第6章(1)光電式傳感器

第6章

光電式傳感器資料來自互聯(lián)網(wǎng)，由宋玉宏整理第6章

光電式傳感器

概述外光電效應(yīng)器件

內(nèi)光電效應(yīng)器件新型光電傳感器光敏傳感器的應(yīng)用舉例

光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。（一）光譜光波：波長為10—106nm的電磁波可見光：波長380—780nm紫外線：波長10—380nm，

波長300—380nm稱為近紫外線波長200—300nm稱為遠紫外線波長10—200nm稱為極遠紫外線，紅外線：波長780—106nm

波長3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3μm的紅外線稱為遠紅外線。遠紫外近紫外可見光近紅外遠紅外極遠紫外0.010.11100.050.55波長/μm波數(shù)/cm-1頻率/Hz光子能量/eV1061051041035×1055×1045×10310155×101410145×10131001015050.55×101510163×1018光譜分布光的波長與頻率的關(guān)系由光速確定，真空中的光速c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波長λ和頻率ν的關(guān)系為

ν的單位為Hz，λ的單位為cm。

νλ=3×1010cm/s（二）光源（發(fā)光器件）1、鎢絲白熾燈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：可見光外、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，是可取之處。在普通白熾燈基礎(chǔ)上制作的發(fā)光器件有溴鎢燈和碘鎢燈，其體積較小，光效高，壽命也較長。

2、氣體放電燈定義：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(guān)。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。

低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、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，它們經(jīng)常用作光電檢測儀器的單色光源。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，目前熒光劑的選擇范圍很廣，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如，照明日光燈。氣體放電燈消耗的能量僅為白熾燈1/2—1/3。3、發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）由半導體PN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。在半導體PN結(jié)中，P區(qū)的空穴由于擴散而移動到N區(qū)，N區(qū)的電子則擴散到P區(qū)，在PN結(jié)處形成勢壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴散。當PN結(jié)上加有正向電壓時，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，稱為少數(shù)載流子注入。所注入到P區(qū)里的電子和P區(qū)里的空穴復合，注入到N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復合，這種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。電子和空穴復合，所釋放的能量Eg等于PN結(jié)的禁帶寬度（即能量間隙）。所放出的光子能量用hν表示，h為普朗克常數(shù)，ν為光的頻率。則普朗克常數(shù)h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；Eg的單位為電子伏（eV），1eV=1.6╳10-19J。

hc=19.8×10-26m?W?s=12.4×10-7m?eV。

可見光的波長λ近似地認為在7×10-7m以下，所以制作發(fā)光二極管的材料，其禁帶寬度至少應(yīng)大于hc/λ=1.8eV

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，顯然不能使用。通常用的砷化鎵和磷化鎵兩種材料固溶體，寫作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例，當x＞0.35時，可得到Eg≥1.8eV的材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長，使λ在550～900nm間變化，它已經(jīng)進入紅外區(qū)。與此相似的可供制作發(fā)光二極管的材料見下表。材料波長/nm材料波長/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350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。U/V

I/mA注意，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(yīng)在5V以下。-10-5012GaAsP(紅)GaAsP(綠)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λp

。除峰值波長λp決定發(fā)光顏色之外，峰的寬度（用Δλ描述）決定光的色彩純度，Δλ越小，其光色越純。0.20.40.60.8

1.0

06007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAs發(fā)光二極管的光譜特性λ/nm相對靈敏度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，具有高方向性、高單色性和高亮度三個重要特性。激光波長從0.24μm到遠紅外整個光頻波段范圍。激光器種類繁多，按工作物質(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（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)是固體。種類：紅寶石激光器、摻釹的釔鋁榴石激光器（簡稱YAG激光器）和釹玻璃激光器等。特點：小而堅固、功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達到幾十太瓦。固體激光器在光譜吸收測量方面有一些應(yīng)用。利用阿波羅登月留下的反射鏡，紅寶石激光器還曾成功地用于地球到月球的距離測量。

（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、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準分子激光器等，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。（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(yīng)用以及步兵隨身攜帶，如在飛機上作測距儀來瞄準敵機。其缺點是輸出功率較小。目前半導體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。（4）液體激光器種類：螯合物激光器、無機液體激光器和有機染料激光器，其中較為重要的是有機染料激光器。它的最大特點是發(fā)出的激光波長可在一段范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而且效率也不會降低，因而它能起著其他激光器不能起的作用。（三）光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類1、外光電效應(yīng)

在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E=hνh—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。根據(jù)能量守恒定理

式中m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。當入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動能mv02/2

，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。

當光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類2、內(nèi)光電效應(yīng)（1）光電導效應(yīng)在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。過程：當光照射到半導體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導帶，如圖，使材料中導帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導率變大。導帶價帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg材料的光導性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導材料，總存在一個照射光波長限λ0，只有波長小于λ0的光照射在光電導體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進，從而使光電導體的電導率增加。式中ν、λ分別為入射光的頻率和波長。為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導材料的禁帶寬度Eg，即

（2）

光生伏特效應(yīng)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。

基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。

①勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）。

接觸的半導體和PN結(jié)中，當光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，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，被光激發(fā)的電子移向N