光电色敏传感器工作原理

《光电色敏传感器工作原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电色敏传感器工作原理（102页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 第八章第八章 光电式传感器光电式传感器18.1 8.1 概概 述述8.1.1 8.1.1 光的特性光的特性光波是波长为光波是波长为101010106 6nmnm的电磁波。其中可的电磁波。其中可 见光的波长范围在见光的波长范围在380780nm380780nm，紫外线的波，紫外线的波 长范围是长范围是10380nm10380nm，红外线的波长范围是，红外线的波长范围是 78010780106 6nmnm。2光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉光都具有反射、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，一束频以光速

2、运动着的粒子（光子）流，一束频 率为率为 的光由能量相同的光子所组成，每个的光由能量相同的光子所组成，每个 光子的能量为光子的能量为h h普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34Js6.62610-34Js； 光的频率（单位光的频率（单位s s-1-1）。）。可见，光的频率愈高（即波长愈短），光可见，光的频率愈高（即波长愈短），光 子的能量愈大。子的能量愈大。38.2.2 8.2.2 光源（发光器件）光源（发光器件） 1. 1. 白炽光源白炽光源 用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通， 一般白炽灯的辐射一般白炽灯的辐射光谱是连续的光谱是连续的。 发光范围：

3、可见光、大量红外线和紫外线发光范围：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，所以任何光敏元件都能和它配合接收到 光信号。光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特点：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。求不高，是可取之处。 42. 2. 气体放电光源气体放电光源定义：定义：利用电流通过气体产生发光现象制利用电流通过气体产生发光现象制 成的灯。成的灯。 气体放电灯的光谱是气体放电灯的光谱是不连续不连续的，的，光谱与气光谱与气 体的种类及放电条件有关体的种类及放电条件有关。改变

4、气体的成。改变气体的成 分、压力、阴极材料和放电电流大小，可分、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。得到主要在某一光谱范围的辐射。 5低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光 谱仪器中常用的光源，统称为谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯光谱灯。例。例 如低压汞灯的辐射波长为如低压汞灯的辐射波长为254nm254nm，钠灯的，钠灯的 辐射波长为辐射波长为589nm589nm，可，可被用作被用作单色光源。单色光源。 如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层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材料的作用，荧光

5、剂可以将气体放电谱线 转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择转化为更长的波长，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，如可以使气体放电发出某一范围的波长，如 照明日光灯。照明日光灯。 气气 体放电灯消耗的能量为白炽灯体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/31/2-1/36由由半导体半导体PNPN结结构成，其工作电压低、响应构成，其工作电压低、响应 速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此 获得了广泛的应用。获得了广泛的应用。 3. 3. 发光二极管（发光二极管（LEDLight Emitting LEDLight Emitting DiodeDiod

6、e） 7半导体中，由于空穴和电子的扩散，在半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PNPN 结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的 继续扩散。继续扩散。当当PNPN结上加有正向电压时结上加有正向电压时，势，势 垒降低，电子由垒降低，电子由N N区注入到区注入到P P区，空穴则由区，空穴则由 P P区注入到区注入到N N区，称为少数载流子注入。所区，称为少数载流子注入。所 注入到注入到P P区里的电子和区里的电子和P P区里的空穴复合，区里的空穴复合， 注入到注入到N N区里的空穴和区里的空穴和N N区里的电子复合，区里的电子复合， 这种这种复合同时伴随着以光子形式放

7、出能量复合同时伴随着以光子形式放出能量 ，因而有发光现象。，因而有发光现象。8电子和空穴复合，所释放的能量电子和空穴复合，所释放的能量E Eg g等等 于于PNPN结的结的禁带宽度禁带宽度（即能量间隙）。所放（即能量间隙）。所放 出的光子能量用出的光子能量用hh表示，表示，h h为普朗克常数为普朗克常数 ， 为光的频率。则为光的频率。则普朗克常数普朗克常数h h=6.610=6.610-34-34J.sJ.s； 光速光速c c=3=310108 8m/sm/s；E Eg g的单位为电子伏（的单位为电子伏（eVeV），）， 1eV=1.61eV=1.61010-19-19J J。9hchc=19

8、.810=19.810-26-26mWs=12.410mWs=12.410-7-7meVmeV可见光的波长可见光的波长 近似地认为在近似地认为在710710-7-7mm以下以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度 至少应大于至少应大于 h ch c /=1.8 /=1.8 eVeV 普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料 的禁带宽度的禁带宽度E Eg g分别为分别为0.67eV0.67eV和和1.12eV1.12eV， 显然不能使用。显然不能使用。10通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体通常用的砷化镓和磷化镓两种材料

9、固溶体 ，写作，写作GaAsGaAs1-x1-xP Px x，x x代表磷化镓的比例，代表磷化镓的比例， 当当x x0.350.35时，可得到时，可得到Eg1.8eVEg1.8eV的材料的材料 。改变。改变x x值还可以决定发光波长，使值还可以决定发光波长，使 在在 550550900nm900nm间变化，它已经进入红外区间变化，它已经进入红外区 。 11与此相似的可供制作发光二极管的材料见与此相似的可供制作发光二极管的材料见 下表：下表：材料材料波长波长/nm/nm材料材料波长波长/nm/nmZnSZnS340340CuSe-ZnSeCuSe-ZnSe400400630630SiCSiC48

10、0480ZnZnx xCdCd1-x1-xTeTe590590830830GaPGaP565,680565,680GaAsGaAs1-x1-xP Px x550550900900GaAsGaAs900900InPInPx xAsAs1-x1-x91091031503150InPInP920920InInx xGaGa1-x1-xAsAs85085013501350LED LED材料材料12发光二极管的发光二极管的光谱特性光谱特性如图所示。图如图所示。图 中砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材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质成分稍有差异而得到不同的峰值波长

11、 p p。除除峰值波长峰值波长 p p决定发光颜色之外，峰决定发光颜色之外，峰的的 宽度宽度（用（用描述）决定光的色彩纯度，描述）决定光的色彩纯度， 越小，其光色越纯。越小，其光色越纯。13发光二极管的光谱特性发光二极管的光谱特性0.20.20.40.40.60.60.80.81.01.00 060060070070080080090090010001000GaAsPGaAsP p=670nmp=670nmp=655nmp=655nmGaAsPGaAsPp=565nmp=565nmGaPGaPp=950nmp=950nmGaAsGaAs/ /nmnm相对灵敏度相对灵敏度14发光二极管的发光二极

12、管的伏安特性伏安特性与普通二极管与普通二极管 相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（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，红色约为二极管的伏安曲线，红色约为1.7V1.7V开启，开启， 绿色约为绿色约为2.2V2.2V。15U U/V/VI I/ /mAmA-10-10-5-5 0 0 1 12 2GaAsPGaAsP( (红红) )GaAsPGaAsP( (绿绿) )图上的横坐标正负值刻度比例不同。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一般而言，发光二极管的反向击穿电压大

13、 于于5V5V，为了安全起见，使用时反向电压应为了安全起见，使用时反向电压应 在在5V5V以下。以下。164 4、激光器、激光器激光是激光是2020世纪世纪6060年代出现的最重大科技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。激光波长从高亮度三个重要特性。激光波长从 0.24m0.24m到远红外整个光频波段范围。到远红外整个光频波段范围。17激光器种类繁多，按工作物质分类：激光器种类繁多，按工作物质分类：uu固体激光器固体激光器（如红宝石激光器）（如红宝石激光器）uu气体激光器气体激光器（如氦（如氦- -氖气体激光器、二氧氖

14、气体激光器、二氧 化碳激光器）化碳激光器）uu半导体激光器半导体激光器（如砷化镓激光器）（如砷化镓激光器）uu液体激光器液体激光器。18（1 1）固体激光器）固体激光器典型实例是红宝石激光器，是典型实例是红宝石激光器，是19601960年人类年人类 发明的第一台激光器。它的工作物质是固发明的第一台激光器。它的工作物质是固 体。体。种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激 光器（简称光器（简称YAGYAG激光器）和钕玻璃激光器激光器）和钕玻璃激光器 等。等。19特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器特点：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。

15、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宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的 距离测量。距离测量。 20（2 2）气体激光器）气体激光器 工作物质是气体。工作物质是气体。 种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体 分子激光器。常用的有分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离氦氖激光器、氩离 子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳 激光器、准分子激光器激光器、准分子激光器等，其形状像普通等，其形状像普通 的放电管一样，能连续工作，单色性好。的放电管一样，能连续工作，单色性好。 它们的波长覆盖了