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光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照射下,产生光子效应,使材料电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化,可以知道红外辐射的强弱利用光子效应所制成的红外传感器,统称光子传感器。按照光子传感器的工作原理,一般可分为内光电和外光电传感器两种。
1、外光电传感器
在光线的作用下,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。
光电管
光电管的结构与工作原理:
光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似,如图。它们由个阴极和一个阳极构成并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上,其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形,置于玻璃管的中央。
光电管的伏安特性:
在一定的光照射下,对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。
光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。
光电倍增管
当入射光很微弱时,普通光电管产生的光电流很小,只有零点几μA,很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大。
光电倍增管是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电倍增建立在外光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上,结合了高增益、低噪声高频率响应和大信号接收区等特征,是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光敏电真空器件,可以工作在紫外、可见和近红外区的光谱区。日盲紫外光电倍增管对日盲紫外区以外的可见光、近紫外等光谱辐射不灵敏,具有噪声低(暗电流小于1A)、响应快、接收面积大等特点。
2、内光电传感器
在光线作用下,物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类:
(1)光电导效应在光线作用下,对于半导体材料吸收了入射光子能量,若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度,就激发岀电子-空穴对,使载流子浓度増加,半导体的导电性增加,阻值减低,这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。
(2)光生伏特效应在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。
光电导传感器之光敏电阻
在光线作用,电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态,而引起材料电导率的变化,这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值(亮电阻)急剧减少,电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。
光敏电阻的主要参数
(1)暗电阻
光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。
(2)亮电阻
光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。
(3)光电流
亮电流与暗电流之差称为光电流。
光生伏特传感器之光敏二极管
光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体极管在结构上是类似的,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。常见的有2CU、2DU等系列。
光敏二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时,反向电流很小(一般小于0.1微安),称为暗电。当有光照时,携带能量的光子进入PN结后,把能量传给共价键上的束缚电子,使部分电子挣脱共价键,从而产生电子一空穴对,称为光生载流子们在反向电压作用下参加漂移运动,使反向电流明显变大,光的强度越大,反向电流也越大。这种特性称为"光电导"。光敏二极管在一般照度的光线照射下,所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载,负载上就获得了电信号,而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
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