傳感技術(shù)與測控系統(tǒng)教材

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)換成可用輸出信號的器件或裝置。輸出

2、信號的器件或裝置。傳感器的定義傳感器的定義傳感器的組成傳感器的組成 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?；巨D(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、化學(xué)、生物信息生物信

3、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(shí)，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(shí)，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，得等式兩邊取微分，得 SlRSlRlnlnlnlnSdSldldRdR

4、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/rr= 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 (dldldRdRSKllllRR)/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

5、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(shí)驗(yàn)表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對變化與實(shí)驗(yàn)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)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 /SKllllRR)/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

6、時(shí)，其電阻率發(fā)固體材料在應(yīng)力作用下發(fā)生形變時(shí)，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)。21dRdR21RdREd2121ERdR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ERdR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

7、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)。22000273. 0B載流子的遷移率載流子的遷移率w4.4.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過導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片時(shí)片時(shí),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，

8、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(shí)，作用于電子的同時(shí)，作用于電子的電場力電場力 qvBfLwqUqEfHHE/wqUqvBH/當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)dnqvwdjwIdnqwIv/pqdIBUH/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： dIBRUHH電流密度電流密度j=nqvn nN N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

9、 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p pP P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體中的孔穴濃度中的孔穴濃度型）（型）（PqpRNqnRHH11載流子遷移率載流子遷移率, ,= =v v/E,/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。nqdIBUH/設(shè)設(shè) KH=RH / d KH霍耳器件的乘積靈

10、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(shí)霍耳電勢的大小。位控制電流時(shí)霍耳電勢的大小。若磁感應(yīng)強(qiáng)度若磁感應(yīng)強(qiáng)度B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(shí)，霍耳電時(shí)，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(shí)，輸出注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時(shí)，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(shí)改勢的方向也改變。但當(dāng)磁場與電流同時(shí)改變方向時(shí)，變方向時(shí)，霍耳電霍耳電勢并不改變方

11、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，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

12、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

13、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TT0AB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+ABTeAB(T)-BAABNNekTTeln)(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(shí)形成的接觸電動勢；時(shí)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

14、為在溫度為T 時(shí)的電子密度。時(shí)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)。接觸電勢接觸電勢原理圖原理圖AeA(T,To)ToTeA(T，T0)導(dǎo)體導(dǎo)體A兩端溫度為兩端溫度為T、T0時(shí)形成的溫差電動勢；時(shí)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(shí)所產(chǎn)生的時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動勢，例如在溫差電動勢，例如在0時(shí)，銅的時(shí)，銅的 =2V/。（2） 溫差電勢溫差電勢dTTTeTTAA0),(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

15、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(gè)接觸電勢和兩個(gè)溫差電則必存在著兩個(gè)接觸電勢和兩個(gè)溫差電勢，回路總電勢：勢，回路總電勢：BTATNNekTln00ln0BTATNNekTdTTTBA0)(T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB（3）回路總電勢）回路總電勢),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABNAT、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(shí)的電子密度；時(shí)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(shí)的電子密度；時(shí)的電子密

16、度；A 、 B導(dǎo)體導(dǎo)體A和和B的湯姆遜系數(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 EABAB( (T T0 0)=)=常數(shù)，則回路熱常數(shù)，則回路熱電勢電勢E EABAB( (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(shí)才能有熱電勢產(chǎn)生。料不同時(shí)才能有熱電勢產(chǎn)生。熱電偶回路熱電勢的大小只與組

17、成熱電偶的材料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?yàn)楫?dāng)電偶；相同材料不會產(chǎn)生熱電勢，因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，ln(NA/NB)=0，也即也即EAB(T，T0)=0。在實(shí)際測量中只需用儀表測出回路中總電勢即可。由于在實(shí)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，在工程技

18、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)具有特殊而有用的性質(zhì)。殊

19、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波。這種特性稱為交流約瑟夫遜效應(yīng)。收

20、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)xSSNv2v0v1Ov2v0v1zy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(shí)電子自旋量子數(shù)為零時(shí)(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(shí)產(chǎn)生的塞曼效應(yīng)時(shí)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

21、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)石英晶體的壓電效應(yīng)演示 當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。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

22、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(gè)光子的能量：光子是具有能

23、量的粒子，每個(gè)光子的能量：E=hh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(gè)電子只能接受一個(gè)光子根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量，所以要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必的能量，所以要使一個(gè)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(shí)間不超過屬釋放電子所需時(shí)間不超過10- -9s。根據(jù)

24、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。 02021Amh該方程稱為愛因斯坦光電效應(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(gè)物體都有一個(gè)對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率即每一個(gè)物體都有一個(gè)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

25、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(shí)，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(shí)，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

26、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)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

27、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)，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。 Eg24. 1hch（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)?；谠撔?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

28、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)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生光電線照射其接觸區(qū)域時(shí)，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(shí)，設(shè)結(jié)時(shí)，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(jià)帶中使價(jià)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

29、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) 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，有載當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，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(shí)，部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時(shí)，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

30、，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射散，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?；谠撔?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

31、術(shù)、紅外攝像中。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)，或光與具有自發(fā)磁

32、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(shí)，光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。也稱法拉傳播時(shí)，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)、光的頻率有關(guān)的常數(shù)，稱為費(fèi)爾德常數(shù)

33、。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(shí)，平行于磁場方向的線偏振光的相速不同場垂直時(shí)，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(shí)，媒質(zhì)對當(dāng)光的傳播方向與外磁場方向垂直時(shí)，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(shí)，偏振面發(fā)線偏振光入射到磁化媒質(zhì)表面反射出去時(shí)，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，英國科學(xué)家繼法拉