第6章 光电传感器

第六章光电式传感器第一节概述第二节外光电效应器件第三节内光电效应器件第四节新型光电传感器第五节光敏传感器的应用举例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。一、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—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。光谱分布如图所示。第一节概述远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/μm波数/cm-1频率/Hz光子能量/eV1061051041035×1055×1045×10310155×101410145×10131001015050.55×101510163×1018光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波长λ和频率ν的关系为ν的单位为Hz，λ的单位为cm。νλ=3×1010cm/s二、光源（发光器件）1、钨丝白炽灯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：可见光外、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。在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。2、气体放电灯定义：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。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，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。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，目前荧光剂的选择范围很广，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。3、发光二极管LED（LightEmittingDiode）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。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。hc=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。材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350LED材料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。注意，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。U/VI/mA-10-5012GaAsP(红)GaAsP(绿)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。0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAs发光二极管的光谱特性λ/nm相对灵敏度4、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。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。三、光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类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。向外发射的电子叫做光电子。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：E=hνh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）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，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，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。02021Amh该方程称为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。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。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。当光照射在物体上，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，它多发生于半导体内。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。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。2、内光电效应过程：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，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带价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。式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。Eg24.1hch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。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。①势垒效应（结光电效应）。②侧向光电效应利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。一、光电管及其基本特性1.结构与工作原理第二节外光电效应器件光阳极光电阴极光窗光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。（1）光电管的伏安特性2.主要性能在一定的光照射下，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。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压/VIA/μA（2）光电管的光照特性通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。光电管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51（3）光电管光谱特性由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率υ0，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率υ0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限λ0=7000Å，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%~30%。它适用于白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为3000~8500Å，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。二、光电倍增管及其基本特性为什么要进行放大（倍增）?1.结构和工作原理由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极（1）倍增系数M倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。阳极电流I为I=i·i—光电阴极的光电流2.主要参数ni103104105106255075100125极间电压/V放大倍数光电倍增管的特性曲线（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。（3）暗电流和本底脉冲没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。与直线最大偏离是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA处饱和10－1410－1010－610－2光通量/1m阳极电流/A（4）光电倍增管的光谱特性光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻，光电池和光敏晶体管等。一、光敏电阻光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。第三节内光电效应器件1.光敏电阻的工作原理和结构当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体电极采用梳状