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1、1,第八章 光电式传感器,2,8.1 概 述,8.1.1 光的特性,光波是波长为10106nm的电磁波。其中可见光的波长范围在380780nm，紫外线的波长范围是10380nm，红外线的波长范围是780106nm。,3,光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。由光的粒子说可知，光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为 h普朗克常数，6.62610-34Js； 光的频率（单位s-1）。 可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。,4,8.2.2 光源（发光器件）,1. 白炽光源,用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射
2、光谱是连续的。 发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。,5,2. 气体放电光源,定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。,气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。,7,由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。,3. 发光二极管（LEDLight Emitting Diode）,8,半导体中，由于空穴和电子的扩
3、散，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。,9,电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用h表示，h为普朗克常数，为光的频率。则,普朗克常数h=6.610-34J.s； 光速c=3108m/s； Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.610-19J。,10,hc=19.810-26mWs=12.410-7
4、meV 可见光的波长近似地认为在710-7m以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于 h c /=1.8 eV,普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。,11,通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x0.35时，可得到Eg1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使在550900nm间变化，它已经进入红外区。,12,与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：,LED材料,13,发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值
5、波长p 。除峰值波长p决定发光颜色之外，峰的宽度（用描述）决定光的色彩纯度，越小，其光色越纯。,14,发光二极管的光谱特性,15,发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。,16,图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向电压应在5V以下。,17,4、激光器 激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24m到远红外整个光频波段范围。,18,激光器种类繁多，
6、按工作物质分类： 固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器） 半导体激光器（如砷化镓激光器） 液体激光器。,19,（1）固体激光器 典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激光器。它的工作物质是固体。 种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称YAG激光器）和钕玻璃激光器等。,20,特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件。 固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。,21,（2）气体激光器 工作物质是气体。 种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体
7、分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。,22,（3）半导体激光器 与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。,23,（4）液体激光器 种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段
8、范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。,24,25,8.2.1 外光电效应,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。 基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。,8.2 光电效应,26,爱因斯坦光电效应方程：,1.光电子能否产生，取决于光子的能量是 否大于该物体的表面电子逸出功A。,2.一定时，产生的光电流和光强成正比。,3.逸出的光电子具有动能。,27,8.2.2 内光电效应 当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的效应。,1光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。 基于这种
9、效应的光电器件有光敏电阻。,28,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,hEg,当光照射到光电导体上时，若这个光电导 体为本征半导体材料，且光辐射能量又足 够强,光电材料价带上的电子将被激发到导 带上去，使光导体的电导率变大。,29,势垒效应（结光电效应） 光照射PN结时，若hEg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。,光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。,P,N,30,侧向光电效应 当半导体光电器件受
10、光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。,当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的大，就出现了浓度梯度，因而载流子要扩散，形成电势差。,31,8.3.1光电管及其基本特性,结构与工作原理,8.3外光电效应器件,32,主要性能,（1）光电管的伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。,真空光电管 光电管,33,（2）光电管的光照特性 当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。,光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。,图8-5 光电管的光照特性,34,（2）光电
11、管的光照特性 当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。,光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。,图8-5 光电管的光照特性,35,(3) 光电管的光谱特性 光谱特性是指相对灵敏度与入射光波长之间的关系，亦称光谱响应。 为提高光电传感器的灵敏度，应根据光谱特性合理选择相匹配的光源和光电器件。,以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料制成，其红限c=700nm，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。,36,对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。 对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。 还有些光电管的光谱特性与人的视觉光谱
12、特性有很大差异，可以担负人眼不能胜任的工作，如夜视镜等。,37,国产光电管的技术参数,38,由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成。阴极由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料。次阴极可达30级。通常为1214级。,使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。,8.3.2 光电倍增管及其基本特性,39,40,入射光,阴极K,第一倍增极,第二倍增极,第三倍增极,第四倍增极,阳极A,41,42,光电倍增管的电流放大倍数为,如果n个倍增电极二次发射电子的数目相同,则in 因此阳极电流为i in,M与所
13、加的电压有关。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50 100V。,主要参数： 1.倍增系数M：等于各个倍增电极的2次发射电子数i的乘积。,43,一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。 一个光子在阳极上产 生的平均电子数叫光 电倍增管的总灵敏度.,(2) 光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度,最大灵敏度可达10A/lm 不能受强光照射。,图8-7 光电倍增管的特性曲线,44,（3）暗电流和本底电流 由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。 在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍
14、增管就会有电流信号输出即本底脉冲。,4.光电倍增管的光谱特性 与相同材料的光电管的相似。,45,国产光电倍增管的技术参数,46,8.4 内光电效应器件,8.4.1 光敏电阻,1. 光敏电阻的结构和工作原理,图8-8 光敏电阻的结构与电路连接,47,如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小：,48,光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、小的体积及工艺简单，故应用广泛。,当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使
15、光导体的电导率变大。,49,2. 光敏电阻的主要参数和基本特性,（1）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流 光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流为暗电流。 在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。 亮电流与暗电流之差为光电流。,50,（2）光照特性 用于描述光电流与光照强度之间的关系。,多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。,图8-9 光敏电阻的光照特性,51,（3）光谱特性,硫化镉的峰值在可见光区域，硫化铅的峰值在红外区域。故选用时要把元件和光源结合起来考虑。,图8-10 光敏电阻的光谱特性,52,(4) 伏安特性,所加的电压越高，光
16、电流越大，而且没有饱和的现象。,在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。,图8-11 光敏电阻的伏安特性,53,（5） 频率特性,时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63%所需要的时间。,图8-12 光敏电阻的频率特性,多数光敏电阻的时间常数都很大。,54,(6) 温度特性,峰值随温度上升向波长短的方向移动。,图8-13 光敏电阻的光谱温度特性,55,初制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏电阻的主要优点。 光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下几乎是无限长的。,（7）稳定性,56,8.4.2 光电池,光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电器件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。,57,光电池
