【正文】 氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時間 ， 通常用符號 tr表示 。 通常 ， C1＞ C2。它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。因此，必須在潔凈的空氣環(huán)境中進(jìn)行測量。 測定固有電阻值 Ｒ ａ 時 , 要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進(jìn)行。 非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用其它參數(shù) ,如二極管伏安特性和場效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化來檢測被測氣體的 . 半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù) （ 1） 氣敏元件的電阻值 將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值 ， 稱為氣敏元件 (電阻型 )的固有電阻值 ， 表示為 Ｒ ａ 。 ?前者半導(dǎo)體表面吸附的氣體與半導(dǎo)體間發(fā)生電子接受 ,結(jié)果使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變化 ,但內(nèi)部化學(xué)組成不變 。 當(dāng)檢測元件 F1與可燃性氣體 接觸時 ， 由于劇烈的氧化作 用 (燃燒 )， 釋放出熱量 ， 使 得檢測元件的溫度上升 ， 電 阻值相應(yīng)增大 ， 橋式電路不 再平衡 ， 在 A、 B間產(chǎn)生電位差 E。 圖中 F1是檢測元件； F2是補(bǔ)償元件 ， 其作用是補(bǔ)償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度 、 電源電壓變化等因素所引起的偏差 。若與相應(yīng)的電路配合，就能在空氣中當(dāng)可燃性氣體達(dá)到一定濃度時，自動發(fā)出報(bào)警信號，其感應(yīng)特性曲線如圖。 接觸燃燒式氣敏元件的感應(yīng)特性 0 50 100 150 輸 出 電 壓 / mV 丙烷 乙醇 異丁烷 丙酮 環(huán)己烷 氣體濃度 (XLEL) 但是，使用單純的鉑絲線圈作為檢測元件，其壽命較短，所以，實(shí)際應(yīng)用的檢測元件，都是在鉑絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒。 空氣中可燃性氣體濃度愈大 ，氧化反應(yīng) (燃燒 )產(chǎn)生的反應(yīng)熱量 (燃燒熱 )愈多 ， 鉑絲的溫度變化 (增高 )愈大 ， 其電阻值增加的就越多 。 一 、 接觸燃燒式氣體傳感器 檢測原理 可燃性氣體 (H CO、 CH4等 )與空氣中的氧接觸 ，發(fā)生氧化反應(yīng) ， 產(chǎn)生反應(yīng)熱 (無焰接觸燃燒熱 )， 使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高 ， 電阻值相應(yīng)增大 。 ?按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類 .目前實(shí)際使用最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器 . ?對氣敏元件的要求： 能長期穩(wěn)定工作，重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，共存物質(zhì)產(chǎn)生的影響小。 ?為了保護(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境，防止不幸事故的發(fā)生，需要對各種有害、可燃性氣體，在環(huán)境中存在的情況進(jìn)行有效地監(jiān)控。 路燈自動控制電路 167。電路中 BG BG3組成施密特觸發(fā)器，用來避免照明燈產(chǎn)生忽明忽暗的抖動現(xiàn)象。 在實(shí)際應(yīng)用中 ， 主要利用光電池的光照特性、 光譜特性 、 頻率特性和溫度特性等 ， 通過基本電路與其它電子線路的組合可實(shí)現(xiàn)或自動控制的目的 。 +12V 5G23 (d) 光電池放大電路 C3 12V W R1 R2 R3 R4 R5 C1 C2 1 8 7 6 5 4 3 2 圖 (d)為光電池放大電路 。 (c) 光電池觸發(fā)電路 R1 R2 R3 R4 R5 R6 BG1 BG2 BG3 BG4 C1 C2 C3 +12V W 圖 (c)為光電池觸發(fā)電路 。 無光照時 ， 系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài) ， 如通態(tài)或斷態(tài) 。 當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時 ， 電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正 ， 以此達(dá)到跟蹤的目的 。 (a) 光電追蹤電路 +12V R4 R3 R6 R5 R2 R1 W BG1 BG2 圖 (a)為光電池構(gòu)成的光電跟蹤電路 ， 用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件 。 調(diào)節(jié)控制器 逆變器 交流負(fù)載 太陽 電池 方陣 直流負(fù)載 太陽能電池電源系統(tǒng) 阻塞二極管 2．光電池在光電檢測和自動控制方面的應(yīng)用 光電池作為光電探測使用時 ， 其基本原理與光敏二極管相同 ， 但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同 。 光電池應(yīng)用舉例如下： 1．太陽電池電源 太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。 ?將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用 ， 需要光電池具有靈敏度高 、 響應(yīng)時間短等特性 ， 但不必需要像太陽電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率 。 太陽能電池已在宇宙開發(fā) 、 航空 、 通信設(shè)施 、 太陽電池地面發(fā)電站 、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用 。 三、光電池應(yīng)用 光電池主要有兩大類型的應(yīng)用： ?將光電池作光伏器件使用 ， 利用光伏作用直接將大陽能轉(zhuǎn)換成電能 ， 即太陽能電池 。 在待測轉(zhuǎn)速的軸上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。 光電傳感器的應(yīng)用舉例 平行 光源 光電 探測 放大 顯示 刻度 校正 報(bào)警器 吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖 煙道 二、光電轉(zhuǎn)速傳感器 2 3 1 2 3 1 (a) (b) 光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖 下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。 煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的 。 ΦPN 結(jié)NPE20406080100Kr(%)12λ ( μ m )0 . 60 . 4 0 . 8 1 . 01 . 2a ) 結(jié)構(gòu)示意圖 b ) 圖形符號 1 硅光電池 2 硒光電池光電池的光譜特性 適用于可見光 應(yīng)用范圍廣 一、煙塵濁度監(jiān)測儀 防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一 。 I U RL (a) (b) 圖 光電池符號和基本工作電路 光電池的光譜特性 ? 不同的光電池，光譜峰值的位置不同 。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。 光電池的示意圖 + 光 P N － SiO2 RL (a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖 I 光 P N ?若用導(dǎo)線連接 P區(qū)和 N區(qū)，電路中就有光電流流過。由于 PN結(jié)內(nèi)電場的方向是由 N區(qū)指向 P區(qū)的，它使擴(kuò)散到 PN結(jié)附近的電子 —空穴對分離，光生電子被推向 N區(qū)，光生空穴被留在 P區(qū)。 ?當(dāng)光照射 P區(qū)表面時，若光子能量大于硅的禁帶寬度，則在 P型區(qū)內(nèi)每吸收一個光子便產(chǎn)生一個電子 空穴對， P區(qū)表面吸收的光子越多，激發(fā)的電子空穴越多，越向內(nèi)部越少。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的。 ? 砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合。 ? 硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低 (％ )、壽命短，適于接收可見光 (響應(yīng)峰值波長 ) ，其 光譜峰值位于人眼的視覺范圍，所以很多分析儀器、測量儀表也常用到它。目前 ,應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。 ? 分類（命名方式）： 把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池 (或太陽能電池 )之前。 ?應(yīng)用 ?人造衛(wèi)星、宇宙飛船、星際站、太空實(shí)驗(yàn)室、航標(biāo)燈、邊遠(yuǎn)山區(qū)的永久性 電源 。 ?它是基于光生伏特效應(yīng)制成的 ， 是發(fā)電式有源元件 。 RG RL E I 三、光電池 ?光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的 器件 。 光敏電阻具有 很高的靈敏度 ， 很好的光譜特性 ，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi) 。 伏安特性 頻率特性 光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響 ， 因此要將光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中 。 ? 伏安特性：曲線 2分別代表照度為零幾位某一值時的伏安特性。 – Ｔ越小，能夠反映的光信號的頻率越高。 – 與普通電阻相似，電壓 ，電流 ，無飽和現(xiàn)象，但要注意不能超過額定值。 ?光譜特性：靈敏度 —λ – 對于不同的波長，光敏電阻的靈敏度不同 – 硫化鎘 ——峰值在可見光域 – 硫化鉛 ——峰值在紅外區(qū)域 – 可根據(jù)光源的波長來選擇光敏元件 ——獲得最佳靈敏度。 – 時間常數(shù)反映了光敏電阻對光照響應(yīng)的快慢程度。 暗電阻越大，亮電阻越小，光敏電阻的靈敏度越高 ? – 當(dāng)光敏電阻受到光照時，光電流要經(jīng)過一定時間才能達(dá)到穩(wěn)定值。 – 這時在工作電壓下測得的電流值稱為亮電流。 暗電阻： １Ｍ Ω～１００Ｍ Ω – 這時在給定工作電壓下測得光敏電阻中的電流值稱為暗電流。 圖 （ c） 是光敏電阻的代表符號 。 RG 1 2 3 4 5 6 7 (a)結(jié)構(gòu) (b)電極 (c)符號 它是在一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的 。 6黑色絕緣玻璃 。 4電極 。 2玻璃窗口 。 為了獲得高的靈敏度 ， 光敏電阻的電極一般采用 梳狀圖案 ， 結(jié)構(gòu) 見下圖 。 管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體 。 光敏電阻工作示意圖 導(dǎo)帶上的電子和價帶的空穴在外加電場的作用下，經(jīng)半導(dǎo)體和外部電路形成電流，直至無光照。 ?光照停止后 ,自由電子與空穴復(fù)合 ,導(dǎo)電性能下降 ,電阻恢復(fù)原值。 ?在有光照時 ,當(dāng)光子的能量大于材料禁帶寬度 ,價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶 ,激發(fā)出可以導(dǎo)電的電子 空穴對 ,導(dǎo)電性能增強(qiáng)，使電阻降低 。 ?不足： 需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。 ?其 工作原理是基于 光電導(dǎo)效應(yīng) ，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。本節(jié)重點(diǎn)介紹內(nèi)光電效應(yīng)器件。 基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管 、 三極管 。 式中 ν 、 λ分別為入射光的頻率和波長。 內(nèi)光電效應(yīng) 過程： 當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時 ， 價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊 ， 并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶 ， 如圖 ， 使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加 ， 從而使電導(dǎo)率變大 。 ?根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為 光電導(dǎo)效應(yīng) 和 光生伏特效應(yīng) 兩類： （ 1）光電導(dǎo)效應(yīng) 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(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng) 。 ?當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率 ρ 發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象 叫做內(nèi)光電效應(yīng)。 愛因斯坦光電效應(yīng)方程 ?逸出功與材料的性質(zhì)有關(guān) ，當(dāng)材料選定后，要使物體表面電子逸出，入射光的頻率 ν有一最低限度，當(dāng) hν 小于 A0時，即使光強(qiáng)很大，也不可能有電子逸出，這個最低限度的頻率稱為 紅限頻率 ，相應(yīng)的波長稱為紅限波長 。根據(jù)能量守恒定理： E=hν h—普朗克常數(shù)， 1034J ?基于外光電效應(yīng)的光電器件有 光電管 、 光電倍增管等 。 ?向外發(fā)射的電子叫做光電子 。 ?光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類 。 一 、 光電效應(yīng) ?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) 。 ? 敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波