光電式、光導式光導纖維、以及光柵包栝光柵光纖傳感器的原理、結構、特性和應用。這三大類光電開關的原理是不相同的，但是它們都是利用光而研制的。前者是基于光電效應，后兩者是基于光在光纖和光柵中傳播時與外界因素調制而引起光的特性和光纖形態(tài)變化來實現(xiàn)其他物理量的測量的。
光電開關傳感器是一種將光量變化轉換為電量譜化的光電開關傳感器。它的物理基礎就是光電效應，。光電效應分為外光電效應和內(nèi)光電效應兩大類。
在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。向外發(fā)射的電子叫做光電子。基于外光電效應的光電器件有光電管、光電倍增管等。眾所周知，光子是具有能量的粒子，每個光子具有的能量可由一個科學的公式進行完成e=hv。
所以光的波長越短，即頻率越高，其光子的能量也越大。反之，光的波長越長，其光子的能量也就越小。光照射物體，可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能量超過逸出功a時，電子就會逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。根據(jù)能量守恒定理，如果一個電子要想逸出，光子能量h必須超過逸出功a，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。
光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功a不同的物質具有不同的逸出功，這意味著每一種物質都有一個對應的光頻閥值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子的能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，反之入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射子。
當入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。
光電子逸出物體表面具有初始動能，因此外光電效應器件，光電管即使沒有加陽極電壓，也會有光電流產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。
在內(nèi)光電效應方面當光照射在物體上，使物體的電阻率1/r發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的效應叫做內(nèi)光電效應。內(nèi)光電效應又可分為以下兩類：
1、光電導效應：在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導效應�；谶@種效應的光電器件有光敏電阻。
當光照射到光電導體上時，若這個光電導體為本征半導體材料，而且光輻射能量又足夠強，光電導材料價帶上的電子將被激發(fā)到導帶上去，從而使導帶的電子和介帶的空穴增加，致使光導體的電導率變大。為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導材料費的禁帶寬度。
2、光生伏特效應：在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應。基于該效應的光電器件有光電池、光敏二極管和光敏三極管。
勢壘效應：接觸的半導體和pn結中，當光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結光電效應。以pn結為例，光線照射pn結時，設光子能量大于禁帶寬度e，使價帶中的電子躍進遷到導帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向n區(qū)外側，被光澔發(fā)的空穴移向p區(qū)外側，從而使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負電，形成光電動勢。
側向光電效應：當半導體光電器件受光均勻時，則將產(chǎn)生載流子濃度梯度井而產(chǎn)生光電勢，稱這種現(xiàn)象為側向光電效應。當光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，光照部分載流子深度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照的部分擴散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射的部分帶負電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電勢。下面將向大家介紹利用外光電效應和內(nèi)光電效應制成的光電器件。
利用物質在光的照射下發(fā)射電子的所謂外光電效應而制成的光電開關的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。
光電管及其基本特性：
A：光電開關的結構與工作原理：光電管有真空光電管和充氣光電管兩類。它們由一個陰極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。當有光照在陰極上時，中央陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形的，置于玻璃管的中央。當有光照在陰極上時，中央陽極可以收集從陰極上逸出的電子，在外電場作用下形成電流。其中，充氣光電管內(nèi)充有少量的惰性氣體如氬或氖，當充氣光電管的陰極被光照射后，光電子在飛向陽極的途中，和氣體的原子發(fā)生碰撞而使氣體電離，因此增大了光電流，從而使光電管的靈敏度增加。但導致充氣光電管的光電流與入射光強度不成比例關系，因而使其具有定性較差、惰性大、溫度影響大、容易衰老等一系列缺點。是光電管的等效電路。目前由于放大技術的提高，對于光電管的靈敏度不再要求那樣嚴格，況且真空式光電管的靈敏度也正在不斷提高。在自動檢測儀表中，由于要求溫度影響小和靈敏度穩(wěn)定，所以一般都采用真空式光電管。
下面研究光電管的基本特性：光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、響應時間、峰值班探測率和溫度特性來描述。在此僅對最主要的特性作簡單介紹。
B：主要性能：光電管的伏安特性在一定的光照射下，光電器件的陽極所加電壓與陽陰極所產(chǎn)生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性。真空中光電管和充氣光電管的伏安特性分別是應用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。當入射光比較弱時，由于光電子較少，只要較低的陽極電壓就能收集到所有的光電子，而且輸出電流很快就可以達到飽和。當入射光比較強時，要使輸出電流達到飽和，則需要較高的陽極電壓。光電管的工作點應選在光電流與陽極電壓無關的飽和區(qū)內(nèi)。
由于這部分動態(tài)阻抗非常大，以至可以看作恒流源，能通過大的負載阻抗取出輸出電壓。當充氣光電管受光照射時，光電子在趲陽極的途中撞擊惰性氣體的原子，使其電離，從而使陽極電流急速增加。因此，充氣光電管不具有真空光電管的那種飽和特性。當達到充分離子化電壓附近時，陽極電流急速上升。急速上升部分的特性就是氣體放大特性，放大系數(shù)為五到十。由此可見充氣光電管的優(yōu)點是靈敏度高，但穩(wěn)定性較真空光電管的差。
光電管的光照特性：當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關系為光電管的光照特性。其特性曲線一表示銀氧銫陰極光電管的光照特性，光電流與光通量成線性關系。曲線二為銻銫陰極的光電管光照特性，它呈非線性關系。光照特性曲線斜率稱為光電管的靈敏度。
光電管的光譜特性：一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率，因此它們可用于不同的光說范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率，并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應選擇用不同材料的光電陰極。國產(chǎn)gd-4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的。
光電倍增管及其基本特性：當入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點幾微安，很不容易探測。這時常使用光電倍增管對電流進行放大。
1、光電倍增管的結構：光電倍增管由光陰極、次陰極以及陽極三部分組成。光陰極是由半導體光電材料銻銫做成。次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的。次陰極多的可達三十級。通常為十二到十四級。陽極是最后用來收集電子的，它輸出的是電壓脈沖。
2、工作原理：光電倍增管除光電陰極外，還有若干個倍增電極。使用時各個倍增電極上均加上電壓。陰極電位最低，從陰極開始，各個倍增電極的電位依次升高，陽極電位最高。同時這些倍增電極用次極發(fā)射材料制成，這種材料費在具有一定能量的電子轟擊下，能夠產(chǎn)生更多的次級電子。由于相鄰兩個倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場，對電子加速。從陰極發(fā)出的光電子，在電場的加速下，打到第一個倍增電極上，引起二次電子發(fā)射。每個電子能從這個倍增電極上打出三到六倍的次級電子。被打出來的次級電子在經(jīng)過電場的加速后，打在第二個倍增電極上，電子數(shù)又增加三到六倍，如此不斷倍增，陽極最后收集到的電子數(shù)將達到陰極發(fā)射電子數(shù)的指定倍數(shù)。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達到幾萬倍到幾億倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍以上。因此在很微弱的光照時，它就能產(chǎn)生很大的光電流，但是它要求幾千伏的工作電壓，因而，其結構復雜、笨重并易老化。
暗電流和本底脈沖：一般在使用光電倍增管時，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用，但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其他因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽可以用仍有電流，這種電流稱為暗電流。這種暗電流通常可以用補償電路加以消除。光電倍增管的陰極前面放一塊閃爍體，就構成閃爍計數(shù)器。閃爍體在受到人眼看不見的宇宙射線的照射后，光電倍增管就會有電流信號輸出，這種電流稱為閃爍計數(shù)器的暗電流，一般把它稱為本底脈沖。
光電倍增管的光譜特性：光電倍增管的光譜特性與相同材料費的光電管的光譜特性很相似。
在光的照射下電導性能改變或產(chǎn)生電動勢的器件叫做內(nèi)光電效應器件，常見的光電效應器件有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。
光電開關光敏電阻的結構和原理：光敏電阻又稱為光導管，幾乎都是用半導體材料制成。光敏電阻的結構較簡單。在玻璃底板上均勻地涂料上薄薄的一層半導體物質，半導體的兩端裝上金屬電極，使電極與半導體層可靠地接觸，然后，將它們壓入塑料封裝體內(nèi)。為了防止周圍繞介質的污染，在半導體光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜片成分的選擇應該使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小。
光敏電阻在受到光的照射時，由于內(nèi)光電效應使其導電性能增強，電阻值下降，所以流過負載電阻值的電流及其兩端電壓也隨之變化。光線越強，電流越大。當光照停止時，光電效應消失，電阻恢復原值，因而可將光信號轉換為電信號。并非一切純半導體都能顯示出光電特性，對于不具備這一條件的物質可以加入雜質使之產(chǎn)生光電效應特性。用來產(chǎn)生這種效應的物質由金屬的硫化物、硒化物、碲化物等組成，如硫化鎘、硫化鉛、硫化鉈、碲化鉛等。光敏電阻的使用取決于它的一系列特性，如暗電流、光電流、光敏電阻的伏安特性、光照特性、光譜特性、頻率特性、溫度特性以及光敏電阻的靈敏度、時間常數(shù)和最佳工作電壓等。光敏電阻具有很高的靈敏度、很好的光譜特性、很長的使用壽命、高度的穩(wěn)定性能、很小的體積以及簡單的制造工藝，所以被廣泛地應用于自動化技術中。
光電開關光敏電阻的特性：光敏電阻在未受到光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。在受到光照射時的電阻稱為亮電阻，此時的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。一般暗電阻越大，亮電阻越小，光敏電阻的靈敏度越高。光敏電阻的暗電阻的阻值一般在兆歐數(shù)量級，亮電阻在幾千歐以下。暗電阻與亮電阻之比一般在指定值范圍之間，這個數(shù)值是相當可觀的。
一般光敏電阻如硫化鉛、硫化鉈的伏安特性曲線可知，所加的電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和現(xiàn)象。在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照的增強而增大。
光敏電阻的光照特性：用于描述光電流和光照強度之間，絕大多數(shù)光敏電阻的光照特性曲線是非線性的。不同光敏電阻的光照特性是不相同的。光敏電阻不宜作線性測量元件，一般用作開關式的光電轉換器。
光電開關光敏電阻的光譜特性：幾種常見的光電開關中的光敏電阻材料的光譜特性對于不同波長的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，而硫酸化鉛的峰值在紅外區(qū)域。因此在選用光敏電阻時應當把元件和光源的種類結合起來考慮，才能獲得滿意的的結果。
光電開關的光敏電阻的順應時間和頻率特性：實驗證明，光敏電阻的光電流不能立刻隨著光照量的改變而立即改變，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的延遲性，這個延遲性通常用時間常數(shù)來描述。所謂時間常數(shù)即為光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的百分之六十三所需要的時間，因此，時間常數(shù)越小，響應越迅速。但大多數(shù)光敏電阻的時間常數(shù)都較大，這是它的缺點之一。硫化鎘和硫化鉛的光敏電阻的頻率特性。硫酸化鉛的使用頻率范圍最大，其他都較差。目前正在通過工藝改進來改善各種材料費光敏電阻的頻率特性。
光電開關中的光敏電阻的溫度特性：隨著溫度不斷升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，同時溫度變化也影響它的光譜特性。硫酸化銅的光譜溫度特性曲線。它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動，因此有時為了提高元件的靈敏度，或為了能夠接受較長波段的紅外輻射，而采取一些致冷措施。
光電開關的光電池介紹：光電開關的光電池是在光線照射下，直接能將光量轉變?yōu)殡妱觿萘Φ墓怆娫�。實質上它就是電壓源。這種光電器件是基于光生伏特效應。光電開關的光電池種類很多，有硒光電池、氧化亞銅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。其中最受重視的是硅光電池和硒光電池，因為它們有一系列優(yōu)點，例如性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉換效率高、能耐高溫和輻射等。另外，由于硒光電池的光譜峰值班位于人眼的視覺范圍內(nèi)，所以很多分析食品、測量方法儀表也常常用它。下面著重介紹佳和硒兩種光電開關的光電池。
光電開關光電池結構原理：硅光電池是在一塊n型硅片上，用擴散熱器的方法摻入一些p型雜質，形成的pn結，入射光照射在pn結上時，若光子能量大于半導體材料費的禁帶寬度，則在pn結內(nèi)產(chǎn)生電子空們對，在內(nèi)電場的作用下，空穴移向p型區(qū)，電子移向n型區(qū)，使p型區(qū)帶正電，n型區(qū)帶負電，因而pn結產(chǎn)生電勢。
硒光電池是在鋁片上涂料硒，再用濺射的工藝，在本層上形成一層半透明的氧化鎘。在正反兩面噴上低溶合金作為電極。在光線照射下，鎘材料費帶負電，硒材料上帶正電，形成的光電流或光電勢力。
光電開關光電池主要特性：硒光電池和硅光電池的光譜特性曲線。從曲線上可以看出，不同的光電池，光譜峰值的位置不同。命名如硅光電池在8000a附近，硒光電池在5400a附近。硅光電池的光譜范圍廣，即為4500-11000a之間，硒光電池的光譜范圍為3400-75000a。因此硒光電池適用于于可見了光，常用于照度計測定光的強度。在實際使用中，應根據(jù)光源性溫度為2850k時，能夠獲得最佳光亦響應。但是要注意，光電池光譜值位置不僅和制造光電池的材料有關，同時也和制造工藝有關，而且也隨著使用溫度的不同而有所移動。
光電池的光照特性：光電池在不同的光強照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢。硅光電池的光照特性曲線。從曲線可以看出，短路電流在很大范圍內(nèi)與光強成線性關系。開路電壓隨光強變化是非線性的，并且當照度在20001x時就趨于飽和了。因此把光電池作為測量元件時，應把它當作電流源的形式來使用，不宜用作電壓源。
所謂光電池的短路電流，是反映外接負載電阻相對于光電池內(nèi)阻很小時的光電流。而光電池的內(nèi)阻是隨著照度增加而減小的，所以在不同照度下可用大小不同的負載電阻作為近似短路條件。從實驗中知道，負載電阻越小，光電流與照度之間的線性關系密切越好，且線性范圍越寬。對于不同的負載電阻，可以在不同的照度范圍內(nèi)，使光電流與光強保持線性關系。所以應用光電池作測量元件時，所用負載電陰的大小，應根據(jù)光強的具體情況而定。總之，負載電阻越小越好。
光電開關的光電池的頻率特性：光電池在作為測量、計數(shù)、接收元件時，常用交變光照。光電池的頻率特性就是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關系。從曲線可以看出，硅光電池有很高的頻率響應，可應用在高速計數(shù)、有聲電影等方面。這是硅光電池在所有光電元件中最為突出的優(yōu)點。
光電開關的光電池的溫度特性：光電開關傳感器光電池的溫度特性主要描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關系密切到應用光電池設備的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等主要指標，因此它是光電池的重要特性之一。光電池的溫度特性曲線看出，開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。因此當光電池作測量元件時，在系統(tǒng)設計中應該考慮到溫度的漂移，從而采取相應的措施來進行補償。 |
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