光电传感器(详细)复习课程.ppt

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1、光电传感器光电传感器(详细详细)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。第一节第一节 概概 述述光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波长和频率的关系为 的单位为Hz，的单位为cm。电磁波波谱图二、光源（发光器件）1、白炽灯2、气体放电灯3

2、、发光二极管4、激光器常见的光源有哪几类？自然光源太阳光 人工光源热辐射光源 气体放电光源 激光器 电致发光器件一、热辐射光源什么是热辐射光源？热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。哪些光源属于热辐射光源？白炽灯卤钨灯热辐射光源的峰值波长与什么有关？物体温度越高，辐射能量越大，波长越短。热辐射光源有哪些特点？输出功率大 响应速度慢，调制频率低于1kHz，不能用于快速的正弦和脉冲调制。白炽灯为可见光源，峰值波长在近红外区域，可用作近红外光源。二、气体放电光源什么是气体放电光源？电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。气体放电光源的光谱与什

3、么有关？其光谱是不连续的，光谱与气体的种类以及放电条件有关。哪些光源属于气体放电光源？低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯统称为光谱灯，常用作单色光源。还有氙灯。三、电致发光器件发光二极管什么是电致发光器件？固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件。哪些器件属于电致发光器件？主要有发光二极管、半导体激光器、电致发光屏等。发光二极管有哪些优点？体积小 寿命长（50000 h）工作电压低 响应速度快 发热小发光二极管的发光强度与电流成正比，这个电流约在几十毫安之内，太大会引起输出光强饱和，甚至损坏器件，使用时常串连一电阻

4、。四、激光器激光器laser，是“光受激辐射放大”的缩写，即light amplification by stimulated emission of radiation.某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量，从低能级跃迁到高能级上，如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子。由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为光的受激辐射放大。具有这种功能的器件称为激光器。激光器有哪些优点？单色性好、方向性好、亮度高、相干性好激光器有哪几种？固体激光器（红宝石）气体激光器（

5、He-Ne）,（CO2，远红外光源）半导体激光器（体积小，能量高，电源简单）液体激光器三、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=hh普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）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

6、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 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。n光光电电子子能能否否产产生生，取取决决于于光光电电子子的的能能量量是是否否大大于于该该物物体体的的表表面面电电子子逸逸出出功功A A0 0。不不同同的的物物质质具具有有不不同同的的逸逸出出功功，即即每每一一个个物物体体都都有有一一个个对对应应的的光光频频阈阈值值，称称为为红红限限频频率率或或波波长长限限。光光线线频频率率低低于于红红限限频频率率，光光子子能能量量

7、不不足足以以使使物物体体内内的的电电子子逸逸出出，因因而而小小于于红红限限频频率率的的入入射射光光，光光强强再再大大也也不不会会产产生生光光电电子子发发射射；反反之之，入入射射光光频频率率高高于于红红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。n当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成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，意味着入射光子数目越多，逸出的正比。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。电子数也就越多。n光电子逸出物体表面具有初始动能光电子逸出物体表面具有初始动能mvmv0 02 2/2/2 ，因此

8、外光，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，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。而且截止电压与入射光的频率成正比。当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，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 2 2、内光电效应、内光电效应在光线作用，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

9、种效应的光电器件有光敏电阻。（2 2）光生伏特效应光生伏特效应 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。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。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，产生光电动势的现象，称为结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。加偏压的加偏压的加偏压的加偏压的PNPNPNPN结结结结不加偏压的不加偏压的不加偏压的

10、不加偏压的PNPNPNPN结结结结 利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。光电管和光电倍增管。一、光电管及其基本特性一、光电管及其基本特性光电管的结构示意图1.1.结构结构 光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。第二节第二节 外光电效应

11、器件外光电效应器件 光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。（1）光电管的伏安特性2.2.主要性能主要性能 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。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。光电管的伏安特性5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012IA/A（2）光电管的光照特性 通常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。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流

12、I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。光电管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/A1.02.51（3）光电管光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。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。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率0，因此它们可用于不同的光谱范围。二、光电倍增管及其基本特性二、光电倍增管及其基本特性 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

13、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。1.1.结构和工作原理结构和工作原理由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。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105-106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。利用物质在光的照射下电导性能改变（）或产生电动势的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。一、光敏电阻 光敏电阻又称光

14、导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。第三节第三节 内光电效应器件内光电效应器件1.1.光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即 h h=Eg(eV)式中和入射光的频率和波长。一种光电导体，存在

15、一个照射光的波长限C，只有波长小于C的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。RGRLEI2.2.光敏电阻的主要参数和基本特性光敏电阻的主要参数和基本特性（1）暗电阻、亮电阻、光电流暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，

16、称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。光电流：亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。（2 2）光照特性）光照特性下图表示CdS(硫化镉)光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这

17、是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。Lx照度单位：单位面积的光通量 I/mA012345 L/lx10002000（3 3）伏安特性伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。U/V501001502001202040I/A二、光电池

18、二、光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件，又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势，有光线作用时就是电源。应用:用于宇航电源、检测和自动控制等。种类：硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。l硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接收红外光。l硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。l砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合,且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫

19、星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。太阳能手机充电器太阳能手机充电器太阳能供LED电警示太阳能电池三、光敏二极管三、光敏二极管1.光敏二极管 光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此频率特性好。光生电势与光电池相同，但输出电流比光电池小，一般为几A到几十A。按材料：硅、砷化镓、锑化锢光电二极管等多种。按结构：同质结与异质结之分。最典型的是同质结硅光电二极管。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型：2CU和2DU两种系列。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。1.1.光敏二极管光敏二极管锗光敏二极管有A

20、，B，C，D四类；硅光敏二极管有2CU1AD系列、2DU14系列。光敏二极管结构与一般二极管都有一个PN结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受光，PN结面积比一般二极管大，它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接收到光照射。PN光光敏二极管符号RL 光PN光敏二极管接线 在无光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，称为暗电流。此时光敏二极管处于载止状态，只有少数载流子在反向偏压作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流。当有光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的

21、少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成光电流。光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系，所以适合检测等方面的应用。红外发射、接收对管外形红外发射、接收对管外形 红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管光敏二极管的反向偏置接线光敏二极管的反向偏置接线及光电特性演示及光电特性演示 在没有光照时，由于二极在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。（暗电流）很小。当当光照增加光照增加时，时，光电流光电流I与光照度成正与光照度成正比关系。比关系。光敏光敏二二极管的极管的反向偏反向偏置接法置接法UO

22、+光照光照光固态图象传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。它的核心是电荷转移器件CTD(Charge Transfer Device),最常用的是电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD自1970年问世以后，由于它的低噪声等特点，CCD图象传感器广泛的被应用在微光电视摄像、信息存储和信息处理等方面。第四节第四节 其它光传感器其它光传感器光电耦合器光电耦合器由一发光元件和一光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。电-光-电转换器件指纹锁指纹锁门禁门禁光光电电鼠鼠标标第五节第五节 光传感器的应用举例光传感器的应用举例料料位位自自动动控控制制光电开关光电开关结构与外形光电开关结构与外形光电池应用 光电池主要有两大类型的应用：作光伏器件使用 利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。这是全世界范围内人们所追求、探索新能源的一个重要研究课题。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。目前太阳电池发电成本尚不能与常规能源竞争，但是随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池定将获得更广泛的应用。作光电转换器件应用 需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。结束结束