第章光電傳感器PPT課件

.,1,8.1概述,8.1.1光的特性,光波是波長為10106nm的電磁波。其中可見光的波長范圍在380780nm，紫外線的波長范圍是10380nm，紅外線的波長范圍是780106nm。,.,2,光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。由光的粒子說可知，光是以光速運動著的粒子（光子）流，一束頻率為的光由能量相同的光子所組成，每個光子的能量為h普朗克常數(shù)，6.62610-34Js；光的頻率（單位s-1）。可見，光的頻率愈高（即波長愈短），光子的能量愈大。,.,3,8.2.2光源（發(fā)光器件）,1.白熾光源,用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。發(fā)光范圍：可見光、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。特點：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差，但對接收光敏元件的光譜特性要求不高。,.,4,2.氣體放電光源,定義：利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。,氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。,.,5,低壓汞燈、氫燈、鈉燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，可被用作單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長的波長，氣體放電燈消耗的能量為白熾燈1/2-1/3,.,6,低壓汞燈：主要應用于醫(yī)院,餐飲業(yè)及純凈水等行業(yè)的消毒、殺菌、凈化空氣高壓汞燈：光效高，壽命長，是道路照明的首選光源，能在-40啟動。高壓鈉燈：廣泛應用于道路照明、隧道照明、建筑物泛光、廣場碼頭照明、植物栽培照明等。,高壓鈉燈高壓汞燈低壓汞燈,.,7,由半導體PN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應用。當PN結(jié)上加有正向電壓時，電子和空穴擴散的過程中發(fā)生復合，復合同時伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現(xiàn)象。,3.發(fā)光二極管（LEDLightEmittingDiode）,.,8,電子和空穴復合，所釋放的能量Eg等于PN結(jié)的禁帶寬度。所放出的光子能量用h表示，h為普朗克常數(shù)，為光的頻率。則,普朗克常數(shù)h=6.610-34J.s；光速c=3108m/s；Eg的單位為電子伏（eV），1eV=1.610-19J。,.,9,普通二極管是用鍺或硅制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為0.67eV和1.12eV，一般不能做發(fā)光二極管使用。,通常用的砷化鎵和磷化鎵兩種材料固溶體做發(fā)光二極管，寫作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例，當x0.35時，可得到Eg1.8eV的材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長，使在550900nm間變化。,.,10,發(fā)光二極管的光譜特性如圖所示。圖中砷磷化鎵的曲線有兩根，這是因為其材質(zhì)成分稍有差異而得到不同的峰值波長p。除峰值波長p決定發(fā)光顏色之外，峰的寬度（用描述）決定光的色彩純度，越小，其光色越純.如紅色光中:700nm-深紅色;660nm-紅色;645nm-鮮紅色;630nm-620nm-橙紅,.,11,發(fā)光二極管的光譜特性,.,12,發(fā)光二極管的伏安特性與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度的不同，開啟（點燃）電壓略有差異。圖為砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安曲線，紅色約為1.7V開啟，綠色約為2.2V。,.,13,圖上的橫坐標正負值刻度比例不同。一般而言，發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于5V，為了安全起見，使用時反向電壓應在5V以下。,.,14,4、激光器激光是20世紀60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，1958年，美國科學家肖洛和湯斯發(fā)現(xiàn)了一種神奇的現(xiàn)象：當他們將日光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發(fā)出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。根據(jù)這一現(xiàn)象，他們提出了激光原理，即物質(zhì)在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激勵時，都會產(chǎn)生這種不發(fā)散的強光-激光。,.,15,激光器是能夠產(chǎn)生激光束的機器。激光束是一細束光能，它不象普通光束，它只由一種顏色的光組成，因此也不象普通光那樣分散。在醫(yī)院里，外科醫(yī)生應用激光束做一些高難度的手術(shù)，如用激光器做眼科手術(shù);一個光盤只讀存儲器的驅(qū)動器是一個小激光器。激光束識別出光盤上微小凹痕的格式，驅(qū)動器把他們轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C能識別的數(shù)字另外,大功率的激光束能夠切割金屬板。,.,16,我國自主知識產(chǎn)權(quán)首臺大功率二氧化碳激光器,被洞穿的耐火磚,激光從放電管射出時，頃刻間釋放出100萬1000萬瓦的光電能量，射出光圈的中心溫度可達到1萬，這塊耐火磚雖可承受6000多高溫，不到2秒鐘就被洞穿。這種激光器發(fā)散角很小，光束即使經(jīng)過38.4萬公里射到月球，也只會形成一只洗臉盆大小的光圈。如果一般手電筒的光束能夠射這么遠，光圈的直徑將達一兩千公里。,.,17,激光器種類繁多，按產(chǎn)生激光的物質(zhì)分類：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）半導體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器,.,18,（1）固體激光器典型實例是紅寶石激光器，是1960年人類發(fā)明的第一臺激光器。它的工作物質(zhì)是以剛玉（或稱白寶石）單晶為基質(zhì)，摻入金屬鉻離子為激活粒子所組成的晶體激光材料。呈淡紅色，其摻雜波度一般為0.05（重量）。它是一種輸出波長為694.nm（紅光）的脈沖器件。目前已廣泛應用于打孔劃片、信息存儲等方面,.,19,.,20,（2）氣體激光器工作物質(zhì)是氣體。種類：各種原子、離子、金屬蒸汽、氣體分子激光器。常用的有氦氖激光器以及二氧化碳激光器等，其形狀像普通的放電管一樣，能連續(xù)工作，單色性好。它們的波長覆蓋了從紫外到遠紅外的頻譜區(qū)域。氦氖激光器則最大可測幾十公里。一般測量數(shù)米之內(nèi)的長度，其精度可達0.1微米。,.,21,（3）半導體激光器與前兩種相比出現(xiàn)較晚，其成熟產(chǎn)品是砷化鎵激光器。特點：效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適宜在飛機、軍艦、坦克上應用以及步兵隨身攜帶，如在飛機上作測距儀來瞄準敵機，導彈制導。其缺點是輸出功率較小。,.,22,（4）液體激光器常用的是染料激光器，采用有機染料作為工作介質(zhì)。大多數(shù)情況是把有機染料溶于溶劑中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長激光（在可見光范圍）。,.,23,半導體光電效應是半導體束縛電子在吸收光子后產(chǎn)生的電學效應,它是各類光敏器件工作的基本原理.半導體光電效應分為外光電效應和內(nèi)光電效應.其中內(nèi)光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應。,8.2光電效應,.,24,8.2.1外光電效應,物體內(nèi)的電子在吸收光子后，能逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光電效應?；谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽堋⒐怆姳对龉?。,.,25,8.2.2光電管及其基本特性,結(jié)構(gòu)與工作原理,外光電效應器件,玻璃外套為真空。陰極受到適當波長的光線照射時發(fā)射光電子，電子被正電極吸引在光電管內(nèi)形成電子流，外電路中便輸出電壓。光電流正比于光強大小。,.,26,主要性能,（1）光電管的伏安特性在一定的光照射下，對光電器件的所加電壓與所產(chǎn)生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性。,真空光電管充氣光電管(氬,氖),.,27,光通量（）的定義是：點光源或非點光源在單位時間內(nèi)所發(fā)出的能量,其中可產(chǎn)生視覺者（人能感覺出來的輻射通量）即稱為光通量。光通量的單位為流明（簡寫lm）。,.,28,（2）光電管的光照特性當光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時，光通量與光電流之間的關系。,光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。,光電管的光照特性,.,29,由陰極、次陰極（倍增電極）、陽極組成。陰極由半導體光電材料銻銫做成，次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料形成。次陰極可達30級。通常為1214級。,使用時在各個倍增電極上均加上電壓，陰極電位最低，以后依次升高，陽極最高。相鄰兩個倍增電極之間有電位差(50100V)，因此存在加速電場。,8.2.3光電倍增管及其基本特性,.,30,.,31,K,.,32,光電倍增管的優(yōu)點是放大倍數(shù)很高，可達106，線性好，頻率特性好，缺點是體積大，需要數(shù)百伏至1kv的直流電壓供電。,.,33,8.3內(nèi)光電效應半導體內(nèi)的電子吸收光子后不能躍出物體，所產(chǎn)生的光電效應為內(nèi)光電效應。按工作原理分為光電導效應和光生伏特效應。,1光電導效應在光線作用下，電子吸收光子能量，引起材料電導率的變化的現(xiàn)象稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻。,.,34,半導體材料中存在著導帶和價帶，導帶上面可以讓電子自由運動，而價帶上面可以讓空穴自由運動，導帶和價帶之間隔著一條禁帶，當電子吸收了光的能量從價帶跳躍到導帶中去時，從而使導帶的電子增加，半導體的電阻率變小。光敏電阻就是基于這個現(xiàn)像工作的。,.,35,.,36,內(nèi)光電效應器件,8.3.1光敏電阻,1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理,光敏電阻的結(jié)構(gòu)與電路連接,.,37,光敏半導體材料有硅、鍺、硫化鎘、硫化鉛、銻化銦、硒化鎘等。光敏電阻的阻值變化與光照波長有關。無極性之分。,.,38,如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大?。?.,39,2.光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性,（1）暗電阻、暗電流、亮電阻、亮電流、光電流光敏電阻在未受到光照時的阻值稱為暗電阻（1M），此時流過的電流為暗電流。在受到光照時的電阻稱為亮電阻(幾K)，此時的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差為光電流。一般暗電流越大，亮電阻越小，光敏電阻靈敏度越高,.,40,（2）光照特性用于描述光電流與光照強度之間的關系。,多數(shù)光敏電阻的光照特性是非線性的。,光敏電阻的光照特性,.,41,（3）光譜特性,光敏電阻材料硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。故選用時要把元件和光源結(jié)合起來考慮。,光敏電阻的光譜特性,.,42,(4)伏安特性,所加的電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和的現(xiàn)象。,在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強而增大。,光敏電阻的伏安特性,.,43,(5)溫度特性,峰值隨溫度上升向波長短的方向移動。為了提高靈敏度接收較長波段的紅外輻射，可采取制冷措施。,光敏電阻的光譜溫度特性,硫化鉛,.,44,勢壘效應（結(jié)光電效應）光照射PN結(jié)時，若hvEg，使價帶中的電子躍遷到導帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，電子偏向N區(qū)外側(cè)，空穴偏向P區(qū)外側(cè)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，形成光生電動勢。,光生伏特效應：在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象?；谠撔钠骷泄怆姵睾凸饷舳O管、三極管。,P,N,.,45,側(cè)向光電效應,側(cè)向光電效應是當光電器件敏感面受光照不均勻時，受光激發(fā)而產(chǎn)生的電子空穴對的濃度也不均勻，電子向未被照射部分擴散，引起光照部分帶正電、未被光照部分帶負電的一種現(xiàn)象。,.,46,光生伏特型光電元件-光電池,光電池是有源器件，它受到光照時就產(chǎn)生一定方向的電動勢，不需外接電源。太陽能電池也是一種光電池，它有較大面積的PN結(jié)，當光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。,.,47,光電池有硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池等。目前，應用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池和硒光電池。,硅光電池的價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。硒光電池的光電轉(zhuǎn)換效率低、壽命短，適于接收可見光。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應特性與太陽光譜最吻合，且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等的電源方面應用最廣。,.,48,1.光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理,光電池的結(jié)構(gòu)圖,硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖。它是在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成PN結(jié)。P層很薄，光可投射到PN結(jié)上。,.,49,光電池的工作原理示意圖,當光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。,若將PN結(jié)兩端用導線連起來，電路中就有電流流過。,.,50,2.基本特性,（）光譜特性,故硒光電池適用于可見光，常用于分析儀器、測量儀表。如用照度計測定光的強度。,硅光電池的光譜峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。,光電池的光譜特性,.,51,(2)光照特性,不同光照射下有不同光電流和光生電動勢。短路電流在很大范圍內(nèi)與光強成線性關系。,光電池的光照特性,開路電壓與光強是非線性的，且在2000lx(勒克斯)時趨于飽和。光電池作為測量元件時，應把它作為電流源的形式來使用，不宜用作電壓源，且負載電阻越小越好。,.,52,光電導結(jié)型光電元件-光敏晶體管,1.光敏二極管,光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài),無光照時，反向電阻為4M,有光照時，電阻為1K,產(chǎn)生光電流。,光敏二極管的光照特性是線性的，適合檢測等方面的應用。,透鏡窗口,.,53,.,54,2.光敏三極管,光照射在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近產(chǎn)生光電流（幾微安，即Ib），于是在集電極C和基極b之間的PN結(jié)能產(chǎn)生幾毫安電流（Ic）。,.,55,PNP光敏三極管基區(qū)很薄，基極一般不接引線；發(fā)射極面積較大。,.,56,4新型光電傳感器雪崩式光電二極管（APD）,在PN結(jié)的P區(qū)外增加一層摻雜濃度極高的P+層，且在其上加上高反偏壓。,雪崩式二極管,.,57,當光入射到PN結(jié)時，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。如果電壓增加到使電場達到200kV/cm以上，初始電子（一次電子）在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運動。高速運動的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應，致使載流子雪崩式倍增，,.,58,8.5CCD器件,攝像器件的主要作用就是將鏡頭所成的像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字或模擬的電信號輸出。視覺傳感器中最常用的就是電荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice）。它是在MOS器件基礎上發(fā)展起來的。由于它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳送等功能，因此被廣泛地應用在航海、通訊、雷達和醫(yī)學等方面。,.,59,1CCD的結(jié)構(gòu),CCD是一種半導體器件，是在P型（或N型）硅襯底上生長一層厚度約為100nm的SiO2絕緣層，再在SiO2層上依次沉積一系列相隔很小的金屬電極，每個金屬電極和它下面的絕緣層及半導體硅基體形成一個MOS電容器，CCD實際上是一系列MOS電容器構(gòu)成的