光电式传感器之

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1、第8章光电式传感器之一要求熟悉、理解光电器件结构原理，掌握典型光电器件的基本特性，熟悉它们的基本应用电路8.1典型光电器件光电传感器的构成：光源、光学通路、光电元件。应用：1、光量变化的非电量；2、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。被测量的变化光信号的变化电信号的变化光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。8.1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：

2、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。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。它的光谱是不连续的，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。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，可被用作单色光源。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

3、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。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）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。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，有普朗克常数h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；hc=

4、19.8×10-26m•W•s=12.4×10-7m•eVEg的单位为eV，1eV=1.6╳10-19J。可见光的波长近似地认为在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，显然不能使用。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在550～900nm间变化。与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：材料波长

5、/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350LED材料发光二极管的光谱特性如图所示。峰值波长p决定发光颜色，峰的宽度（用Δ描述）决定光的色彩纯度，Δ越小，其光色越纯。（注：图中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。）0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPλp=670nmλp=6

6、55nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相对灵敏度Δ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两类：外光电效应和内光电效应。8.2.1外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。8.2光电效应爱因斯坦光电效应方程：1.光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A。2.一定时，产生

7、的光电流和光强成正比。3.逸出的光电子具有动能。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。8.2.2内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）。1．光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从价态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。导带价带Eg（自由电子所占能带）（不存在电子所占能带）（价电子所占能带）禁带电子能量Eh≧Eg当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。基于这种效应的光电器件

8、有光敏电阻。光照射PN结