电子专业参赛课件 光电传感器

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1、光电传感器参赛选手：*****光波光谱：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780~103nm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图主要内容光电效应光学器件的基本特性参数外光电效应器件内光电效应器件测量原理光电器件的应用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。光电效应光电效应是

2、指当光照射到物体上时，物体受到一连串具有能量光子的轰击，于是物体中的电子吸收了光子的能量而产生电效应，包括发射电子，产生电动势或改变电导率等。光电效应分为外光电效应和内光电效应两类。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。向外发射的光子叫做光电子。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，每个光子的能量为：E=hνh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）根据爱因斯坦的假设，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，必须是光子的能量大于该物体的表面逸

3、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，从光开始照射到金属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理，可以得到爱因斯坦光电效应方程：式中m—电子质量；v0—电子逸出速度。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，称为红线频率或波长限。光束频率低于红线频率时，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红线频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红线频率，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，

4、产生的光电流与光强成正比。因为光强越大，意味着入射光子数目越多，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。2，内光电效应当光照射在物体上，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，多发生在半导体内。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）光电导效应光电导体在光的作用下，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

5、。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。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，使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内空穴浓度增加，从而使电导率变大。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：式中ν和λ分别为入射光的频率和波长。材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。（2）光生伏特效应某些半导体或电介质材料，在光线作用下，能够使物体产生一定方向的电动势的现象

6、叫做光生伏特效应。当光线照射于半导体PN结时，在PN结两端就会产生一定的电位差，并将在外回路中产生电流。基于这种效应的光电器件有光电池和光敏二极管、光敏三极管。太阳能电池的原理“光伏产业”光电器件的基本特性参数（1）响应度k光电器件输出电压VO与入射光功率PI之比称为响应度k，即：k=VO/PI=VO/(H·Ad)式中，VO是器件的输出电压，PI为入射光敏面的辐射功率，Ad是器件受光面积，H为光敏面的辐射照度。k的单位是(V/W)。响应度k是表征光电器件输出信号能力的特征量。（2）光谱特性不同光电器件对于不同波长(λ)的同强度辐射所产生响应度不一样。光电器件的响应度与

7、入射波长关系是其光谱特性。光谱特性曲线描述不同波长λ的入射光所产生器件响应度的曲线。归一化的响应度峰值频率截止频率（3）等效噪声功率当光敏器件在光照条件下产生的响应电压与该器件的噪声电压值相等（即信噪比为1）时，将入射到探测器上的光辐射功率定义为等效噪声功率，用NEP（瓦）表示：NEP=Pi/(Vo/Vn)式中，Vo为输出电压有效值，Vn为噪声均方根电压值，Vo/Vn称为信号噪声比，Pi为入射光功率。这里的噪声电压是指光电器件本身产生的随机电压，而不是电源不稳定等外界因素产生的。等效噪声功率表示由于噪声存在，一个光电器件在检测信号时有一个阈值，低于这