半导体光电效应传感器

4．6．1　半导体光电效应传感器

1）工作原理

半导体光电效应传感器的工作原理基于两个效应：光电导效应和光生伏特效应。

当光投射到半导体上时，光子的能量在半导体中激发出非平衡载流子而使载流子浓度加大，引起半导体电导率增加，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是利用这一效应制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是电阻元件，使用时可加直流电压，也可加交流电压。

图4．15为光敏电阻的工作原理图。当无光照时，半导体中载流子浓度小，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到光照时，半导体中的载流子急剧增加，阻值（亮电阻）急剧减小，因此电路的电流迅速增加。

图4．15　光敏电阻的工作原理

在光线作用下使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。

图4．16　光电伏特效应

图4．17　光电池工作原理示意图

光电池、光敏二极管、光敏三极管都有一个PN结（如图4．16所示）。当无光照时，PN结形成的势垒阻碍少数载流子的流动，但当光照到PN结上时，若光子能量足够大，将在PN结区附近激发电子-空穴对，在PN结电场作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区。若PN结的外电路没有连通，在PN结将出现光生电动势；当外电路连通时，就有电流从P区流经外电路至N区，如图4．17所示，这就是光电池的工作原理。

如果外电路不但有负载，而且还接一电池（如图4．18所示），则无光照时，少数载流子很少，电路呈阻断状态；有光照时，少数载流子增多，电路中电流变大，电路呈开通状态，这就是光敏二极管的工作原理。

图4．18　光敏二极管的工作原理

图4．19　光敏三极管的工作原理

光敏三极管可以看做是一个bc结为光敏二极管的三极管，如图4．19所示。在正常情况下，基极一集电极为受光结（相当于一个光敏二极管）。集电极相对发射极为正电压；而基极开路，则基极一集电极处于反向偏置。无光照照射时，由热激发产生少数载流子。电子从基极进入集电极，空穴从集电极移向基极，在外电路中有暗电流流过。当光照射在光敏面（bc结）上，bc结区产生光电载流子。由于集电极处于反向偏置，使内电场增强。在内电场作用下，光生电子漂移到集电极，在基极区留下空穴，使基极电位升高，促使发射极有大量电子经基极被集电极收集而形成放大的光电流。

集电极电流为：

式中：I_s为bc结的光生电流；β为光敏三极管的电流放大倍数。

2）特点和选用

光电效应传感器的测量系统具有非接触、高可靠性、高精度、反应快和结构简单等特点，故广泛用于自动检测技术领域。

选用元件时要注意以下两点：

（1）光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应的范围可以从紫外区域延伸到红外区域，而且体积小、性能稳定、价格较低，所以被广泛应用在自动化技术领域。但由于光敏电阻的光照特性曲线呈非线性，因此，它不宜作为线性测量用，只能用做开关式光电信号传感器。

（2）选用光电元件时应根据不同的光源，结合元件的特性参数来选用。例如，光源发出的是可见光，光电元件一般选用硅光敏二极管或三极管，也可选用频响高、灵敏度大的硅光电池。光敏电阻对不同波长的光灵敏度不同，因此，选用光敏电阻时也应结合光源来考虑。

3）使用注意事项

（1）不论是光敏电阻，还是光敏二极管、三极管，都要注意其规格和使用环境条件。例如，最高工作电压、耗散功率、光电流、环境温度、极间耐压等都是较重要的数据，在使用时不能超过规定值。

（2）光敏管的灵敏度与入射光的方向有关，因此光源与光敏管的相对位置应合适，且保持不变。

（3）光敏管要先进行老化处理，才能使性能稳定，特别是光敏电阻，在最初受到光照和外接负载后，灵敏度会明显降低。在人为地加温、光照和加负载情况下经1～2星期的老化，光电性能渐趋稳定，以后就基本不变了。