光电传感器工作原理、分类及特性详解（收藏）-EDA365

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光电传感器工作原理、分类及特性详解（收藏）

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光电传感器是一种小型电子设备，各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件。它主要是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。

光电传感器

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电效应原理

光电元件是光电传感器中最重要的组成部分，它的核心工作原理是不同类型的光电效应。根据波粒二象性，光是由光速运动的光子所组成，当物体受到光线照射时，其内部的电子吸收了光子的能量后改变状态，自身的电性质也会发生改变，这样的现象称为光电效应。

根据电属性状态的不同变化，将光电效应分为以下三种：

1）外光电效应

在光线作用下使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电元件有光电管，光电倍增管等

2）光电导效应

半导体内的电子吸收光子后不能跃出半导体，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应。内光电效应按其工作原理可分为光电导效应和光生伏特效应。基于光电导效应的光电元件有光敏电阻，光敏晶体管等

3）光生伏特效应

在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元件有光电池和光敏二极管、三极管等

光电元件工作原理

基于不同的光电效应，我们来看一下他们分别是如何工作的：

外光电效应器件

利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。

以光电管为例，当入射光照射在阴极上时，单个光子把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射，这种电子称为光电子。只有当入射光的频率高于极限频率时，才会产生光电子。

光电子产生之后，被真空管中的阳极所吸收，从而产生电流。若此时增加光照强度，更多的光子将会照射到阴极材料，从而产生更多光电子，光电流也会相应增加。在电阻R值确定的情况下，回路中的光电流与入射光的光照强度成函数关系，从而实现光电转化，通过测量电路读取电流数，即可算出光照强度。

内光电效应器件

利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。

根据能带理论，自由原子中电子具有的能量状态不是任意的，电子只能存在在一定的能级上。能带分为价带、禁带和导带。电子可以在导带中流动，不可以在价带中流动，在外界影响下，电子可由价带越过带隙进入到导带，从而改变导体的电阻。

不同导体的带隙厚度不一样，如下图所示，绝缘体的带隙较宽，导致电子很难从价带跃迁至导带，所以其电阻很大；金属导体没有带隙，其价带和导带相连，因此导电性能好。

电子吸收光子能量后，由价带跃迁至导带从而改变导体电阻的现象称为内光电效应。利用该效应可以制作光敏电阻，通过观察电阻的变化来确定被测光量。

光生伏特效应器件

光生伏特效应简称光伏效应，指的是物体在受到光照之后产生电动势的现象。光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。具体的工作原理如下：

光伏电池在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成的一个大面积PN结，P区有大量的空穴，N区有大量的电子。当光照射P区表面时，若光子能量大于硅的禁带宽度，则在P型区内每吸收一个光子便产生一个电子—空穴对，P区表面吸收的光子越多，激发的电子空穴越多，越向PN结区越少。由于PN结内电场的方向是由N区指向P区的，它使扩散到PN结附近的电子—空穴对分离，光生电子被推向N区，光生空穴被留在P区。从而使N区带负电，P区带正电，形成光生电动势。若用导线连接P区和N区，电路中就有光电流流过。