傳感技術(shù)與測控系統(tǒng)

1、傳感技術(shù)與測控系統(tǒng)傳感技術(shù)與測控系統(tǒng) 2013.12.22 凌 振 寶 期刊雜志 廣義：廣義： 傳感器是一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）傳感器是一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物） 按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件和裝置。按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件和裝置。 狹義：狹義： 能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件。能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件。 國家標(biāo)準(zhǔn)（國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-2005）：）： 對傳感器（對傳感器（Transducer/Sensor）的定義：）的定義： 能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用 輸

2、出信號的器件或裝置。輸出信號的器件或裝置。 傳感器的定義傳感器的定義 輔助電源輔助電源 敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路 被測量被測量 電量 敏感元件敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定直接感受被測量，并輸出與被測量成確定 關(guān)系的某一物理量的元件。關(guān)系的某一物理量的元件。 轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入 轉(zhuǎn)換成電路參量。轉(zhuǎn)換成電路參量。 基本轉(zhuǎn)換電路基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡 稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。 物理、化學(xué)、物理

3、、化學(xué)、 生物信息生物信息 工作 機(jī)理 傳感器原理 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng) 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng) 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng) 應(yīng)變應(yīng)變效應(yīng)效應(yīng) 塞曼效應(yīng)塞曼效應(yīng) 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 磁光效應(yīng)磁光效應(yīng) 熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng) 約瑟夫遜效應(yīng)約瑟夫遜效應(yīng) 1.1.應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng) 定義：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻定義：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻 值將發(fā)生變化。值將發(fā)生變化。 設(shè)有一根長度為設(shè)有一根長度為l、截面積為、截面積為S、電阻率為、電阻率為的金屬絲的金屬絲 ，其電阻，其電阻R為為 兩邊取對數(shù)，得兩邊取對數(shù)，得 等式兩邊取微分，得

4、等式兩邊取微分，得 S l R SlRlnlnlnln S dS l dld R dR dr/r為金屬絲半徑的相對變化，即徑向應(yīng)變?yōu)闉榻饘俳z半徑的相對變化，即徑向應(yīng)變?yōu)閞。 S= r 2dS /S=2dr/r r= 由材料力學(xué)知由材料力學(xué)知 將微分將微分dR、d改寫成增量改寫成增量R、，則，則 )1 ()21 ( d l dld R dR S K l l llR R ) / / 21 ( 金屬絲電阻的相對變化與金屬絲的伸長或縮短之間存金屬絲電阻的相對變化與金屬絲的伸長或縮短之間存 在比例關(guān)系。在比例關(guān)系。比例系數(shù)比例系數(shù)KS稱為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)稱為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)。 物理意義：單位應(yīng)變

5、引起的電阻相對變化。物理意義：單位應(yīng)變引起的電阻相對變化。 KS由兩部分組成：由兩部分組成： 前一部分（前一部分（1+2）：由材料的幾何尺寸變化引起，一般）：由材料的幾何尺寸變化引起，一般 金屬金屬0.3，因此（，因此（1+2）1.6； 后一部分后一部分 ：電阻率隨應(yīng)變而引起的（稱：電阻率隨應(yīng)變而引起的（稱“壓阻壓阻 效應(yīng)效應(yīng)”）。）。 對金屬材料，以前者為主，則對金屬材料，以前者為主，則KS 1+2； 對半導(dǎo)體，對半導(dǎo)體， KS值主要由電阻率相對變化所決定。值主要由電阻率相對變化所決定。 實驗表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對變化與實驗表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對變化與 軸向應(yīng)

6、變成正比。通常軸向應(yīng)變成正比。通常KS在在1.83.6范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 ll / / S K l l llR R ) / / 21 ( 2. 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng) 固體材料在應(yīng)力作用下發(fā)生形變時，其電阻率發(fā)固體材料在應(yīng)力作用下發(fā)生形變時，其電阻率發(fā) 生變化的現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)。生變化的現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)。 21 d R dR 21 R dR Ed 2121E R dR 對半導(dǎo)體材料對半導(dǎo)體材料 對金屬材料對金屬材料 電阻相對變化量電阻相對變化量 壓阻系數(shù)壓阻系數(shù) 應(yīng)力應(yīng)力 E彈性模量彈性模量 E R dR 由于由于E一般都比（一般都比（1+2）大幾十倍甚至上百倍，因此，引起）大幾十倍甚至上百倍，因

7、此，引起 壓阻效應(yīng)的主要原因是壓阻效應(yīng)的主要原因是半導(dǎo)體材料電阻相對變化半導(dǎo)體材料電阻相對變化，則上式可近，則上式可近 似寫成似寫成 3. 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng) 若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以 與電流垂直或平行的外磁場，則其電阻值增加。與電流垂直或平行的外磁場，則其電阻值增加。 這種現(xiàn)象稱為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻這種現(xiàn)象稱為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻 效應(yīng)。效應(yīng)。 22 00 0 273. 0B 載流子的遷移率載流子的遷移率 w 4.4.霍耳效應(yīng)霍耳效應(yīng)Hall effect 當(dāng)電流垂直于外磁場方向通過導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄當(dāng)電流垂直于外磁場方向通

8、過導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄 片時片時,在垂直于電流和磁場方向的兩側(cè)產(chǎn)生電勢差在垂直于電流和磁場方向的兩側(cè)產(chǎn)生電勢差 的現(xiàn)象叫做的現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。 設(shè)霍耳片的長度為設(shè)霍耳片的長度為l，寬度為，寬度為w，厚度為，厚度為d。 又設(shè)電子以均勻的速度又設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動，則在垂直方向施運(yùn)動，則在垂直方向施 加的磁感應(yīng)強(qiáng)度加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它受到的作用下，它受到洛侖茲力洛侖茲力 q電子電量電子電量(1.6210- -19C)； v電于運(yùn)動速度。電于運(yùn)動速度。 同時，作用于電子的同時，作用于電子的電場力電場力 qvBf L wqUqEf HHE / wqUqvB H / 當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時當(dāng)達(dá)到

9、動態(tài)平衡時 dnqvwdjwI dnqwIv/ pqdIBU H / 霍耳電勢霍耳電勢UH與與 I、B的乘積成正比，而與的乘積成正比，而與d成反比。于成反比。于 是可改寫成：是可改寫成： d IB RU HH 電流密度電流密度 j=nqv nNnN型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 中的電子濃度中的電子濃度 N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 R RH H霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定?；舳禂?shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。材料電阻率材料電阻率 pPpP型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 中的孔穴濃度中的孔穴濃度 型）（ 型）（ P qp R N qn R H H 1 1 載流子遷移率載流子遷移率, ,= =v v/E

10、,/E,即單位電場強(qiáng)度作用下載流子的平均即單位電場強(qiáng)度作用下載流子的平均 速度。速度。 金屬材料，電子金屬材料，電子很高但很高但很小，絕緣材料，很小，絕緣材料，很高但很高但很小。很小。 故為獲得較強(qiáng)霍耳效應(yīng)，霍耳片全部采用半導(dǎo)體材料制成。故為獲得較強(qiáng)霍耳效應(yīng)，霍耳片全部采用半導(dǎo)體材料制成。 nqdIBU H / 設(shè)設(shè) KH=RH / d KH霍耳器件的乘積靈敏度。它與載流材料的物理霍耳器件的乘積靈敏度。它與載流材料的物理 性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單 位控制電流時霍耳電勢的大小。位控制電流時霍耳電勢的大小。 若磁感應(yīng)強(qiáng)度若磁感應(yīng)強(qiáng)度B

11、的方向與霍耳器件的平面法線夾角的方向與霍耳器件的平面法線夾角 為為時，霍耳電時，霍耳電勢勢應(yīng)為：應(yīng)為： UH KH I B UH KH I B cos 注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出 霍耳電霍耳電勢的方向也改變。但當(dāng)磁場與電流同時改勢的方向也改變。但當(dāng)磁場與電流同時改 變方向時，變方向時，霍耳電霍耳電勢并不改變方向。勢并不改變方向。 討論：討論： 任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不 是都可以制造霍爾元件是都可以制造霍爾元件 絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很小，不適用；絕緣材料電阻率很大，

12、電子遷移率很小，不適用； 金屬材料電子濃度很高，金屬材料電子濃度很高，R RH H很小，很小，U UH H很小。很小。 半導(dǎo)體電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以半導(dǎo)體電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以 霍爾元件多采用霍爾元件多采用N N型半導(dǎo)體（多電子）。型半導(dǎo)體（多電子）。 v由上式可見，厚度由上式可見，厚度d d越小，霍爾靈敏度越小，霍爾靈敏度 K KH H越大，越大， 所以霍爾元件做的較薄，通常近似所以霍爾元件做的較薄，通常近似1 1微米。微米。 5.5.電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng) 6 6、熱電效應(yīng)、熱電效應(yīng) 兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A A和和B B組合成閉合回路，組合

13、成閉合回路， 若導(dǎo)體若導(dǎo)體A A和和B B的連接處溫度不同（設(shè)的連接處溫度不同（設(shè)T TT T0 0），）， 則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回 路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。 這種現(xiàn)象早在這種現(xiàn)象早在18211821年首先由西拜克（年首先由西拜克（SeeSeebackback） 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn), ,所以又稱西拜克效應(yīng)。所以又稱西拜克效應(yīng)。 熱電偶原理圖熱電偶原理圖 TT0 A B 回路中所產(chǎn)生的電動回路中所產(chǎn)生的電動 勢，叫熱電勢。熱電勢，叫熱電勢。熱電 勢勢thermo-electric force 由

14、兩部分組成，即由兩部分組成，即溫溫 差電勢和接觸電勢。差電勢和接觸電勢。 熱端熱端冷端冷端 （1 1） 接觸電勢接觸電勢 + AB T eAB(T) - B A AB N N e kT Teln)( eAB(T)導(dǎo)體導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度結(jié)點(diǎn)在溫度T 時形成的接觸電動勢；時形成的接觸電動勢； e單位電荷，單位電荷， e =1.610-19C； k波爾茲曼常數(shù)，波爾茲曼常數(shù)， k =1.3810-23 J/K ； NA、NB 導(dǎo)體導(dǎo)體A、B在溫度為在溫度為T 時的電子密度。時的電子密度。 接觸電勢的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。接觸電勢的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。 接觸電勢接觸

15、電勢 原理圖原理圖 AeA(T,To) To T eA(T，T0)導(dǎo)體導(dǎo)體A兩端溫度為兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢；時形成的溫差電動勢； T，T0高低端的絕對溫度；高低端的絕對溫度； A湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為兩端的溫度差為1時所產(chǎn)生的時所產(chǎn)生的 溫差電動勢，例如在溫差電動勢，例如在0時，銅的時，銅的 =2V/。 （2） 溫差電勢溫差電勢 dTTTe T T AA 0 ),( 0 溫差電勢原理圖溫差電勢原理圖 由導(dǎo)體材料由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為T、 T0,如果如果TT0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個

16、溫差電，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電 勢，回路總電勢：勢，回路總電勢： BT AT N N e kT ln 0 0 ln 0 BT AT N N e kT dT T T BA 0 )( T0T eAB(T)eAB(T0) eA(T,T0) eB(T,T0) A B （3）回路總電勢）回路總電勢 ),(),()()(),( 0000 TTeTTeTeTeTTE BAABABAB NAT、NAT0導(dǎo)體導(dǎo)體A在結(jié)點(diǎn)溫度為在結(jié)點(diǎn)溫度為T和和T0時的電子密度；時的電子密度； NBT、NBT0導(dǎo)體導(dǎo)體B在結(jié)點(diǎn)溫度為在結(jié)點(diǎn)溫度為T和和T0時的電子密度；時的電子密度； A 、 B導(dǎo)體導(dǎo)體A和和B的湯姆遜

17、系數(shù)。的湯姆遜系數(shù)。 導(dǎo)體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩導(dǎo)體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩 端的溫度有關(guān)。如果使端的溫度有關(guān)。如果使E EAB AB( (T T0 0)= )=常數(shù)，則回路熱常數(shù)，則回路熱 電勢電勢E EAB AB( (T T， ，T T0 0) )就只與溫度就只與溫度T T有關(guān)，而且是有關(guān)，而且是T T的單的單 值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。 只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同，熱電偶的兩導(dǎo)體材只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同，熱電偶的兩導(dǎo)體材 料不同時才能有熱電勢產(chǎn)生。料不同時才能有熱電勢產(chǎn)生。 熱電偶回路熱電勢的大小只與組成熱電偶的材料

18、熱電偶回路熱電勢的大小只與組成熱電偶的材料 及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細(xì)無關(guān)。及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細(xì)無關(guān)。 只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體或半導(dǎo)體)才能組合成熱才能組合成熱 電偶；相同材料不會產(chǎn)生熱電勢，因為當(dāng)電偶；相同材料不會產(chǎn)生熱電勢，因為當(dāng)A、B 兩種導(dǎo)體是同一種材料時，兩種導(dǎo)體是同一種材料時，ln(NA/NB)=0，也即，也即 EAB(T，T0)=0。 在實際測量中只需用儀表測出回路中總電勢即可。由于在實際測量中只需用儀表測出回路中總電勢即可。由于 溫差電勢與接觸電勢相比較，其值很小，因此，在工程溫差電勢與接觸電勢相比較，其值很小，因此，在工程

19、 技術(shù)中認(rèn)為熱電勢近似等于接觸電勢。技術(shù)中認(rèn)為熱電勢近似等于接觸電勢。 在工程應(yīng)用中，測出回路總電勢后，用查熱電偶分度表在工程應(yīng)用中，測出回路總電勢后，用查熱電偶分度表 的方法確定被測溫度。的方法確定被測溫度。 7.7.約瑟夫遜效應(yīng)約瑟夫遜效應(yīng) 該圖是兩塊超導(dǎo)體中間隔該圖是兩塊超導(dǎo)體中間隔 著一厚度僅著一厚度僅1030的絕緣介質(zhì)的絕緣介質(zhì) 層而形成的層而形成的 “超導(dǎo)體超導(dǎo)體絕緣絕緣 層層超導(dǎo)體超導(dǎo)體”的結(jié)構(gòu)，通常稱這的結(jié)構(gòu)，通常稱這 種結(jié)構(gòu)為超導(dǎo)隧道結(jié)，也稱約瑟種結(jié)構(gòu)為超導(dǎo)隧道結(jié)，也稱約瑟 夫遜夫遜結(jié)。中間的薄層區(qū)域稱為結(jié)區(qū)。這種超導(dǎo)隧道結(jié)具有特結(jié)。中間的薄層區(qū)域稱為結(jié)區(qū)。這種超導(dǎo)隧道結(jié)具有

20、特 殊而有用的性質(zhì)。殊而有用的性質(zhì)。 絕緣層絕緣層 超導(dǎo)體超導(dǎo)體超導(dǎo)體超導(dǎo)體 超導(dǎo)結(jié)示意圖超導(dǎo)結(jié)示意圖 超導(dǎo)電子能通過絕緣介質(zhì)層，表現(xiàn)為電流能夠無阻擋地超導(dǎo)電子能通過絕緣介質(zhì)層，表現(xiàn)為電流能夠無阻擋地 流過，表明夾在兩超導(dǎo)體之間的絕緣層很薄且具有超導(dǎo)流過，表明夾在兩超導(dǎo)體之間的絕緣層很薄且具有超導(dǎo) 性。約瑟夫遜結(jié)能夠通過很小超導(dǎo)電流的現(xiàn)象，稱為超性。約瑟夫遜結(jié)能夠通過很小超導(dǎo)電流的現(xiàn)象，稱為超 導(dǎo)隧道結(jié)的約瑟夫遜效應(yīng)，也稱直流約瑟夫遜效應(yīng)。超導(dǎo)隧道結(jié)的約瑟夫遜效應(yīng)，也稱直流約瑟夫遜效應(yīng)。超 導(dǎo)結(jié)在直流電壓作用下可產(chǎn)生交變電流，從而輻射和吸導(dǎo)結(jié)在直流電壓作用下可產(chǎn)生交變電流，從而輻射和吸 收電磁

21、波。這種特性稱為交流約瑟夫遜效應(yīng)。收電磁波。這種特性稱為交流約瑟夫遜效應(yīng)。 8.8.塞曼效應(yīng)塞曼效應(yīng) x S S N v2v0v1 O v2 v0 v1 z y 塞曼效應(yīng)：正常和反常塞曼效應(yīng)塞曼效應(yīng)：正常和反常塞曼效應(yīng) 正常塞曼效應(yīng)：在弱磁場正常塞曼效應(yīng)：在弱磁場 中中,電子自旋量子數(shù)為零時電子自旋量子數(shù)為零時 (S=0)產(chǎn)生的塞曼效應(yīng)。產(chǎn)生的塞曼效應(yīng)。 反常塞曼效應(yīng)：在弱磁場反常塞曼效應(yīng)：在弱磁場 中中,電子自旋量子數(shù)不為零電子自旋量子數(shù)不為零 (S0)時產(chǎn)生的塞曼效應(yīng)時產(chǎn)生的塞曼效應(yīng) 光泵式磁敏傳感器，不管是堿金屬光泵式磁敏傳感器，不管是堿金屬Cs、Rb還是還是He4、He3光泵傳光泵傳

22、感器，電子自旋量子數(shù)均不為零（感器，電子自旋量子數(shù)均不為零（S0），并且均是在弱磁場中），并且均是在弱磁場中 工作，故屬反常塞曼效應(yīng)。工作，故屬反常塞曼效應(yīng)。 成分 成分 9.9.壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 壓電元件壓電元件 機(jī)械能 電能 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 10.10.光電效應(yīng)光電效應(yīng) 定義：是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電定義：是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電 子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原 理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電理基于光電效應(yīng)。光

23、電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電 效應(yīng)兩大類。效應(yīng)兩大類。 （1 1）外光電效應(yīng)）外光電效應(yīng) 在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外 發(fā)射的現(xiàn)象發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光 電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍 增管等。增管等。 光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：光子是具有能量的粒子，每個光子的能量： E=h h普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.62610-34Js；光的頻率（光的頻率（s-1） 根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個電子只能接受一個光子根據(jù)

24、愛因斯坦假設(shè)，一個電子只能接受一個光子 的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必 須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過 部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。外光電效應(yīng)部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。外光電效應(yīng) 多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金 屬釋放電子所需時間不超過屬釋放電子所需時間不超過10- -9s。 根據(jù)能量守恒定理根據(jù)能量守恒定理 式中式中 m電子質(zhì)量；電子質(zhì)量；v0電子逸出速度。電子逸出速度。 0 2 0 2 1 Amh 該方程稱為愛因斯坦光電

25、效應(yīng)方程。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。 n光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物 體的表面電子逸出功體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功， 即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率 或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使 物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng) 再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅再大也不會產(chǎn)生光

26、電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅 限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。 n當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成 正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的正比。即光強(qiáng)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。電子數(shù)也就越多。 n光電子逸出物體表面具有初始動能光電子逸出物體表面具有初始動能mv02 /2 ，因此外光，因此外光 電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有 光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，光電子產(chǎn)

27、生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓， 而且截止電壓與入射光的頻率成正比。而且截止電壓與入射光的頻率成正比。 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，發(fā)生變化， 或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于 半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電光電 導(dǎo)效應(yīng)導(dǎo)效應(yīng)和和光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)兩類兩類。 （2 2）內(nèi)光電效應(yīng)）內(nèi)光電效應(yīng) 在光線作用，電子吸收在光線作用，電子吸收 光子能量從鍵合狀態(tài)過光子能量從鍵合狀態(tài)過 渡到自由狀態(tài)，而引起渡到自由狀態(tài)，

28、而引起 材料電導(dǎo)率的變化，材料電導(dǎo)率的變化，這這 種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效 應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光 電器件有光敏電阻。電器件有光敏電阻。 Eg 24. 1 hc h （a a）光電導(dǎo)效應(yīng)）光電導(dǎo)效應(yīng) （b b）光生伏特效應(yīng)）光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動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(yīng)勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。基于該效應(yīng)的光電器件?；谠撔?yīng)的光電器件 有光電池和光敏二極管、三極管。有光電池和光敏二極管、三極管。 勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)） 接觸的半導(dǎo)體和接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光結(jié)

29、中，當(dāng)光 線照射其接觸區(qū)域時，產(chǎn)生光電線照射其接觸區(qū)域時，產(chǎn)生光電 動勢的現(xiàn)象，動勢的現(xiàn)象，稱為結(jié)光電效應(yīng)。稱為結(jié)光電效應(yīng)。 以以PN結(jié)為例，光線照射結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時，設(shè)結(jié)時，設(shè) 光子能量大于禁帶寬度光子能量大于禁帶寬度Eg，使價帶中，使價帶中 的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴 對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光 激發(fā)的電子移向激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)區(qū)外側(cè)，被光激發(fā) 的空穴移向的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正區(qū)帶正 電，電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢。區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢。 側(cè)向光電效應(yīng)側(cè)向光電效應(yīng)

30、 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，有載當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，有載 流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照。當(dāng)光照 部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時， 光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子光照部分載流子濃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，因而載流濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流 子就要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么子就要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么 空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U 散，就造成光照射的部分帶正電，未

31、被光照射散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射 部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光 電動勢。基于該效應(yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電電動勢?；谠撔?yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電 位置敏感器件（位置敏感器件（PSD）。）。 11.11.熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng) 熱釋電效應(yīng)，是指在某些絕緣物質(zhì)中，由于溫度的熱釋電效應(yīng)，是指在某些絕緣物質(zhì)中，由于溫度的 變化引起極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象，廣泛地用于輻射和變化引起極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象，廣泛地用于輻射和 非接觸式溫度測量、紅外光譜測量、激光參數(shù)測量、非接觸式溫度測量、紅外光譜測量、激光參數(shù)測量、 工業(yè)自動控制、空間技術(shù)、紅外攝像中

32、。工業(yè)自動控制、空間技術(shù)、紅外攝像中。 P熱釋電系熱釋電系 數(shù)，負(fù)值數(shù)，負(fù)值 D電位移電位移 E電場電場 T溫度溫度 S熵熵 12.12.磁光效應(yīng)磁光效應(yīng) 磁光效應(yīng)是指處于磁化狀態(tài)的物質(zhì)與光之間發(fā)生相磁光效應(yīng)是指處于磁化狀態(tài)的物質(zhì)與光之間發(fā)生相 互作用而引起的各種光學(xué)現(xiàn)象。包括法拉第效應(yīng)、互作用而引起的各種光學(xué)現(xiàn)象。包括法拉第效應(yīng)、 克爾磁光效應(yīng)、塞曼效應(yīng)和科頓克爾磁光效應(yīng)、塞曼效應(yīng)和科頓-穆頓效應(yīng)等。這穆頓效應(yīng)等。這 些效應(yīng)均起源于物質(zhì)的磁化，反映了光與物質(zhì)磁性些效應(yīng)均起源于物質(zhì)的磁化，反映了光與物質(zhì)磁性 間的聯(lián)系。間的聯(lián)系。 光與磁場中的物質(zhì)，或光與具有自發(fā)磁化強(qiáng)度光與磁場中的物質(zhì)，或光與

33、具有自發(fā)磁化強(qiáng)度 的物質(zhì)之間相互作用所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象。的物質(zhì)之間相互作用所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象。 （1 1）法拉第效應(yīng)）法拉第效應(yīng) 線偏振光透過放置磁場中的物質(zhì)，沿著磁場方向線偏振光透過放置磁場中的物質(zhì)，沿著磁場方向 傳播時，光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。也稱法拉傳播時，光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。也稱法拉 第旋轉(zhuǎn)或磁圓雙折射效應(yīng)，簡記為第旋轉(zhuǎn)或磁圓雙折射效應(yīng)，簡記為MCB。一般。一般 材料中，法拉第旋轉(zhuǎn)（用旋轉(zhuǎn)角材料中，法拉第旋轉(zhuǎn)（用旋轉(zhuǎn)角F表示）和樣品表示）和樣品 長度長度l、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度B有以下關(guān)系有以下關(guān)系 FVlB, 其中其中V是與物質(zhì)性質(zhì)、光的頻率有關(guān)的常數(shù)，稱是與物質(zhì)性質(zhì)、光的頻率

34、有關(guān)的常數(shù)，稱 為費(fèi)爾德常數(shù)。為費(fèi)爾德常數(shù)。 （2 2）科頓穆頓效應(yīng)）科頓穆頓效應(yīng) 又稱磁雙折射效應(yīng)，簡記為又稱磁雙折射效應(yīng)，簡記為MLB。是。是1907年年A. 科頓和科頓和H.穆頓發(fā)現(xiàn)的。穆頓發(fā)現(xiàn)的。W.佛克脫對它進(jìn)行了較仔細(xì)佛克脫對它進(jìn)行了較仔細(xì) 的研究，故也稱佛克脫效應(yīng)。當(dāng)光的傳播方向與磁的研究，故也稱佛克脫效應(yīng)。當(dāng)光的傳播方向與磁 場垂直時，平行于磁場方向的線偏振光的相速不同場垂直時，平行于磁場方向的線偏振光的相速不同 于垂直于磁場方向的線偏振光的相速而產(chǎn)生的雙折于垂直于磁場方向的線偏振光的相速而產(chǎn)生的雙折 射現(xiàn)象。其相位差正比于兩種線偏振光的折射率之射現(xiàn)象。其相位差正比于兩種線偏振

35、光的折射率之 差，同磁場強(qiáng)度大小的差，同磁場強(qiáng)度大小的二次方二次方成正比。成正比。 當(dāng)光的傳播方向與外磁場方向垂直時，媒質(zhì)對當(dāng)光的傳播方向與外磁場方向垂直時，媒質(zhì)對 偏振方向不同的兩種光的吸收系數(shù)也可不同。這就偏振方向不同的兩種光的吸收系數(shù)也可不同。這就 是磁的線偏振光的二向色性，稱磁線二向色性效應(yīng)，是磁的線偏振光的二向色性，稱磁線二向色性效應(yīng)， 簡記為簡記為MLD。 （3 3）克爾磁光效應(yīng)）克爾磁光效應(yīng) 線偏振光入射到磁化媒質(zhì)表面反射出去時，偏振面發(fā)線偏振光入射到磁化媒質(zhì)表面反射出去時，偏振面發(fā) 生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。也叫克爾磁光效應(yīng)或克爾磁光旋轉(zhuǎn)。這是生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。也叫克爾磁光效應(yīng)或克爾磁光旋轉(zhuǎn)。這是 繼法拉第效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后