傳感器原理與應(yīng)用第八章詳解演示文稿

傳感器原理與應(yīng)用第八章詳解演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有40頁\編輯于星期五優(yōu)選傳感器原理與應(yīng)用第八章現(xiàn)在是2頁\一共有40頁\編輯于星期五光電式傳感器的應(yīng)用可歸納為四種基本形式，即輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、?，F(xiàn)在是3頁\一共有40頁\編輯于星期五現(xiàn)在是4頁\一共有40頁\編輯于星期五現(xiàn)在是5頁\一共有40頁\編輯于星期五現(xiàn)在是6頁\一共有40頁\編輯于星期五8.1概述8.1.1光的特性光波是波長為10~106nm的電磁波。1000,000nm10nm780nm380nm可見光紅外光紫外光性質(zhì)：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)?，F(xiàn)在是7頁\一共有40頁\編輯于星期五1905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)：光在空間傳播時(shí)，是不連續(xù)的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流，愛因斯坦把這些不連續(xù)的量子稱為“光量子”。1926年，美國物理學(xué)家劉易斯把這一名詞改稱為“光子”，并沿用至今。每個(gè)光子的能量為E=hν可見，光的頻率愈高，光子的能量愈大。現(xiàn)在是8頁\一共有40頁\編輯于星期五8.2.2光源（發(fā)光器件）1.白熾光源最為普通的是用鎢絲通電加熱作為光輻射源。一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。發(fā)光范圍：320nm~2500nm,

所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。特點(diǎn)：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動(dòng)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?，F(xiàn)在是9頁\一共有40頁\編輯于星期五2.氣體放電光源利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈即氣體放電燈。它的光譜是不連續(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。現(xiàn)在是10頁\一共有40頁\編輯于星期五汞燈、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，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，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為白熾燈1/2-1/3。現(xiàn)在是11頁\一共有40頁\編輯于星期五構(gòu)成：由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成。特點(diǎn)：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。

3.發(fā)光二極管（LED——LightEmittingDiode）現(xiàn)在是12頁\一共有40頁\編輯于星期五RUNP++++++++++++++++----------------UiD++__原理：當(dāng)加正向電壓時(shí)，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，和P區(qū)里的空穴復(fù)合；空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種電子空穴對的復(fù)合同時(shí)伴隨著光子的放出，因而發(fā)光。現(xiàn)在是13頁\一共有40頁\編輯于星期五現(xiàn)在是14頁\一共有40頁\編輯于星期五

電子和空穴復(fù)合，所釋放的能量等于PN結(jié)的禁帶寬度（即能量間隙）Eg。所放出的光子能量用hν表示，有普朗克常數(shù)h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；hc=19.8×10-26m?W?s=12.4×10-7m?eV現(xiàn)在是15頁\一共有40頁\編輯于星期五Eg的單位為eV，1eV=1.6╳10-19J?？梢姽獾牟ㄩL近似地認(rèn)為在7×10-7m以下，所以制作可見光區(qū)的發(fā)光二極管，其材料的禁帶寬度至少應(yīng)大于hc/=1.8eV普通二極管是用硅或鍺制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為1.12eV和0.67

eV，顯然不能使用。現(xiàn)在是16頁\一共有40頁\編輯于星期五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(dāng)x＞0.35時(shí)，可得到Eg≥1.8eV的材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長，使

在550～900nm間變化?，F(xiàn)在是17頁\一共有40頁\編輯于星期五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-xAs850～1350LED材料現(xiàn)在是18頁\一共有40頁\編輯于星期五發(fā)光二極管的光譜特性如圖所示。圖中砷磷化鎵曲線有兩根，這是因?yàn)槠洳馁|(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Δ描述）決定光的色彩純度，Δ越小，其光色越純?，F(xiàn)在是19頁\一共有40頁\編輯于星期五發(fā)光二極管的光譜特性0.20.40.60.8

1.0

06007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相對靈敏度Δ現(xiàn)在是20頁\一共有40頁\編輯于星期五U/V

I/mA

-10

-5

0

12GaAsP(紅)GaAsP(綠)反向電壓應(yīng)在5V以下!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(diǎn)燃）電壓略有差異。紅色約為1.7V開啟，綠色約為2.2V。砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安曲線現(xiàn)在是21頁\一共有40頁\編輯于星期五4、激光器激光（Laser:Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）是20世紀(jì)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、高亮度和高的相干性四個(gè)重要特性。激光波長一般從0.15μm到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍。X-射線激光器?，F(xiàn)在是22頁\一共有40頁\編輯于星期五激光器種類繁多，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）液體激光器（染料激光器）。半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）現(xiàn)在是23頁\一共有40頁\編輯于星期五（1）固體激光器典型實(shí)例是紅寶石激光器，是1960年人類發(fā)明的第一臺(tái)激光器（T.Maiman）。工作物質(zhì)為紅寶石---摻0.05%Cr+3的Al2O3棒?，F(xiàn)在是24頁\一共有40頁\編輯于星期五Nd:YAG激光器

摻Nd+3

離子的激光器有三種:

?玻璃釔鋁石榴石氟化釔鋰（

YLF：LiYF4)Nd+3Y3Al5O12激活離子基質(zhì)釔鋁石榴石現(xiàn)在是25頁\一共有40頁\編輯于星期五（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(zhǔn)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。波長覆蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外的頻譜區(qū)域?，F(xiàn)在是26頁\一共有40頁\編輯于星期五現(xiàn)在是27頁\一共有40頁\編輯于星期五（3）液體激光器種類：螯合物激光器、無機(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器，其中較為重要的是有機(jī)染料激光器。它的最大特點(diǎn)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(huì)降低，因而它能起著其他激光器不能起的作用。現(xiàn)在是28頁\一共有40頁\編輯于星期五（4）半導(dǎo)體激光器與前幾種相比出現(xiàn)較晚，其成熟產(chǎn)品是砷化鎵激光器。特點(diǎn)：效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適宜在飛機(jī)、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶。其缺點(diǎn)是輸出功率較小。目前半導(dǎo)體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域?，F(xiàn)在是29頁\一共有40頁\編輯于星期五兩類：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。8.2.1外光電效應(yīng)在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)。8.2光電效應(yīng)現(xiàn)在是30頁\一共有40頁\編輯于星期五1887年，首先是赫茲（M.Hertz）在證明波動(dòng)理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的；1902年，勒納（Lenard)也對其進(jìn)行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無法根據(jù)當(dāng)時(shí)的理論加以解釋；1905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)?，F(xiàn)在是31頁\一共有40頁\編輯于星期五現(xiàn)在是32頁\一共有40頁\編輯于星期五愛因斯坦光電效應(yīng)方程：1.光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A。

2.一定時(shí)，產(chǎn)生的光電流和光強(qiáng)成正比。3.逸出的光電子具有動(dòng)能。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管?，F(xiàn)在是33頁\一共有40頁\編輯于星期五8.2.2內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）。1．光電導(dǎo)效應(yīng)

在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化?，F(xiàn)在是34頁\一共有40頁\編輯于星期五自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶禁帶導(dǎo)帶價(jià)帶

Eg電子能量Eh≧Eg當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強(qiáng),光電材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大現(xiàn)在是35頁\一共有40頁\編輯于星期五現(xiàn)在是36頁\一共有40頁\編輯于星期五基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻?，F(xiàn)在是37頁\一共有40頁\編輯于星期五①勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）

光照射PN結(jié)時(shí)，若h≧Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)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(fù)電，形成光生電動(dòng)勢。２．光生伏特效應(yīng)：在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件