光电色敏传感器8.1 (1)

1第八章光电式传感器28.1概述8.1.1光的特性光波是波长为10~106nm的电磁波。其中可见光的波长范围在380~780nm，紫外线的波长范围是10~380nm，红外线的波长范围是780~106nm。3光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。由光的粒子说可知，光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为ν的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为h——普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν——光的频率（单位s-1）。可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。hE48.2.2光源（发光器件）1.白炽光源用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的。发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：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。52.气体放电光源定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的，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。6低压汞灯、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长，如照明日光灯。气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/37由半导体PN结构成，其工作电压低、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）8半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。9电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用hν表示，h为普朗克常数，ν为光的频率。则gEhcgEchgEh普朗克常数h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.6╳10-19J。10hc=19.8×10-26m•W•s=12.4×10-7m•eV可见光的波长λ近似地认为在7×10-7m以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于hc/λ=1.8eV普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。11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λ在550～900nm间变化，它已经进入红外区。12与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350LED材料13发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长λp。除峰值波长λp决定发光颜色之外，峰的宽度（用Δλ描述）决定光的色彩纯度，Δλ越小，其光色越纯。14发光二极管的光谱特性0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相对灵敏度15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。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。16U/VI/mA-10-5012GaAsP(红)GaAsP(绿)图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向电压应在5V以下。174、激光器激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24μm到远红外整个光频波段范围。18激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器。19（1）固体激光器典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激光器。它的工作物质是固体。种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称YAG激光器）和钕玻璃激光器等。20特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件。固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。21（2）气体激光器工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。22（3）半导体激光器与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。23（4）液体激光器种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。24258.2.1外光电效应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。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。8.2光电效应2602021Amh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.υ一定时，产生的光电流和光强成正比。3.逸出的光电子具有动能。278.2.2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效应。1．光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。28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导带价带Eg电子能量Ehυ≧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。29①势垒效应（结光电效应）光照射PN结时，若hυ≧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，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。２．光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。PN30②侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。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大，就出现了浓度梯度，因而载流子要扩散，形成电势差。318.3.1光电管及其基本特性１．结构与工作原理8.3外光电效应器件32２．主要性能（1）光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的阴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。真空光电管光电管150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012阴极电压/VIA/μA2010050弱光强光1504681012阴极电压/VIA/μA33（2）光电管的光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。图8-5光电管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/lm(流明)IA/μA1.02.5134（2）光电管的光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。图8-5光电管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/lm(流明)IA/μA1.02.5135(3)光电管的光谱特性光谱特性是指相对灵敏度与入射光波长λ之间的关系，亦称光谱响应。为提高光电传感器的灵敏度，应根据光谱特性合理选择相匹配的光源和光电器件。以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料制成，其红限λc=700nm，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。36对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。还有些光电管的光谱特性与人的视觉光谱特性有很大差异，可以担负人眼不能胜任的工作，如夜视镜等。37型号光谱响应范围(A。)最佳灵敏度波长(A。)最小阴极灵敏度(uA/lm)阳极工作电压(V)暗电流(A)环境温度(℃)GD-52000–60003800–420030303×10-115-35GD-66000–110007000–900010308×10-115-35GD-73000–85004500451008×10-1140国产光电管的技术参数38由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成。阴极由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料。次阴极可达30级。通常为12～14级。使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。8.3.2光电倍增管及其基本特性39IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT40入射光阴极K第一倍增极第二倍增极第三倍增极第四倍增极阳极A4142光电倍增管的电流放大倍数为如果n个倍增电极二次发射电子的数目相同,则Ｍ＝δin因此阳极电流为Ｉ＝i·δin,)48(i/IniM与所加的电压有关。一般阳极和阴极之间的电压为1000～2500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50～100V。主要参数：1.倍增系数M：等于各个倍增电极的2次发射电子数δi的乘积。43一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。一个光子在阳极上产生的平均电子数叫光电倍增管的总灵敏度.(2)光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度最大灵敏度可达10A/lm不能受强光照射。图8-7光电倍增管的特性曲线255075100125106极间电压/V倍增系数M10510410344（3）暗电流和本底电流由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍增管就会有电流信号输出—即本底脉冲。4.光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的相似。45型号光谱响应范围(A。)倍增极数阴极灵敏度(uA/lm)阳极工作电压(V)暗电流(A)环境温度(℃)GDB-5253000–650011409008×10-9-40-40GDB-2513000–650013309006×10-9-50-50GDB-2203000–65008409008×10-9-40-50GDB-4103000–7500113010001×10-7-80-60GDB-4233000–8500116013005×10-8-40-40GDB-1252000–65009407502×10-9-40-50国产光电倍增管的技术参数468.4内光电效应器