面積要比二極管的PN結大得多，所以受到光照時產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，電阻箱調到0。（2）先將可調光源調至相對光強為“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10.00），以后逐

13、步調大相對光強（56次），重復上述實驗。（3）根據實驗數據畫出硅光電池的光照特性曲線。光強566.1LxR()471414701000USC(V)0.1730.1360.1030.052UR(V)0.0240.1070.4300.913 由圖可知，在光強一定時，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、 光電傳感器的應用 光敏電阻可用于進行光的測量和光的控制，測量方面主要是用于測量光強，控制方面最常見的就是路燈控制和樓道感應燈的控制，在電路接通的狀態下，路燈會隨著周圍光強的變化而變化，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特點。光敏電阻還被應

14、用于海上導航，通常海上的浮標用的就是光敏電阻作為航道燈的開關，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，關掉電燈。光敏管大體有開關作用，環境光檢測作用，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。光敏二級管被應用于收音機、電視、電腦等設備中，比如用LED發光二極光替代液晶顯示器背后的光源，能達到節能且穩定的作用。光敏三極管可用來控制開關的狀態，其主要原因是三極管對光照強度十分敏感，可以根據根據光照強弱來控制電流大小，從而在繼電器的配合下控制開關的通斷狀態，實現自動化控制。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，因為它能將光能轉變為電能，像一些太陽能發電板和太陽能電池中就有硅光電池，被廣泛用于衛星、太陽能發電、太陽能熱水器以及手機等。光電傳感器的用途很多很廣，還有一些等待我們去發現