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光電傳感器原理

返回列表 來源:驍銳科技 瀏覽:- 發布日期:2020-11-10 09:46:02【

光電傳感器的物理基礎是光電效應,即光會改變半導體材料的許多電特性。光電效應通常分為兩類,即外部光電效應和內部光電效應。外部光電效應是指物質吸收光子并激發自由電子的行為。當金屬表面被特定的光照射時,金屬將吸收光子并發射電子,這被稱為光電子。

在發射電子之前,光的波長必須小于特定的臨界值(等于大于特定臨界值的光的頻率)。臨界值是截止頻率和截止波長。從E=hn-W,如果入射光子的能量hn大于功函數W,則某些光電子在離開金屬表面后仍有能量殘留,這意味著某些光電子具有一定的動能。由于不同的電子需要不同的功才能與給定的金屬分離,因此在吸收光子的能量并從金屬逸出后,它們具有不同的動能。主圖1

由于功函數W是從金屬中去除電子所必須完成的最小功,因此如果使用E來代表具有最大動能的光電子的動能,則存在以下關系式E=hn  -W(其中h表示普朗克常數,N表示入射光的頻率),這種關系通常稱為愛因斯坦光電效應方程。

當在非常靠近表面的PN結處輻射光時,如果光的能量足夠大且光子的能量大于禁帶,在半導體材料中,電子可以從價帶傳遞到導帶。能帶成為自由電子,價帶成為自由空穴。在PN結的內部電場的作用下,這些電子和空穴對被推出N區域,這使N區域帶負電,P區域帶正電。這樣,在區域N和區域P之間存在電勢差,因此在PN結的兩側產生光電動勢。

光敏電阻的原理基于光導性的影響:沒有光時,光敏電阻具有很高的電阻值。當有光時,當光子的能量大于材料的禁帶時,價帶中的電子會吸收光子的能量。過渡到導帶,激發成對的電子空穴可以導電,并降低電阻值;光停止后,自由電子和空穴復合,電導率降低,電阻恢復到原始值。

由于光電效應限于照射表面上的薄層,因此通常將半導體材料制成薄膜并賦予足夠的電阻。電水平是梳狀的,使得光敏電阻電極之間的距離短,并且載流子通過電極的時間更短。并且材料載體的壽命相對較長,因此具有很高的內部增益,以獲得高靈敏度。光電傳感器將非電信號轉換為要測量的電信號。通常,它包括三個部分。