第七章 光电式传感器

第七章光电式与光导式传感器第一节概述第二节光电效应与光电器件第三节光纤传感器内容提要学习目标了解光的特性及光源类型；掌握外光电效应定义及器件类型、内光电效应定义及器件类型；掌握各光电器件原理；了解光电传感器应用；理解光纤的结构及传光原理；掌握光纤传感器测量及调制原理。第七章光电式与光导式传感器第一节概述一、光的特性二、光源（发光器件）1、白炽光源2、气体放电光源3、发光二极管4、激光器第七章光电式与光导式传感器1000,000nm10nm780nm380nm可见光红外光线紫外线可见光：波长380—780nm紫外线：波长10—380nm波长300—380nm称为近紫外线波长200—300nm称为远紫外线波长10—200nm称为极远紫外线红外线：波长780—106nm波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3μm的红外线称为远红外线光波：波长为10—106nm的电磁波一、光的特性第七章光电式与光导式传感器二、光源（发光器件）1、白炽光源最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白炽灯的辐射光谱是连续的。发光范围：320nm~2500nm,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。第七章光电式与光导式传感器2、气体放电光源利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即气体放电灯。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。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。第七章光电式与光导式传感器低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，可被用作单色光源。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，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为白炽灯1/2-1/3。第七章光电式与光导式传感器构成：由半导体PN结构成。特点：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（LED—LightEmittingDiode）+-第七章光电式与光导式传感器RUNP++++++++++++++++----------------UφUiD++__原理：当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。第七章光电式与光导式传感器第七章光电式与光导式传感器电子和空穴复合，所释放的能量等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）Eg。所放出的光子能量用hν表示，有gEhcgEchgEh普朗克常数h=6.6×10-34J.s；光速c=3×108m/s；hc=19.8×10-26m•W•s=12.4×10-7m•eVEg单位为eV，1eV=1.6×10-19J第七章光电式与光导式传感器可见光的波长近似地在7×10-7m以下，所以制作可见光区的发光二极管，其材料的禁带宽度至少应大于hc/=1.8eV普通二极管是用硅或锗制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为1.12eV和0.67eV，不能使用。通常用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x＞0.35时，可得到Eg≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使在550～900nm间变化。第七章光电式与光导式传感器与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350LED材料第七章光电式与光导式传感器发光二极管的光谱特性0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相对灵敏度Δ砷磷化镓曲线有两根，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Δ描述）决定光的色彩纯度，Δ越小，其光色越纯。第七章光电式与光导式传感器U/VI/mA-10-5012GaAsP(红)GaAsP(绿)反向电压应在5V以下!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。红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。砷磷化镓发光二极管的伏安曲线第七章光电式与光导式传感器4、激光器激光（Laser:Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）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、高亮度和高的相干性四个重要特性。激光波长一般从0.15μm到远红外整个光频波段范围。X-射线激光器。第七章光电式与光导式传感器激光器种类繁多，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）液体激光器（染料激光器）。半导体激光器（如砷化镓激光器）第七章光电式与光导式传感器第二节光电效应与光电器件一、外光电效应二、内光电效应三、基本概念四、外光电效应器件五、内光电效应器件六、应用举例第七章光电式与光导式传感器被测量光信号的变化UIf光电传感器测量电路定义：利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。构成：光源、光学通路、光电元件。应用：光量变化的非电量；能转换成光量变化的其他非电量。特点：非接触；响应快；性能可靠。第七章光电式与光导式传感器光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式：第七章光电式与光导式传感器一、外光电效应定义：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。1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的；1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释；1905年，爱因斯坦提出了光子假设。第七章光电式与光导式传感器爱因斯坦光子假设：光在空间传播时，是不连续的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些不连续的量子称为“光量子”。1926年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为“光子”，沿用至今。第七章光电式与光导式传感器每个光子的能量：E=hνh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）νλ=3×108m/s可以看出光的波长越短，频率越高，光子能量也越大。第七章光电式与光导式传感器第七章光电式与光导式传感器02021Amvhvm—电子质量；v0—电子逸出速度。爱因斯坦光电方程：入射光成分不变，产生的光电流与光强成正比。光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管第七章光电式与光导式传感器第二节光电效应与光电器件一、外光电效应二、内光电效应三、基本概念四、外光电效应器件五、内光电效应器件六、应用举例1、光电导效应2、光生伏特效应第七章光电式与光导式传感器二、内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。1、光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。（器件：光敏电阻）第七章光电式与光导式传感器自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带导带价带禁带EgEg24.1hch为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即第七章光电式与光导式传感器第七章光电式与光导式传感器2、光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应（器件：光电池和光敏二极管、光敏三极管）。①势垒效应（结光电效应）接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。+++---+-PN第七章光电式与光导式传感器②侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。第七章光电式与光导式传感器第二节光电效应与光电器件一、外光电效应二、内光电效应三、基本概念四、外光电效应器件五、内光电效应器件六、应用举例1、暗电流2、响应度3、光谱4、等效噪声功率NEP第七章光电式与光导式传感器三、基本概念1、暗电流光传感器接入电路后即使没有光照射，由于热电子发射、场致发射和晶格振荡激发载流子，使电路有电流输出，此电流称为暗电流，也称随机电流。fIdN2eI频带宽度，暗电流平均值fdI2、响应度光传感器输出的电压或电流与光通量之比。SIIRSVVR第七章光电式与光导式传感器3、光谱光传感器输出与输入光波长的关系曲线。4、等效噪声功率NEP即能够产生与传感器输出噪声电压或电流相等的入射光功率的大小。反映最小可探测的光的功率。第七章光电式与光导式传感器第二节光电效应与光电器件一、外光电效应二、内光电效应三、基本概念四、外光电效应器件五、内光电效应器件六、应用举例（一）、光电管及其基本特性1、结构与工作原理2、主要性能（二）、光电倍增管及其基本特性1、结构和工作原理2、主要参数第七章光电式与光导式传感器四、外光电效应器件（一）、光电管及其基本特性1.结构与工作原理当光照射在阴极上时，中央阳极可以收集从阴极上溢出的电子，在外电场作用下形成电流I。光阳极光窗光电阴极第七章光电式与光导式传感器（1）内充有少量的惰性气体，如氩、氖；（2）当充气光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的过程中，和气体的原子发生碰撞使气体电离；（3）增大了光电流，从而使灵敏度增加；（4）但导致充气光电管的光电流与入射光强度不成比例，因而稳定性较差。阳极阴极阳极阴极充气光电管第七章光电式与光导式传感器第七章光电式与光导式传感器真空光电管充气光电管150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012阴极电压/VIA/μA2010050弱光强光1504681012阴极电压/VIA/μA2、主要性能：伏安特性、光照特性、光谱特性（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。第七章光电式与光导式传感器（2）、光电管的光照特性指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。225507510000.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。1-氧铯阴极2-锑铯阴极第七章光电式与光导式传感器（3）、光电管光谱特性保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。同一光电管对于不同频率光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。第七章光电式与光导式传感器对红外光源，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。型号光谱响应范围(A。)最佳灵敏度波长(A。)最小阴极灵敏度(uA/lm)阳极工作电压(V)暗电流(A)环境温度(℃)GD-52000–60003800–420030303×10-115-35GD-66000–110007000–900010308×10-115-35GD-73000–8500