光電傳感器實(shí)驗(yàn)研究

滕春梅

摘要：隨著科技的發(fā)展，人類越來越注重信息和自動(dòng)化，在日常的生產(chǎn)學(xué)習(xí)過程中，人們常常要進(jìn)行自動(dòng)篩選、自動(dòng)傳送，而為了實(shí)現(xiàn)這些，光電傳感發(fā)揮了不可磨滅的作用。光敏傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，即光敏材料的電學(xué)特性因受到光的照射而發(fā)生變化。

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)；光電傳感器；光敏材料

一、理論基礎(chǔ)——光電效應(yīng)

光電效應(yīng)通常分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。外光電效應(yīng)是指在光照射下，電子逸出物體表面的外發(fā)射的現(xiàn)象，也稱光電發(fā)射效應(yīng)，基于這種效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。內(nèi)光電效應(yīng)是指入射的光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，大多數(shù)光電控制應(yīng)用的傳感器，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等都屬于內(nèi)光電效應(yīng)類傳感器。

1.外光電效應(yīng)

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(huì)克服束縛逸出表面，從而改變光電子材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應(yīng)。

根據(jù)愛因斯坦的光電子效應(yīng)，光子是運(yùn)動(dòng)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(shù)），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(shè)光子的全部能量交給光子，電子能量將會(huì)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(zhuǎn)換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律：

式中，m為電子質(zhì)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件是hv>w。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對(duì)每一種陰極材料，入射光都有一個(gè)確定的頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，都不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。相應(yīng)的波長(zhǎng)為 式中，c為光速，w為逸出功。

2.內(nèi)光電效應(yīng)

當(dāng)光照射到半導(dǎo)體表面時(shí)，由于半導(dǎo)體中的電子吸收了光子的能量，使電子從半導(dǎo)體表面逸出至周圍空間的現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)。利用這種現(xiàn)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(dǎo)體材料的價(jià)帶與導(dǎo)帶間有一個(gè)帶隙，其能量間隔為Eg。一般情況下，價(jià)帶中的電子不會(huì)自發(fā)地躍遷到導(dǎo)帶，所以半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性遠(yuǎn)不如導(dǎo)體。但如果通過某種方式給價(jià)帶中的電子提供能量，就可以將其激發(fā)到導(dǎo)帶中，形成載流子，增加導(dǎo)電性。光照就是一種激勵(lì)方式。當(dāng)入射光的能量hν≥Eg（Eg為帶隙間隔）時(shí)，價(jià)帶中的電子就會(huì)吸收光子的能量，躍遷到導(dǎo)帶，而在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴，形成一對(duì)可以導(dǎo)電的電子——空穴對(duì)。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(chǎn)生的電效應(yīng)。因此，這種光電效應(yīng)就是一種內(nèi)光電效應(yīng)。從理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，要使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，也存在一個(gè)入射光的極限能量，即Eλ=hν0=Eg，其中ν0是低頻限（即極限頻率ν0=Egh）。這個(gè)關(guān)系也可以用長(zhǎng)波限表示，即λ0=hcEg。入射光的頻率大于ν0或波長(zhǎng)小于λ0時(shí)，才會(huì)發(fā)生電子的帶間躍遷。當(dāng)入射光能量較小，不能使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，有可能使電子吸收光能后，在一個(gè)能帶內(nèi)的亞能級(jí)結(jié)構(gòu)間（即圖1中每個(gè)能帶的細(xì)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(dǎo)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(zhǎng)的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)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(cè)量

（1）按原理圖1連接好實(shí)驗(yàn)線路，將光源用的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈和光敏電阻板置測(cè)試架中，電阻盒以及轉(zhuǎn)接盒插在九孔板中，電源由DH-VC3直流恒壓源提供。

（2）通過改變光源電壓或調(diào)節(jié)光源到光敏電阻之間的距離以提供一定的光強(qiáng)，每次在一定的光照條件下，測(cè)出加在光敏電阻上電壓U為+2V、+ 4V、+6V、+8V、+10V時(shí)5個(gè)光電流數(shù)據(jù)，即 ，同時(shí)算出此時(shí)光敏電阻的阻值 。以后逐步調(diào)大相對(duì)光強(qiáng)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行5～6次不同光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量。

由圖可知，在一定光強(qiáng)下，光敏電阻的光電流與光電壓成線性關(guān)系，隨電壓的增大二增大，并且，光強(qiáng)越大，其增長(zhǎng)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(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的，其管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，因此工作時(shí)需加上反向電壓。無光照時(shí)，有很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時(shí)光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時(shí)，飽和反向漏電流大大增加，形成光電流，它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。當(dāng)光線照射PN結(jié)時(shí)，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，使少數(shù)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。因此可以利用光照強(qiáng)弱來改變電路中的電流。

2）光敏二極管的伏安特性測(cè)量

（1）按原理圖2接好實(shí)驗(yàn)線路，將光電二極管板置測(cè)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0～12V（可調(diào)）。

（2）先將可調(diào)光源調(diào)至相對(duì)光強(qiáng)為“弱光”位置，每次在一定的照度下，測(cè)出加在光敏二極管上的反偏電壓與產(chǎn)生的光電流的關(guān)系數(shù)據(jù)，其中光電流： （l.00KΩ為取樣電阻R），以后逐步調(diào)大相對(duì)光強(qiáng)（5～6次），重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出光敏二極管的一組伏安特性曲線。