第3章 光电式传感器1

第3章光电式传感器第3章光电式传感器3.1光电效应3.2热释电效应3.3光的吸收系数3.4光传感器的特性表示法3.5光电传感器1第3章光电式传感器3.1光电效应3.1.1外光电效应在光照射下,电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应,亦称光电发射效应。它是在1887年由德国科学家赫兹发现的。如：光电(真空)管、光电倍培管等。Qh光子具有的能量:2第3章光电式传感器逸出功A也称功函数：一个电子从金属或半导体表面逸出时克服表面势垒所需作的功,其值与材料有关,还和材料的表面状态有关。若逸出电子的动能为mV02/2，则由能量守恒定律爱因斯坦光电效应方程式表示：2012hvmvA3电子逸出物体时的初速电子的逸出功电子的静止质量m=9.1091×10-31kg第3章光电式传感器4(1)每一种物质都有一个对应的光频阀值,称为红限频率（对应的光波长称为临界波长）。光的频率大于红限频率,才会有电子发射出来。光的频率小于红限频率,光子的能量不足以使物体的电子逸出,因而小于红限频率的光,光强再大也不会产生光电发射。反之,入射光频率高于红限频率,即使光强微弱也会有电子发射出来。由爱因斯坦光电效应方程可以看出：第3章光电式传感器5(2)入射光在光电面激发的光电流密度：由爱因斯坦光电效应方程可以看出：pePihv量子效率为光强生成的载流子数与入射光子数之比,它是波长的函数,并与光电面的反射率、吸收系数、发射电子的深度、表面的亲和力等因素有关电子电荷入射光功率入射光频率普朗克常数量子效率第3章光电式传感器6(3)光电子逸出物体表面具有初始动能。因此光电管即使未加阳极电压,也会有光电流产生。为使光电流为零,必须加负的截止电压,而截止电压与入射光的频率成正比。由爱因斯坦光电效应方程可以看出：第3章光电式传感器3.1.2内光电效应7内光电效应光电导效应光生伏特效应入射光强改变物质导电率的物理现象半导体材料吸收光能后,在PN结上产生电动势的效应第3章光电式传感器1.光电导效应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Eg,即光的波长应小于某一临界波长λ0。8在入射光作用下,电子吸收光子能量,从价带激发到导带,过渡到自由状态,同时价带也因此形成自由空穴,致使导带的电子和价带的空穴浓度增大,引起材料电阻率减小。012390gghcAEE导带禁带价带Eg------++++++第3章光电式传感器图3.2光电导元件工作示意图光导元件URL电极电极入射光偏置电源负载电阻9当光电导元件在一定强度的光的连续照射下,元件达到平衡状态时,20cciePUdhc结论：i0在波长决定之后与P成正比,在ηP一定时与光波长λ成正比。多数载流子迁移率多数载流子寿命两电极间距第3章光电式传感器2.光生伏特效应若在N型硅片掺入P型杂质可形成一PN结。P型半导体内有许多多余的空穴,N型半导体内有许多过剩的电子,当N型半导体和P型半导体结合在一起时,由于热运动,N型半导体中的电子越过交界面填补了P型半导体中的空穴,也可以说P型半导体中的空穴越过交界面复合了N型半导体中的电子。10+++---PN+-光+-光生电子-空穴对PN结产生光生伏特效应第3章光电式传感器光生伏特效应的产生•当光照射到距表面很近的PN节时，如果光能足够大，光子能量大于半导体材料的禁带宽度，电子就能从价带跃迁到导带，成为自由电子。•由于光生电子、空穴在扩散过程中会分别于半导体中的空穴、电子复合，因此载流子的寿命与扩散长度有关。只有PN结距表面的厚度小于扩散长度，才能形成光电流产生光生电动势11第3章光电式传感器PN结用作整流时,其电压—电流特性如图曲线所示。这时外加电压U(以正方向为正)与电流Id的关系为(exp1)dseUIIkT12PN结的电压电流特性暗电流反向饱和暗电流玻耳兹曼常数绝对温度饱和电流IsIU开路光电势U0第3章光电式传感器当光照射到PN结上时,由于光生伏特效应产生的短路电流I0与光电导效应相类似,即0PIehc13PN结的电压电流特性饱和电流IsI(1)(2)光入射后U开路光电势U0短路光电流I0流经结点的电流是二者之差,即00(exp1)dseUIIIIIkT由此可见,当有光照射时,电压-电流特性向下方平行移动第3章光电式传感器当I=0时,对U求解,得开路电压为00ln(1)skTIUeI如果入射光较弱,I0Is,则有0skTPUIhc14第3章光电式传感器3.2热释电效应利用热效应的光电传感器包含光-热、热-电,两个阶段的信息变换过程。热释电效应：光-热阶段是物质吸收了光以后温度升高,热-电阶段是利用某种效应将热转变为电信号。15第3章光电式传感器3.2热释电效应热释电材料有晶体、陶瓷和塑料等。使用最早的是热释电晶体。热释电晶体在自然条件下能够自发极化,形成固有的偶极矩,在垂直晶体极轴的两个端面上具有大小相等、符号相反的束缚电荷。如果垂直晶体极轴的两个端面上镀有金属电极,则在电极上会感生与束缚电荷大小相等的自由电荷。利用热释电效应可制成红外探测器、温度传感器、热成像器件等。16第3章光电式传感器当温度变化时,电偶极矩会发生变化,晶体表面的束缚电荷发生变化,从而导致电极上的自由电荷发生变化。如果电极与放大器的输入端相接,则放大器输出与温度变化成正比的电信号。通常极化所产生的束缚电荷被来自空气中附集在晶体外表面的自由电荷中和,晶体对外不显电性。中和平均时间为17中和平均时间，约在1~1000s之间介电常数晶体的电导率第3章光电式传感器为了使产生的束缚电荷不被中和掉,就必须使晶体处于冷热交变工作状态,这样才能使晶体两端所产生的束缚电荷表现出来。因此,热释电传感器需要用光调制器调制入射光。调制频率f必须大于1/τ,才能使热释电体产生的电荷来不及被外来自由电荷所中和,在晶体极轴两端产生交变电压。18调制辐射RU热释电效应示意图第3章光电式传感器若在热释电体两端的电极上接入电阻R,则R两端所产生的交流信号电压ΔU为：()()SdPdTUSRSRgdtdt19调制辐射RU热释电效应示意图结论：输出信号ΔU与温度变化速度成正比,而温度的变化速度又与红外线的强度变化有关。电极面积自发极化矢量对时间的相对变化g=dPS/dT为热释电系数温度变化率第3章光电式传感器3.3光的吸收系数光在半导体材料中传播时会产生衰减,即产生光吸收。半导体材料通常能强烈地吸收光能,对光的吸收作用常用吸收系数来描述。光的吸收系数α与光波的波长λ有很大的关系。201061051041031021010.20.40.811.21.41.61.80.610310210110-110-2300k77kGeGaAs吸收系数/cm-1穿透深度/m1波长/mSi光的吸收系数α与光波波长λ的关系第3章光电式传感器以Φ(x)表示硅片内距表面x处的光强。由于光的吸收作用,从x到x+dx间光强减弱了dΦ,则吸收系数α的定义为-1[cm]ddx积分可得：0()xxe21可见光在进入硅片后按指数规律衰减,它的平均透入深度为：0011[()]xxdx小结：一定波长的光在硅中传播的平均深度就是对应此波长的吸收系数α的倒数。硅片表面(x=0)处入射光的强度，单位为光子数/s·cm2第3章光电式传感器3.4光传感器的特性表示法3.4.1灵敏度光电器件对辐射通量的反应称为灵敏度,也称为响应。反应用电压或电流表示。对可见光常用的有流明灵敏度和勒克斯灵敏度。lmASlm光电流光通量22lxASlx光电流受光面照度流明灵敏度流明即人眼所感觉的辐射通量单位勒克斯灵敏度2lmlxm第3章光电式传感器投射到传感器的光通量即使相同,如果光谱能量分布不同时,灵敏度也不同。因此,在测定灵敏度时规定光源是色温度为2856K的标准钨丝灯。对紫外线或红外波段的传感器,常用辐射灵敏度ASW光电流辐射通量23辐射通量Φ定义:目前对可见光波段的传感器也用辐射灵敏度表示[]dWdtW指在单位时间内通过某一面积辐射的能量第3章光电式传感器3.4.2光谱灵敏度S(λ)与峰值波长大多数接收器对所感受的波长是有选择性的。光电传感器件对不同波长光(电磁辐射)的反应程度称为光谱响应或光谱灵敏度。24()()()US单色辐射是指光线波长在Δλ→0的狭窄范围内的辐射,其通量称为单色辐射通量。光电器件的S(λ)随波长λ而变化,且在某个波长λm处有最大值S(λm)。波长λm称为峰值波长,即光谱灵敏度最大时的波长。光谱灵敏度为光电器件对单色辐射通量的反应与入射的单色辐射通量之比入射的单色辐射通量光电器件的反应第3章光电式传感器3.4.3相对光谱灵敏度Sr(λ)光谱灵敏度与最大光谱灵敏度之比称为相对光谱灵敏度,即25()()()rmSSS光谱特性是指相对光谱灵敏度与入射光波长之间的关系,不同敏感材料的光谱特性曲线。从材料的光谱特性曲线可以判断哪种辐射源与哪种光电器件配合使用,可以获得较高的灵敏度。Sr(λ)是一无量纲函数,也称光谱特性第3章光电式传感器不同敏感材料的光谱特性曲线26ZnSCdSSiGePbSPbTePbSe1008060402000.30.51.02.010.05.0Sr/%/m第3章光电式传感器3.4.4积分灵敏度S光电器件对连续辐射通量的反应程度称为积分灵敏度。定义为：反应U与入射到光电器件上的辐射通量Φ之比,即27US在光电器件说明书中列出的积分灵敏度值都是依据标准辐射源的辐射来测定的,光电器件类型不同所用标准辐射源也不同。当反映为光电流时,积分灵敏度即为辐射灵敏度。第3章光电式传感器3.4.5通量阀ΦH在光电器件输出端产生的电信号与固有噪声电平相等的最小辐射通量称为通量阀ΦH。若把对应于ΦH的光电器件的反应以等效噪声的均方根值，则有2822U22HUS辐射灵敏度第3章光电式传感器29光电器件的通量阀可以根据特定辐射源来测定,而且同积分灵敏度一样,它和辐射源的辐射特性有关。单色通量阀由下式定义22()()HUS单色通量阀反映光电器件本身的固有特性,而通量阀不仅反映光电器件本身的固有特性,而且还反映辐射特性。第3章光电式传感器3.4.6归一化探测率D*由于通量阀与光电器件灵敏面的面积的平方根成正比,在窄带情况下通量阀与带宽的平方根成正比。对光电器件性能进行比较,应当在灵敏面的尺寸和带宽一定的条件下进行,因而引进一个新的特性参数,即归一化探测率：3022HAfSAfDU由上式可见,D*实质上就是光电器件在具有单位灵敏面积、单位带宽(1Hz)及单位辐射通量时所获的信噪比。灵敏面面积带宽第3章光电式传感器3.4.7转换特性Sz(t)和响应时间当入射辐射通量很小时,可以把光电器件看作线性系统,并用转换特性的时间常数来描述光电器件的动态特性。转换特性Sz(t)是辐射通量Φ(t)为阶跃信号时光电器件的响应。对线性传感器,其辐射通量与输出电压之间的关系可以用以下微分方程描述310()()dUUtStdt(t),Sz(t)(t)Sz(t)1.00.63S0t0图3.8光电器件的转换特性第3章光电式传感器辐射通量为阶跃函数时,微分方程解为(假定t=0时,U(t)=0)0()(1)tUtSe实际上转换过程要经过2~3τ的时间才能结束。因此,将光电器件输出端电压达到最大值0.63倍时所对应的时间（即t=τ）称为光电器件的响应时间。它反映了光电器件响应时间的快慢,调制频率上限受响应时间的限制。32()(1)tytke第3章光电式传感器3.4.8光电器件的频率特性光电器件相对光谱灵敏度(输出端电压(电流)的振幅)随入射辐射通量的调制频率的变化关系称为光电器件的频率特性。由于光电器件有一定的惰性,在一定幅度的正弦调制光照射下,当频率较低时,灵敏度与频率无关;若频率增高,灵敏度就会逐渐降低。多数光电器件灵敏度与调制频率的关系为330222()(14)rrSSf