電子科學與技術(shù)優(yōu)秀畢業(yè)論文-文庫吧
2025-10-07 09:51 本頁面
【正文】 傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)自動化、遙測、工業(yè)機器人、家用電器、環(huán)境污染監(jiān)測、醫(yī)療保健、醫(yī)藥工 程和生物工程 。 光傳感器 是 根據(jù)光和半導體的相互作用原理制成的傳感器 。 半導體光傳感器種類很多，可以通過光導效應(yīng)、光電效應(yīng)、光電流等實現(xiàn)光的檢出，如光敏電阻、光電二極管、光電三極管、光電池等。 由于 光敏電阻具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、成本底等優(yōu)點 [1~4]，因此， 作為光檢測元件或光敏開關(guān)等 被 廣泛 應(yīng) 用于工業(yè)自動化領(lǐng)域 [5~8]。 為 了能夠與信息時代信息量激增、要求捕獲和處理信息的能力日益增強的 術(shù)發(fā)展趨勢保持一致，對于傳感器性能指標 (包括精確性、可靠性、靈敏性等 )的要求越來越嚴格 。而 在對光敏電阻 工作原理的一 般性分析中 認為只發(fā)生 了光電效應(yīng)是不全面的， 這必然導致在實際應(yīng)用和分析中存在著這樣或那樣的問題。 光與 物質(zhì)相互作用時，有可能產(chǎn)生幾種不同的效應(yīng)，包括發(fā)光現(xiàn)象、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、產(chǎn)生正負電子對等。這些效應(yīng)不僅 與物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)， 而且還 決定于入射光子的 頻率 ， 不同 頻率 的光子與物質(zhì)中的分子、原子、電子 相互會產(chǎn)生不同的 效應(yīng)。 對一定材料而言，相對于 這 種物質(zhì)的原子中 的 K 層電子的電離能，當入射光子的 頻率 較低時，以 產(chǎn)生 光電效應(yīng) ( 光電離 ) 為主 ； 高 頻 的 ? 光子( MeV? ? )可與原子核發(fā)生作用 產(chǎn)生正負電子對 ； 當入射光子具有中等 頻率( 410h eV?? )時，產(chǎn)生光電散射 ，包括湯 姆 遜散射和康普頓效應(yīng) 。 自從激光出現(xiàn)之后，多光子光電效應(yīng) 和 多光子康普頓效應(yīng) 已 得到證實 [9~15]。 本文將在 以 入射光子 頻率 的大小討論光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng) 的基礎(chǔ)上，嘗試在考慮 多光子 康普頓效應(yīng)的情況下對光敏電阻的工作原理 作 進一步的分析。 5 2 從入射光子能量的大小來討論光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng) 當光照射到金屬或金屬氧化物等固體表面時，會有電子從表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 1887 年赫茲在研究電磁波的傳播時偶然發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。根據(jù)實驗用紫外線照到負電極時效果最為明顯，此后意大利的里奇、俄國的斯托列托夫及美國的密立根等都進行了研究 。 1905 年，愛因斯坦提出光量子假設(shè)并在此基礎(chǔ)上成功的解釋了光電效應(yīng)，給出 著名的光電效應(yīng)方程。 1923 年康普頓 研究倫琴射線被物質(zhì)散射時， 發(fā)現(xiàn)在散射光波中 除了有與入射波長 0? 相同的射線外，還有比入射光長的光波 ?? ， 這種改變波長的散射稱為康普頓效應(yīng)。 光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)都是光子與電子相互作用的結(jié)果 ， 前者表現(xiàn)為電子完全吸收光子的能 量 而逸出物質(zhì)表面，后者則是電子部分地吸收光子的能 量 而散射出 頻率 較小的 光子 即波長較長的 光子 。 之所以出現(xiàn)此種差別 ， 原因就在于入射光子 的頻率 不同。 按照 量子論的觀點， 光照射物質(zhì)時，光子將會與原子實、 緊 束縛電子、 弱 束縛電子 即 自由電子發(fā)生相互作用 。 光子與原子實、 緊 束縛電子的碰撞，相當于光子與整個原子之間的彈性碰撞 。 由于原子的質(zhì) 量 很大 ， 所以碰撞后光子的能 量 不變 ， 因而 在散射光中存在與入射光頻率相同的那部分光子 ； 而光子與 弱束縛 電子 即 自由電子的碰 撞 則正是光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)產(chǎn)生的 微 觀機制。 能量較小的光子與束縛弱的電子的碰撞產(chǎn)生光電效應(yīng) 由于一個電子同時與二個光子發(fā)生碰撞 的幾率太小，所以一個電子只能從一個光子完全地或部分地吸收其能 量。 設(shè)入射光子的能 量為 0h? ， 電子的靜止質(zhì) 量為 0m ，則光子與電子的碰撞 時 ，按照能 量 守恒定律，應(yīng)有如下關(guān)系 : 220 0 1h m c A A m c? ? ? ? ? （ 1） 式中， 1A 是使電子脫離原子的能量 ； A 是使電子跑出物體表面的逸出功 ； 0m 是電子的靜止能量； m 是電子的相對論質(zhì)量； c 是真空中的光速。 原子最外層電子的束縛能很小， 而內(nèi)層電子的電離能 較大 ，尤其重元素 的電離能很大。 在上式中，我們將碰撞 前 的電子看作是靜止的。事實上，在常溫下，電子熱運動的平均動能僅為 210ev? 數(shù) 量 級 ， 遠小于束縛能 1A 、 A 和入射光子能量 0h? ，故可將電子近似地看作是靜止的 。 對于金屬內(nèi)部的自由電子 (原子最外層電子 ), 1A 可略去不計，于是 ， 式 （ 1） 可改寫為 : 6 2200h m c A mc? ? ? ? 2200 xh m c m c A E A? ? ? ? ? ? 2 2 20 (1 1 )m c v c A? ? ? （ 2） 其中 2mc 和 20mc 為散射電子的能量和靜止電子的能量； 220xE mc m c??； v 為散射電子的速度。 由于 入射 光子 的能量 0h? 較 小， 因此 不考慮逸出功，光子的能量 全部被電子吸收 而 變?yōu)殡娮拥膭?能 。 當 0 eV? ? 時 (相當于入射光子波長0 1000? ? 197。)， 電子的運動速度也只有 62 10v m s?? ， 遠小于 c， 因此 2 2 200 (1 1 1 )h m c v c A? ? ? ? ?212 mv A?? （ 3） 這就是熟知的愛因斯坦 方程 。 光子與電子的碰撞還要滿足動 量 守恒，其表達式為 : 220 0 0/1h n c m v v c p? ? ? ? （ 4） 其中 p 為晶格的動量，因電子是被束縛在金屬內(nèi)， 故 應(yīng)考慮金屬晶格的動 量。 應(yīng)指出 的是 ，通常所 說 的金屬中的“自由電子”， 是指可在金屬內(nèi)部自由運動的電子， 事實上 它仍受到金屬晶格的束縛，不能自由飛出金屬界面 。 因此，在能 量 關(guān)系式中包含有逸出功 A 項。實際上，對于一個不受任何 束縛的自由電子來說， 束縛能 1 0AA??， 晶格動 量 0p? ， 則（ 3）、 (4)兩式化為 如下形式 : 2 2 20 (1 1 1 )h m c v c? ? ? ?， 2200 1 1 )h m v v c? ? ? ? 然而， 這 兩式是矛盾的，因為 2 2 2 2 200( 1 1 1 ) 1m c v c m v c v c? ?
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