光电传感器特性分析

光电效应通常分为外光电效应和光电效应两大类。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。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，
+8V、+10V
时
5
个光电流数据，即
I ph
UR 1.00K
,同时算出此时光敏电阻的阻值
Rp
U
UR I ph
。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。
（3）根据实验数据画出光敏电阻的一组伏安特性曲线。
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光 强 （ lx) 46.8
UR(V) U(V)
I(mA)
5 4 3 2 1 0
2
光敏电阻伏安特性曲线
4
6
8
10
U(V)
46.8Lx 317.5Lx 1099Lx 2688.9Lx 6436.7Lx
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
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光电传感器特性分析
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
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,在一个能带的亚能级结构间(即图 1 中
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每个能带的细线间)跃迁。
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KEλ=hhwνc0=Eg,其中 ν0 是低频限(即极限频率
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.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
2
0.056
4
0.113
6
0.174
8
0.232
10
0.290
315.7
0.203 0.412 0.621 0.831 1.040
1099
0.404 0.830 1.245 1.670 2.088
2688.9
5436.7
0.614 1.251 1.874 2.505 3.139
0.810 1.643 2.457 3.281 4.103
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
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：
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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
图 2 光敏二极管特性测试电路
（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）。
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12 隔mv)时2 ,价h带v 中w的电子就会吸收光子的能量,跃迁到
图 1 光敏电阻伏安特性测试电路
（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、
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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