第七章光电式与光导式传感器

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1、第七章光电式与光导式传感器第一节光电效应与光电器件第二节光纤传感器可见光0.5极远紫外0.10.05近红外远红外150.0110波长/μm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—106nm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第一节光电效应与光电器件一、外光电效应定义：在光照射下,电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应,亦称光电发射效应

2、(光电管、光电倍培管).每个光子的能量：E=hνh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）νλ=3×1010cm/s可以看出光的波长越短，频率越高，光子能量也越大。光照射物体，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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。由上式可知：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

3、子数也就越多。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。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，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。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。二、内光电效应当光照射在物体上，

4、使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。1、光电导效应在光线作用，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（光敏电阻）。过程：自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带导带价带禁带Eg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2、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（光电池和光敏二极管、光敏三极管）。①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，便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN

5、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。②侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，则将产生载流子浓度梯度而产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分

6、带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。三、基本概念1、暗电流光传感器接入电路后即使没有光照射，由于热电子发射、场致发射和晶格振荡激发载流子，使电路有电流输出，此电流称为暗电流，也称随机电流。2、响应度光传感器输出的电压或电流与光通量之比。3、光谱光传感器输出与输入光波长的关系曲线。4、等效噪声功率NEP即能够产生于传感器输出噪声电压或电流相等的入射光的功率大小。反映最小可探测的光的功率。四、外光电效应器件（一）、光电管及其基本特性光1.结构与工作原理阳极光窗光电阴极当光照射在阴极上时，中央阳极

7、可以收集从阴极上溢出的电子，在外电场作用下形成电流I。充气光电管内充有少量的惰性气体，如氩、氖，当充气光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的过程中，和气体的原子发生碰撞使气体电离。因此增大了光电流，从而使灵敏度增加，但导致充气光电管的光电流与入射光强度不成比例，因而稳定性较差。（1）光电管的伏安特性2.主要性能：伏安特性、光照特性、光谱特性在一定的光照射下，对光电器件的阳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。真空光电管充气光电管的电压-电流特性不具有真空光电管的那种饱和特性,而是达到充气离子化电压附近时,阳极电流急速上升,如图所

8、示。急速上升部分的特性就是气体放大特性,放大系数为5~10。充气光电管的优点是灵