《讲义光传感器》PPT课件

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1、第五章光电式传感器定义:光电传感器是将光信号转换成电信号的光敏器件.一、光电效应物质在光的作用下释放电子的现象称为光电效应。光电子在外电场中运动形成的电流称为光电流。光电效应的实验规律：1）光电流的大小与入射光的强度成正比；2）光电子的初动能只与入射光的频率有关，与强度无关；3）入射光频率低于某一极限频率时无光电子产生；4)光电子释放过程<10-9S.光电效应分类：光电子发射效应光导效应光生伏特效应1.外光电效应（光电子发射效应）在光的作用下，电子逸出物体表面，向外发射，称为外光电效应。金属电子势阱：金属中，电子自由运动；能级低于体外，欲使逸出，外界供给能量，如同在势阱中运动。EoA

2、m(EF)mE0:真空中静止电子能量EF:金属的费米能级AM:功函数①金属功函数：Eo与EF之差，是电子逸出的最小能量。Am=Fo-(EF)m金属功函数的量级：电子伏特级。例：铯的功函数最低，为1.92eV.铂的功函数最高，为5.65eV.钼：4.6银：4.26钨：4.55②光子能量：Q=hvh:普朗克常量6.626×10-34JSv：光的频率③逸出条件：e吸收Q，Q>Ahv>A0Ahv半无限空间(频率限制)临界波长④逸出电子的动能由能量守恒定律（爱因斯坦光电效应方程）：逸出速度：电子质量⑤,光敏电流密度ip设：入射光功率P，则有，每秒入射光子数生成载流子数2、内光电效应①光电导效应

3、：光作用下引起物质（半导体）电导率发生变化的现象。光作用→电子吸收光能量→束缚态变为自由态→材料电导率变化例：半导体EdEvhνEg跃迁条件：临界波长例：Si（硅）②光生伏特效应在光照下，内建电场引起半导体PN结上产生电动势原理：a、PN结PN扩散++--PN++--PN-+E内建电场动态平衡扩散与内建电场E拉回动态平衡b、光生伏特光照PN结—吸收跃迁—电子孔穴对内建电场作用—电子N区，空穴P区-+PN+-Edpdn○++++----c、产生条件光子能量扩散长度（寿命）二.光的吸收系数α光是否可以在半导体材料中传播？光照射在半导体材料上是否都进入？为什么传播很短？衰减的原因是什么？光

4、可以在其中传播多深？以Si为例：由图可见同学们早晨好三、特性1.灵敏度S表示方法S=光度学:对可见光的能量计量辐射度量学:对x,紫外,红外,电磁的能量计量光电流(A)｛光通量流明灵敏度受光面照强度勒克斯灵敏度辐射通量辐射灵敏度输入量表示方法:(光度学中的表示)a)光通量lmlm流明:某一发光强度为1坎德拉的点光源在该方向单位立体角内传送出的光通量为1流明(lumen)1坎德拉:2042(1769铂的凝固点),气压为101325牛顿/,面积为1/60的绝对黑体沿法线方向发出的光强为1光强单位,称为1坎德拉b)照度勒克斯(Lux)1流明的光通量均匀分布在1m平面产生的照度为1勒克斯单位为

5、1流明/米c)辐射通量单位时间内通过元面积ds所有波长的能量为该元面积的辐射通量单位为瓦特1瓦特=685流明即输入量为能量,不同的输入量有不同的灵敏度2、光谱灵敏度度与峰值波长==S(λ)输出量输入量U(λ)Ф(λ)S(λ)单色辐射通量器件反映有宽度机理3.相对光谱灵敏度Sr(λ)光谱灵敏度与最大光谱灵敏度之比最大Sr(λ)均为1表示本身光谱选择性的优劣例如：都在处三个不同器件的大不一样，是否大的就好或不好。对于不同的用途来评价其优劣：对于广谱输入，选择性差的优。对于窄谱输入，选择性好的优。对于抗干扰，选择性好的为优。指连续辐射通量与输出之比测量是采用标准辐射源，探测器不同，材料不同

6、，响应不同。为什么？峰值波长不同4.积分灵敏度（静态特性）5.通量阈意义：能检测的最小检测辐射通量，最小检测辐射通量。存在组件固有噪声，只有大于固有噪声才能被检测输出产生的电信号与固有噪声电平相等时辐射射通量为通量阈。积分灵敏度S=等效噪声均方根输出U输入Ф6.归一划探测率问题：不同的(通量阈)探测器是否小的一定好？先看是怎样测量的△f阿仪器的带宽不一样，又因噪声频谱非常宽，越大，测量的噪声功率越大，也越大。即噪声功率没有反映出仪器不同造成的差别。阿再看探测器的面积不同对噪声的贡献：设：有一受光面积为A的器件是全同单元是每一单元的噪声功率阿如果两探测器材料相同，环境相同是常数，则有噪

7、声功率也没有反映出面积的差别两项因素都考虑进去问题怎样消除其不平等因素：归一化用去消除，即单位的8.频率特性：定义：相对光谱灵敏度随入射辐射通量的调制频率变化的特性。原因：响应为粒子过程。DD7.转换特性及响应时间（小信号条件）转换特性：输入为阶跃信号时的光电器件的响应。响应时间：光电器件输出电压达到最大值的0.63时的时间。9.光照特性10.温度特性11.伏安特性f=0时响应时间响应频率一般关系：四、光电传感器1.光电管原理:外光电效应光照-发射电子-电