光导效应及其应用

光导效应及其应用

一、光导效应的主要原理

由物理学光的粒子性可知，光是一束以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子。每个光子具有一定的能量，其大小等于普朗克常量乘以光的频率。当用光照射半导体时，原子中的价电子吸收光子能量后，被激发出来而形成自由电子，同时也产生空穴。此外，若半导体中掺有的杂质原子还处在没有全部被电离的温度范围内，即有的杂质原子还没有给出电子或空穴，光照射也能使这些杂志原子吸收光子能量后激发出电子或空穴。这些自由电子和空穴（光生载流子），使半导体材料的导电能力大大增强，即电导率增加，这种现象称为光电导效应，简称光导效应。具有光导效应的材料成为光导体。出金属外，大多数半导体和绝缘体材料都具有光导效应，但都很小。实际上只有少数几种材料能用来制造光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等光敏器件。

二、主要传感器介绍

(1)光敏电阻(photo resistors)光敏电阻是一种电阻器件，其工作原理如图1所示。使用时，可加直流偏压(无固定极性)，或加交流电压。

光敏电阻中光电导作用的强弱是用其电导的相对变化来标志的。禁带宽度较大的半导体材料，在室温下热激发产生的电子－空穴对较少，无光照时的电阻(暗电阻)较大。因此光照引起的附加电导就十分明显，表现出很高的灵敏度。

为了提高光敏电阻的灵敏度，应尽量减小电极间的距离。对于面积较大的光

图1 光敏电阻的工作原理图2 光敏电阻梳状电极

敏电阻，通常采用光敏电阻薄膜上蒸镀金属形成梳状电极。为了减小潮湿对灵敏度的影响，光敏电阻必须带有严密的外壳封装。光敏电阻灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜，因此在自动化技术中应用广泛。

(2)光敏二极管(photodiode) PN结可以光电导效应工作，也可以光生伏特效应工作。如图3所示，处于反向偏置的PN结，在无光照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子－空穴对，在结电场作用下，电子向N 区运动，空穴向P区运动，形成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此光照时的反向电流基本上与光强成正比。

图3 光电二极管原理图图4 光电三极管原理图

(3)光敏三极管(photo transistors) 它可以看成是一个bc结为光敏二极管的三极管。其原理和等效电路见图4。在光照作用下，光敏二极管将光信号转换成电流信号，该电流信号被晶体三极管放大。显然，在晶体管增益为β时，光敏三极管的光电流要比相应的光敏二极管大β倍。

光敏二级管和三极管均用硅或锗制成。由于硅器件暗电流小、温度系数小，又便于用平面工艺大量生产，尺寸易于精确控制，因此硅光敏器件比锗光敏器件更为普通。

图5 入射光方向与管壳轴线夹角示意图

光敏二极管和三极管使用时应注意保持光源与光敏管的合适位置(见图5)。因为只有在光敏晶体管管壳轴线与入射光方向接近的某一方位(取决于透镜的对称性和管芯偏离中心的程度)，入射光恰好聚焦在管芯所在的区域，光敏管的灵敏度才最大。为避免灵敏度变化，使用中必需保持光源与光敏管的相对位置不变。

三、光导传感器的主要应用

光敏电阻可广泛应用于各种光控电路，如对灯光的控制、调节等场合，也可用于光控开关，下面给出几个典型应用电路。

图6是一种典型的光控调光电路，其工作原理是：当周围光线变弱时引起

光敏电阻R

G

的阻值增加，使加在电容C上的分压上升，进而使可控硅的导通角

增大，达到增大照明灯两端电压的目的。反之，若周围的光线变亮，则R

G

的阻值下降，导致可控硅的导通角变小，照明灯两端电压也同时下降，使灯光变暗，从而实现对灯光照度的控制。

以光敏电阻为核心元件的带继电器控制输出的光控开关电路有许多形式，如自锁亮激发、暗激发及精密亮激发、暗激发等等，下面给出几种典型电路。

图2是一种简单的暗激发继电器开关电路。其工作原理是：当照度下降到

设置值时由于光敏电阻阻值上升激发VT

1导通，VT

2

的激励电流使继电器工作，

常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。

图6光控调光电路图7简单的暗激发光控开关（1）反射式表面缺陷传感器

反射式表面缺陷传感器工作用原理示意图如图8所示。图中所检测工件表面光滑时，由光源发射的光线经透镜汇聚在待检测工件表面，其反射光经透镜加好入射到光敏元器件；若待检测工件表面有缺陷时，反射光偏离原来光路，无法入射到光敏器件上，使其发出物体表面有缺陷的信号。

图8 反射式表面缺陷传感器原理图图9 液位检测器（2）液位检测器

图9是一种液位检测装置，在液体未升到发光二极管及光敏三极管平面时，红外发光二极管发出的红外线不会被光敏三极管接收；当液位上到发光二极管及光敏三极管平面时，由于液体的折射，光敏三极管接收到红外线从而获得液位信号。

（3）转速测量

图10 转速测量原理图

图10是转速测量工作原理简图。在被测电机的轴上固定一个光码盘（带孔圆盘或带齿圆盘），它将光源发出的恒定光变化成调制光。光每照射到光敏器件一次，光敏器件所在电路就导通一次，产生一个电脉冲信号。这种连续不断的电脉冲经过放大整形电路，然后用数字频率计测出电脉冲的频率，从而得到电机的转速。

参考文献

[1] 史延龄，李汉军，颜冬光电导效应与光敏元件.徐州工程兵指挥学院，221004

[2] 宋吉江，牛秩霞，光敏电阻的特性及应用.淄博学院机电工程系，255200

[3] 方佩敏，光电二极管与光电三极管