9.7.1光電效應(yīng)及光電器件
光電傳感器是將光量轉(zhuǎn)換為電量。光電器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。
1. 外光電效應(yīng)
在光線作用下，物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)。，光電子逸出時(shí)所具有的初始動(dòng)能Ek與光的頻率有關(guān)，頻率高則動(dòng)能大
由于不同材料具有不同的逸出功，因此對(duì)某種材料而言便有一個(gè)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，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(lái)，這個(gè)頻率限稱為“紅限頻率” 。
基于外光電效應(yīng)的光電器件屬于光電發(fā)射型器件，有光電管、光電倍增管等。光電管有真空光電管和充氣光電管。
|
真空光電管 | |
|
在一個(gè)真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極,一個(gè)是光電陰極,一個(gè)是光電陽(yáng)極。工作原理 | |
2. 內(nèi)光電效應(yīng)
受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料)電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。
（1）光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻(光電導(dǎo)型)和反向工作的光敏二極管、光敏三極管(光電導(dǎo)結(jié)型)。?
|
光敏電阻(光導(dǎo)管) | |
|
在黑暗的環(huán)境下，它的阻值很高；當(dāng)受到光照并且光輻射能量足夠大時(shí)，光導(dǎo)材料禁帶中的電子受到能量大于其禁帶寬度ΔEg 的光子激發(fā)，由價(jià)帶越過(guò)禁帶而躍遷到導(dǎo)帶，使其導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，電阻率變小。
| |
|
光敏二極管和光敏三極管 | |
|
|
光敏管的工作原理與光敏電阻是相似的，其差別只是光照在半導(dǎo)體結(jié)上而已。 |
(2) 光生伏特效應(yīng)：是指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。因此光生伏特型光電器件是自發(fā)電式的，屬有源器件。以可見(jiàn)光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件，硒和硅是光電池常用的材料，也可以使用鍺。
|
硅光電池 | |
|
硅光電池也稱硅太陽(yáng)能電池，它是用單晶硅制成，在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成一個(gè)大面積的P-N結(jié)，P層做得很薄,從而使光線能穿透到P-N結(jié)上。硅太陽(yáng)能電池具有輕便、簡(jiǎn)單，不會(huì)產(chǎn)生氣體或熱污染，易于適應(yīng)環(huán)境。因此凡是不能鋪設(shè)電纜的地方都可采用太陽(yáng)能電池，尤其適用于為宇宙飛行器的各種儀表提供電源。 | |