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1、第七章光電式和光導(dǎo)式傳感器光電式:基于光電效應(yīng)光導(dǎo)式:基于光在光纖中傳播時(shí)與外界因素調(diào)制而引起光的特性和光纖形態(tài)變化第一節(jié)光電效應(yīng)和光電器件光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。一、外光電效應(yīng)在光線的作用下,物體內(nèi)的電子逸出物體表面而向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)生的電子叫做光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光電子能否產(chǎn)生,取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功,因此對某種材料而言有一個(gè)頻率限(光頻閥值),當(dāng)入射光的頻率低于此頻率
2、限時(shí),不論光強(qiáng)多大,也不能激發(fā)出電子;反之,當(dāng)入射光的頻率高于此極限頻率時(shí),即使光線微弱也會(huì)有光電子發(fā)射出來,這個(gè)頻率限稱為“紅限頻率”。紅限波長:當(dāng)入射光的頻率成分不變時(shí),產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大,意味著入射光子數(shù)目越多,逸出的電子數(shù)也越多。逸出表面的光電子具有初始動(dòng)能,即光電器件,即使沒加陽極電壓,也會(huì)有光電流產(chǎn)生,為了使光電流為零,必須加負(fù)的截至電壓,而且截至電壓與入射光的頻率成正比。二、內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)物體受到光照時(shí),其電阻率發(fā)生變化,或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效
3、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),從而引起材料電導(dǎo)率的變化,這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?!饷綦娮栉锢磉^程:當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上,若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料,而且光輻射能量又足夠強(qiáng),光電導(dǎo)體材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去,從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加,致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg電子能量E電子能級示意圖為了實(shí)現(xiàn)能級的躍遷,入射光的能量必須大于光導(dǎo)材料的禁帶寬度:材料
4、的光電導(dǎo)性能決定于禁帶寬度,對于一種光電導(dǎo)材料,總存在一個(gè)照射光臨界波長。只有波長小于λc的光照射在光電導(dǎo)體上,才能產(chǎn)生電子能級間的躍進(jìn),從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。2.光生伏特效應(yīng)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。——光電池、光敏二極管、光敏三極管(1)勢壘效應(yīng)(結(jié)光電效應(yīng))接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中,當(dāng)光線照射到其接觸區(qū)域時(shí),便引起光電動(dòng)勢,即結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例:光線照射=>光子能量>禁帶寬度=>電子躍遷=>電子空穴對=>電子移向N區(qū)外側(cè)(空穴移向P區(qū)外側(cè))
5、=>P區(qū)帶正電,N區(qū)帶負(fù)電=>光電動(dòng)勢。(2)側(cè)向光電效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí),則將產(chǎn)生濃度梯度而產(chǎn)生光電勢,稱這種現(xiàn)象為側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時(shí),光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大,就出現(xiàn)了載流子濃度梯度,因而載流子要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大,那么空穴擴(kuò)散不明顯,則電子向未被光照部分?jǐn)U散,就造成光照射的部分帶正電,未被光照部分帶負(fù)電,光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電勢。光電式傳感器的分類:按照用途光電管、光電倍增管光敏電阻、光導(dǎo)管光電池
6、、光電晶體外光電效應(yīng)器件光電導(dǎo)效應(yīng)器件光生伏特效應(yīng)器件按傳輸方式直射式反射式透鏡式光電器件有反射鏡式光電器件無反射鏡式光電器件三、外光電效應(yīng)器件1.光電管:有真空光電管和充氣光電管光照在陰極,陽極收集陰極逸出的電子,在外電場作用下形成電流(2)主要性能光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、峰值探測率和溫度特性來描述。①光電管的伏安特性:在一定的光照射下,對光電器件的陽極所加電壓與陽(陰)極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系。注:真空光電管一般工作在飽和部分。②光電管的光照特性:指當(dāng)光電
7、管的陽極和陰極之間所加電壓一定時(shí),光通量與光電流之間的關(guān)系。光照特性曲線的斜率(光電流與入射光光通量之間比)稱為光電管的靈敏度。②光電管的光譜特性:由于光陰極對光譜有選擇特性,因此光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變,陽極電流與光波長之間的關(guān)系稱為光電管的光譜特性。同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。對于光陰極材料不同的光電管,有不同的紅限頻率,用于不同的光譜范圍。光譜特性:對不同波長區(qū)域的光,應(yīng)選用不同材料的光電陰極——光譜響應(yīng)范圍。2.光電倍增管光電倍增管的工作原理建立在光電
8、發(fā)射和二次發(fā)射的基礎(chǔ)上,獲得大的光電流。結(jié)構(gòu):(1)光陰極:由半導(dǎo)體光電材料銻銫制成;(2)次陰極(倍增電極):在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的,次陰極多的可達(dá)30級(3)陽極:是最后用來收集電子的,收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105~106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時(shí),可產(chǎn)生很大的光電流。常見的幾種光電倍增管結(jié)構(gòu)圖主要參數(shù)①倍增系數(shù):等于各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)的乘積。倍增系數(shù)與所加電壓有