10 第十章光电传感器(2)知识讲解

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1、1,第十章 光电传感器,主要内容： 10.1 光电效应 10.2 光电器件 10.3 光纤传感器 10.4 CCD图像传感器 10.5 光栅式传感器,2,1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。,3,一、光谱 光波：波长为10106nm的电磁波 可见光：波长380780nm 紫外线：波长10380nm， 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线， 红外线：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。

2、,概 述,5,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。,6,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。,7,2.气体放电光源,定义：

3、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。,8,低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，目前荧光剂的选择范围很广，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如，照明日光灯。 气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/21/3。,9,3.发光二

4、极管（LEDLight Emitting Diode）,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。,半导体中，由于空穴和电子的扩散，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。,10,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

5、,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。,hc=19.810-26mWs=12.410-7meV。 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,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。,U/V,I/mA,注意，图上的

6、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。,-10,-5,0,1,2,GaAsP(红),GaAsP(绿),12,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。,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,0,600,700,800,900,1000,GaAsP,p=670nm,p=655nm,GaAsP,p=565nm,GaP,p=950nm,GaAs,发光二极管的光谱特性,/nm,相

7、对灵敏度,13,4、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。,激光器种类繁多，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,14,（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。 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，已达到几十太瓦。 固体

8、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。,15,（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。,16,（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

9、体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。,（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。,17,光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。 光敏器件种类很多， 如： 光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 光电耦合器、 光纤等等。,18,指纹锁,指纹门禁,光 电 鼠 标,19,20,第一节

10、光电效应,光电效应可分为： 外光电效应 内光电效应 光电导效应 光生伏特效应,定义：对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作是一连串光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，这种物理现象称为光电效应。,21,(1)外光电效应,在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。,每个光子具有的能量是：, 普朗克常数( ) 光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大,J.S,22,由能量守恒定律有：,爱因斯坦光

11、 电效应方程,A 电子的逸出功；,一个电子逸出的动能（能量）；,光照射物体时，物体中电子吸收入射光子的能量E ，当物体吸入的能量超出逸出功A时电子就会逸出物体表面，产生光电子发射。超出的能量就表现在电子逸出的动能上。 能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。,23,不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。,基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管,当

12、入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。,24,紫外管外形,当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。,紫外线,25,(2)内光电效应,光电导效应： 入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应 这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，由于在入射光作用下电子吸收光子能量，从价带激发到导带过度到自由状态，同时价带也因此形成自 由空穴，使导带电子和价带空 穴浓度增大引起电阻率减小。 为使电子从价带激发到导带， 入射光子的能量E0应大于禁带 宽度的能量

13、Eg。 基于光电导效应的光电器件 有光敏电阻。,26,光生伏特效应： 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？ 下面分两种情况讨论： 不加偏压时的PN结 处于反偏时的PN结,27,不加偏压时的PN结(势垒效应/结光电效应） 当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0 Eg）,可激发出电子空穴对在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生电动势.,基于这种效应的器件有光电池,28,处于反偏时的PN结： 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小； 有光照时，光子能量足够大产生光生

14、电子空穴对， 在PN结电场作用下，电子 N，空穴 P运动， 形成光电流；光电二极管一般反向连接。 电流方向与反向电流一致， 光照越大光电流越大。 具有这种性能的器件有： 光敏二极管、光敏晶体管 从原理上讲，不加偏压的 光电二极管就是光电池。,E,I,29,第二节 光电器件,（1）光电管,光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极、阳极，光阴极涂有光敏材料，当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（EA），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形 成电子流，电流在回路电阻 R上 产生正比于电流大小的压降。,入射光的频谱成分不变时，产生的光电子

15、与光强成正比,30,光电管主要用于： 分光光度计、 光电比色计等分析仪器 和各种自动装置 。,31,（2）光电倍增管,光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。 光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。,32,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,33,当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几A，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大，下图为其内部结构示意图。 1. 结构和工作原理,由光阴极、次阴极(倍增

16、电极)以及阳极三部分组成。光阴极是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而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子,的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。,34,（1）倍增系数M 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数的乘积。如果n个倍增电极的都相同，则M= 因此，阳极电流 I 为 I = i i 光电阴极的光电流 光电倍增管的电流放大倍数为 = I / i = M与所加电压有关，M在105108之间，稳定性为1左右，加速电压稳定性要在0.1以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为1000250