光電傳感器特性分析.doc
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光電傳感器特性分析 摘要:隨著科技的發(fā)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(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是光電效應,即光敏材料的電學特性因受到光的照射而發(fā)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(fā)射的現(xiàn)象,也稱光電發(fā)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(xiàn)象,稱為光電導效應,大多數(shù)光電控制應用的傳感器,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(xiàn)象成為外光電效應。 根據(jù)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(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(jù)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件是hv>w。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(fā)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(xiàn)象叫外光電效應。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(fā)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,就可以將其激發(fā)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hν≥Eg( 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Eλ=hν0=Eg,其中ν0是低頻限(即極限頻率ν0=Egh)。這個關系也可以用長波限表示,即λ0=hcEg。入射光的頻率大于ν0或波長小于λ0時,才會發(fā)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)通過改變光源電壓或調節(jié)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(shù)據(jù),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5~6次不同光強實驗數(shù)據(jù)測量。 (3)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏電阻的一組伏安特性曲線。 光 強 ( lx) UR(V) U(V) 46.8 315.7 1099 2688.9 5436.7 2 0.056 0.203 0.404 0.614 0.810 4 0.113 0.412 0.830 1.251 1.643 6 0.174 0.621 1.245 1.874 2.457 8 0.232 0.831 1.670 2.505 3.281 10 0.290 1.040 2.088 3.139 4.103 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(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0~12V(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(shù)據(jù),其中光電流:(l.00KΩ為取樣電阻R),以后逐步調大相對光強(5~6次),重復上述實驗。 (3)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏二極管的一組伏安特性曲線。 光 強 ( lx) UR(V) U(V) 16.2 109.4 380.8 931.7 1883.8 2 0.009 0.027 0.058 0.102 0.161 4 0.009 0.028 0.059 0.104 0.165 6 0.009 0.029 0.060 0.107 0.170 8 0.009 0.030 0.061 0.110 0.174 10 0.009 1.031 0.062 0.113 0.179 12 0.009 1.032 0.063 0.117 0.183 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 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(fā)射極,從而在集電極回路中得到一個放大了相當于β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0~12V(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(shù)據(jù)。其中光電流(l.00KΩ為取樣電阻R)。 (3)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏三極管的一組伏安特性曲線。 光 強 ( lx) UR(V) U(V) 16.2 109.4 380.8 931.7 1883.8 2 0.101 0.205 0.814 2.248 4.560 4 0.114 0.311 1.102 2.825 5.469 6 0.125 0.426 1.367 3.403 6.733 8 0.138 0.540 1.504 4.017 7.965 10 0.150 0.650 1.740 4.605 9.236 12 0.161 0.753 1.976 5.213 10.514 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(fā)生偏轉,顯示出回路里有電流,這個現(xiàn)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0Ω。 (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10.00Ω),以后逐步調大相對光強(5~6次),重復上述實驗。 (3)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出硅光電池的光照特性曲線。 光強566.1Lx R(Ω) 47 141 470 1000 USC(V) 0.173 0.136 0.103 0.052 UR(V) 0.024 0.107 0.430 0.913 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(tài)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(huán)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(fā)光二極光替代液晶顯示器背后的光源,能達到節(jié)能且穩(wěn)定的作用。光敏三極管可用來控制開關的狀態(tài),其主要原因是三極管對光照強度十分敏感,可以根據(jù)根據(jù)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(tài),實現(xiàn)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?yōu)殡娔?,像一些太陽能發(fā)電板和太陽能電池中就有硅光電池,被廣泛用于衛(wèi)星、太陽能發(fā)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(fā)現(xiàn)。比如我們經常抱怨陽光下看不清手機和電腦,我們可以利用光敏器件來改變手機和電腦的屏幕亮度,從而更能看清楚,。還有我們的空調,可以通過檢測紅外線自動調至人的舒適溫度,當溫度過低或過高就開啟調節(jié)裝置,若在人體舒適范圍左右則可關閉調節(jié)裝置,從而節(jié)省能源。我們還可以穿一件有硅光電池板的衣服,衣服內有溫度調節(jié)裝置,由硅光電池提供能源,調節(jié)溫度。 參考資料:《大學物理》(王磊 陳剛 聶婭) 《現(xiàn)代傳感技術》(李科杰) 《傳感器原理與測試技術》(李曉瑩) 《傳感器原理及應用》(王雪文 張志勇)- 配套講稿:
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