第8章_光电式传感器

第8章 光电式传感器

第8章 光电式传感器

8.1 1.2 8.3

光源 光电效应器件和特性 新型光电传感器 光敏传感器的应用举例

8.2

8.4

8.5

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光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转

换的关键元件，它是把光信号(红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号的器件。

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第一节 一、光谱

光

源

光波： 波长为10—106nm的电磁波 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。 光谱分布如图所示。

0.1 0.05 第8章

0.5 光电式传感器 5 10

1

波长/μm

0.01 极远紫外 远 近 可见光 紫 紫 外 外 105 5×104 近红外

远红外

106

波数/cm-1

5×105

104

5×103

103

3×1018

1016

5×1015

1015

5×1014

1014

5×1013

频率/Hz100

光子能量/eV 光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速 c=2.99793×1010cm/s,通常c≈3×1010cm/s。光的波长λ和频率 ν的关系为 νλ=3×1010cm / s ν的单位为Hz,λ的单位为cm。

50

10

5

1

0.5

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二、光源(发光器件)1、钨丝白炽灯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：可见光外、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。 在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯， 其体积较小，光效高，寿命也较长。

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2、气体放电灯定义：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。 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，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1/2—1/3。

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3、发光二极管LED(Light 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。 在半导体PN结中，P区的空穴由于扩散而移动到N区，N区 的电子则扩散到P区，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。

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电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度。所 放出的光子能量用hν表示，h为普朗克常数，ν为光的频率。则

h E g

h

c

普朗克常数h = 6.6×10-34J.s;光速c = 3×108m/s; Eg的单位为电子伏(eV),1eV=1.6×10-19J。 hc=19.8×10-26m W s=12.4×10-7m eV。

Eg

hc Eg

可见光的波长λ近似地认为在7×10-7m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 /λ=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。

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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λ在550~900nm间变化，它已经 进入红外区。 与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。 表4.1-1 LED材料 材料 ZnS SiC GaP GaAs InP 波长/nm 340 480 565,680 900 920 材料 CuSe-ZnSe ZnxCd1-xTe GaAs1-xPx InPxAs1-x InxGa1-xAs 波长/nm 400~630 590~830 550~900 910~3150 850~1350

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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。

注意，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 I/mA 电压应在5V以下。GaAsP(红)GaAsP(绿) -5 0 1 2

-10

U/V

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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λp。除 峰值波长λp决定发光颜色之外，峰的宽度(Δλ)决定光的色彩 纯度，Δλ越小，其光色越纯。GaP λ p=565nm GaAsP λ p=670nm GaAs λ p=950nm

相 对 0.8 灵 敏 0.6 度 0.40.2 0

1.0

GaAsP λ p=655nm

600

700 800 900 发光二极管的光谱特性

1000

λ/nm

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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 0.24μm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。

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(1)固体激光器典型实例是1960年人类发明的第一台激光器：红宝石 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。

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(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。

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(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。

(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。 特点：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。

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三、光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而 产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效 应分为外光电效应和内光电效应两大类。1、外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的 现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光 电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。 光子是具有能量的粒子，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)

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根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所 以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体 的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电 效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子 所需时间不超过10-9s。 根据能量守

恒定理

1 2 h m 0 A0 2式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。 该方程称为爱因斯坦光电效应方程。

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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。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。 当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，入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。

光电子逸出物体表面具有初始动能 mv02 /2 ,因此外光电效应 器件(如光电管)即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。 为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与 入射光的频率成正比。

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2、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，它多发生于半导体内。根 据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效 应两类：

(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。 基于这种效应的光电器件有光敏电阻。

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过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大 于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导 带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加， 从而使电导率变大。

导带

自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带

Eg

禁带 价带

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