光电式传感器-光电器

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1、第8章光电式传感器概述光电器件光纤传感器8.08.18.2光电效应；光电器件工作原理、基本特性；光纤传感器工作原理与应用。本章重点本章难点CCD工作原理；光纤传感器的应用。8.0概述1.什么是光电传感器光电传感器是将被测量的变化转换为光量的变化，再通过光电元件把光量的变化转换成电信号的一种测量装置，它的转换原理是基于光电效应。光电式传感器（简称光电传感器）又称为光敏传感器；从目的上讲，它是探测光电信号的器件，所以还可以称为光电探测器。2.光电传感器的组成光电传感器是以光为媒介，以光电效应为基础的传感器，其基本结构如图8-1所示。它一般由光源、光学通路、光电

2、器件三部分组成。被测量作用于光源或者光学通路。从而引起光量的变化。光电传感器4.光电传感器的特点光电传感器具有频谱宽、响应速度快、可靠性高、抗干扰能力强、非接触测量、既不受电磁辐射影响，也不辐射电磁波的特点。3.光电传感器的类型按照工作原理，光电传感器主要分为以下四种：（1）光电效应传感器（2）固态图像传感器（3）光纤传感器（4）红外热释电传感器光电效应4.光电传感器基础知识----光电效应1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，光量子的理论是现代物理学的基石，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。用光照射某一物体，可以看作物体受到一

3、连串能量为hv的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。E=hυ式中：h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s)υ——光的频率（s-1）。一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。1）外光电效应光照射物体

4、，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理得：式中：m——电子质量；v0——电子逸出速度。爱因斯坦光电效应方程光电子能否产生，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。红限频率为:v=A0/h红限波长为：λ=ch/A0由爱因斯坦光电效应方程可知：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

5、，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，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。2.内光电效应在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：（1）光电导效应在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。导带价

6、带禁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半导体中的能带：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到动能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，从而使电导率变大。式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。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：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）光生伏特效应在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该

7、效应的光电器件有光敏二极管、三极管、光电池。光敏电阻为纯电阻元件，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。其常用的材料有硫化镉（CdS）、硫化铅（PbS）、锑化铟（InSb）等。8.1光电器件8.1.1光敏电阻（光电导器件）1.光敏电阻的结构与工作原理（1）光敏电阻的结构光敏电阻的结构很简单，图8-2（a）为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。在顶部有两片梳状的金属电极，从波纹状梳齿缝隙里露出来的物质为半导体光敏层。光敏电

8、阻的电极采用梳状图案，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面