光电传感器实验研究

摘要：随着科技的发展，人类越来越注重信息和自动化，在日常的生产学习过程中，人们常常要进行自动筛选、自动传送，而为了实现这些，光电传感发挥了不可磨灭的作用。光敏传感器的物理基础是光电效应，即光敏材料的电学特性因受到光的照射而发生变化。

关键词：光电效应；光电传感器；光敏材料

一、理论基础――光电效应

光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应是指在光照射下，电子逸出物体表面的外发射的现象，也称光电发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。内光电效应是指入射的光强改变物质导电率的物理现象，称为光电导效应，大多数光电控制应用的传感器，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等都属于内光电效应类传感器。

1.外光电效应

光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大，电子会克服束缚逸出表面，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应。

根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv（v为光波频率，h为普朗克常数），由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律：

式中，m为电子质量，v为电子逸出的初速度，w为逸出功。

由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hv>w。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长为 式中，c为光速，w为逸出功。

2.内光电效应

当光照射到半导体表面时，由于半导体中的电子吸收了光子的能量，使电子从半导体表面逸出至周围空间的现象叫外光电效应。利用这种现象可以制成阴极射线管、光电倍增管和摄像管的光阴极等。半导体材料的价带与导带间有一个带隙，其能量间隔为Eg。一般情况下，价带中的电子不会自发地跃迁到导带，所以半导体材料的导电性远不如导体。但如果通过某种方式给价带中的电子提供能量，就可以将其激发到导带中，形成载流子，增加导电性。光照就是一种激励方式。当入射光的能量hν≥Eg（Eg为带隙间隔）时，价带中的电子就会吸收光子的能量，跃迁到导带，而在价带中留下一个空穴，形成一对可以导电的电子――空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子，但显然存在着由于光照而产生的电效应。因此，这种光电效应就是一种内光电效应。从理论和实验结果分析，要使价带中的电子跃迁到导带，也存在一个入射光的极限能量，即Eλ=hν0=Eg，其中ν0是低频限（即极限频率ν0=Egh）。这个关系也可以用长波限表示，即λ0=hcEg。入射光的频率大于ν0或波长小于λ0时，才会发生电子的带间跃迁。当入射光能量较小，不能使电子由价带跃迁到导带时，有可能使电子吸收光能后，在一个能带内的亚能级结构间（即图1中每个能带的细线间）跃迁。

二、光电器件及其特性

1.光敏电阻

1）光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

2）光敏电阻的伏安特性测量

（1）按原理图1连接好实验线路，将光源用的标准钨丝灯和光敏电阻板置测试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供。

（2）通过改变光源电压或调节光源到光敏电阻之间的距离以提供一定的光强，每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压U为+2V、+ 4V、+6V、+8V、+10V时5个光电流数据，即 ，同时算出此时光敏电阻的阻值 。以后逐步调大相对光强重复上述实验，进行5～6次不同光强实验数据测量。

由图可知，在一定光强下，光敏电阻的光电流与光电压成线性关系，随电压的增大二增大，并且，光强越大，其增长越快。

2、光敏二极管

1）光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。

2）光敏二极管的伏安特性测量

（1）按原理图2接好实验线路，将光电二极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供，光源电压0～12V（可调）。

（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定的照度下，测出加在光敏二极管上的反偏电压与产生的光电流的关系数据，其中光电流： （l.00KΩ为取样电阻R），以后逐步调大相对光强（5～6次），重复上述实验。

（3）根据实验数据画出光敏二极管的一组伏安特性曲线。