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 普通高等教育“十一五” 国家级规划教材传感器原理及应用(第3版) 王化祥 张淑英 编著 第8章 固态传感器 §8-2 光敏传感器 一、光电效应 光电器件的物理基础是光电效应。光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。 (一)外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。 我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量由下式确定 E=hν(8-36) 传感器原理及应用 式中 h=6.626×10-34(J·s)为普朗克常数; ν——光的频率(s-1)。 若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生光电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量hν必须超过逸出功A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能，即 hν=12mv20+A0(8?37) 式中 m——电子质量; v0——电子逸出速度。 传感器原理及应用 (8-37)式即称爱因斯坦光电效应方程。由该式可知以下三点。 ①光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面逸出功。这意味着每一种物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率。光线的频率小于红限频率，光子的能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射;反之，入射光频率高于红限频率，既使光线微弱，也会有光电子发射出来。 ②入射光的频谱成分不变，产生的光电与光强成正比。光愈强，意味着入射光子数目多，逸出的电子数也越多。 ③光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此光电管即便没加阳极电压，也会有光电流产生。为使光电流为零，必须加负的截止电压，而截止电压与入射光的频率成正比。 传感器原理及应用 (二)内光电效应 受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。 ①光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 要产生光电导效应，光子能量hν必须大于半导体材料的禁带宽度Eg，由此入射光能导出光电导效应的临界波长λ0为 λ0≈1 239Eg nm(8?38) 传感器原理及应用 ②光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏晶体管。 本节重点介绍基于半导体内光电效应的光电转换器件。 传感器原理及应用 二、光敏电阻 光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电器件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽;体积小、质量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点。 (一)光敏电阻的原理和结构 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导材料的禁带宽度Eg，即 hν=hcλ=1.24λ≥Eg eV 式中 ν和λ——入射光的频率和波长。 传感器原理及应用 也就是说，一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有波长小于λC的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。 光敏电阻的结构很简单，图8-41(a)所示为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。管心是一块安装在绝缘衬底上的带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，见图8-41(b)。它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种梳状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图8-