光電傳感器演示文稿

光電傳感器演示文稿1現(xiàn)在是1頁\一共有64頁\編輯于星期五2優(yōu)選光電傳感器現(xiàn)在是2頁\一共有64頁\編輯于星期五光都具有反射、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ν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)，6.626×10-34J·s；ν——光的頻率（單位s-1）?？梢姡獾念l率愈高（即波長愈短），光子的能量愈大?，F(xiàn)在是3頁\一共有64頁\編輯于星期五8.2.2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?，F(xiàn)在是4頁\一共有64頁\編輯于星期五2.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(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?，F(xiàn)在是5頁\一共有64頁\編輯于星期五低壓汞燈、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現(xiàn)在是6頁\一共有64頁\編輯于星期五低壓汞燈：主要應(yīng)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(yīng)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現(xiàn)在是7頁\一共有64頁\編輯于星期五由半導(dǎo)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。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(fù)合，復(fù)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（LED——LightEmittingDiode）現(xiàn)在是8頁\一共有64頁\編輯于星期五電子和空穴復(fù)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?，F(xiàn)在是9頁\一共有64頁\編輯于星期五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?，F(xiàn)在是10頁\一共有64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.如紅色光中:

700nm-深紅色;660nm-紅色;645nm-鮮紅色;630nm-620nm-橙紅現(xiàn)在是11頁\一共有64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相對靈敏度現(xiàn)在是12頁\一共有64頁\編輯于星期五發(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?，F(xiàn)在是13頁\一共有64頁\編輯于星期五U/V

I/mA

-10

-5

0

12GaAsP(紅)GaAsP(綠)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?，F(xiàn)在是14頁\一共有64頁\編輯于星期五4、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(xué)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?，F(xiàn)在是15頁\一共有64頁\編輯于星期五激光器是能夠產(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(yīng)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?，F(xiàn)在是16頁\一共有64頁\編輯于星期五我國自主知識產(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。現(xiàn)在是17頁\一共有64頁\編輯于星期五激光器種類繁多，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(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器現(xiàn)在是18頁\一共有64頁\編輯于星期五（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(yīng)用于打孔劃片、信息存儲等方面現(xiàn)在是19頁\一共有64頁\編輯于星期五現(xiàn)在是20頁\一共有64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。

現(xiàn)在是21頁\一共有64頁\編輯于星期五（3）半導(dǎo)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，導(dǎo)彈制導(dǎo)。其缺點是輸出功率較小。現(xiàn)在是22頁\一共有64頁\編輯于星期五（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）。現(xiàn)在是23頁\一共有64頁\編輯于星期五半導(dǎo)體光電效應(yīng)是半導(dǎo)體束縛電子在吸收光子后產(chǎn)生的電學(xué)效應(yīng),它是各類光敏器件工作的基本原理.半導(dǎo)體光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng).其中內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。8.2光電效應(yīng)現(xiàn)在是24頁\一共有64頁\編輯于星期五8.2.1外光電效應(yīng)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(yīng)。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管。現(xiàn)在是25頁\一共有64頁\編輯于星期五

光電管及其基本特性１．結(jié)構(gòu)與工作原理

外光電效應(yīng)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?，F(xiàn)在是26頁\一共有64頁\編輯于星期五２．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(guān)系稱為光電管的伏安特性。真空光電管充氣光電管(氬,氖)150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012陰極電壓/VIA/μA2010050弱光強光1504681012陰極電壓/VIA/μA現(xiàn)在是27頁\一共有64頁\編輯于星期五光通量（φ）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）。現(xiàn)在是28頁\一共有64頁\編輯于星期五（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(guān)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255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51現(xiàn)在是29頁\一共有64頁\編輯于星期五由陰極、次陰極（倍增電極）、陽極組成。陰極由半導(dǎo)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12~14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(50~100V)，因此存在加速電場。8.2.3光電倍增管及其基本特性現(xiàn)在是30頁\一共有64頁\編輯于星期五入射光陰極K第一倍增極D1D2D3D4陽極AR1RR5R4R3R2Usc-E現(xiàn)在是31頁\一共有64頁\編輯于星期五K現(xiàn)在是32頁\一共有64頁\編輯于星期五光電倍增管的優(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?，F(xiàn)在是33頁\一共有64頁\編輯于星期五8.3內(nèi)光電效應(yīng)半導(dǎo)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(yīng)為內(nèi)光電效應(yīng)。按工作原理分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。1．光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，電子吸收光子能量，引起材料電導(dǎo)率的變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻?，F(xiàn)在是34頁\一共有64頁\編輯于星期五半導(dǎo)體材料中存在著導(dǎo)帶和價帶，導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)帶中去時，從而使導(dǎo)帶的電子增加，半導(dǎo)體的電阻率變小。光敏電阻就是基于這個現(xiàn)像工作的?，F(xiàn)在是35頁\一共有64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電子所占能帶禁帶導(dǎo)帶價帶

Eg電子能量Ehυ≧Eg現(xiàn)在是36頁\一共有64頁\編輯于星期五內(nèi)光電效應(yīng)器件8.3.1光敏電阻1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理AE電極半導(dǎo)體玻璃底板RLEIRG光敏電阻的結(jié)構(gòu)與電路連接現(xiàn)在是37頁\一共有64頁\編輯于星期五光敏半導(dǎo)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(guān)。無極性之分?，F(xiàn)在是38頁\一共有64頁\編輯于星期五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小：現(xiàn)在是39頁\一共有64頁\編輯于星期五2.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（1MΩ），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KΩ)，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現(xiàn)在是40頁\一共有64頁\編輯于星期五（2）光照特性用于描述光電流與光照強度之間的關(guān)系。多數(shù)光敏電阻的光照特性是非線性的。0.050.100.150.200.2500.20.40.60.81.0光通量/lm光電流/mA光敏電阻的光照特性現(xiàn)在是41頁\一共有64頁\編輯于星期五（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0500100015002000250020406080100硫化鎘硫化鉈硫化鉛入射光波長/nm相對靈敏度/%現(xiàn)在是42頁\一共有64頁\編輯于星期五(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。0102030405050100150200250I/μAU/V光敏電阻的伏安特性現(xiàn)在是43頁\一共有64頁\編輯于星期五(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。2040608010001.02.03.04.05.0λ/μm相對靈敏度（%）+20oC-20oC光敏電阻的光譜溫度特性硫化鉛現(xiàn)在是44頁\一共有64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，若hv≧Eg，使價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)帶負電，形成光生電動勢。２．光生伏特效應(yīng)：在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏二極管、三極管。PN現(xiàn)在是45頁\一共有64頁\編輯于星期五②側(cè)向光電效應(yīng)側(cè)向光電效應(yīng)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。現(xiàn)在是46頁\一共有64頁\編輯于星期五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?，F(xiàn)在是47頁\一共有64頁\編輯于星期五光電池有硒光電池、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(yīng)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(yīng)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(yīng)用最廣。現(xiàn)在是48頁\一共有64頁\編輯于星期五1.光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理光電池的結(jié)構(gòu)圖下電極梳狀電極PN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。現(xiàn)在是49頁\一共有64頁\編輯于星期五光電池的工作原理示意圖RLI---mAV+++

PN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(dǎo)線連起來，電路中就有電流流過?，F(xiàn)在是50頁\一共有64頁\編輯于星期五2.基本特性（１）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。20406080100硒硅入射光波長λ/nm040060080010001200相對靈敏度/%光電池的光譜特性現(xiàn)在是51頁\一共有64頁\編輯于星期五(2)光照特性①不同光照射下有不同光電流和光生電動勢。②短路電流在很大范圍內(nèi)與光強成線性關(guān)系。光電池的光照特性開路電壓0.10.30.2照度/lx020004000光生電流/mA0.20.60.4光生電壓/V短路電流③開路電壓與光強是非線性的，且在2000lx(勒克斯)時趨于飽和。④光電池作為測量元件時，應(yīng)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?，F(xiàn)在是52頁\一共有64頁\編輯于星期五光電導(dǎo)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4MΩ,有光照時，電阻為1KΩ,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(yīng)用。RL

光PNPN光透鏡窗口現(xiàn)在是53頁\一共有64頁\編輯于星期五現(xiàn)在是54頁\一共有64頁\編輯于星期五2.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）。PPN

bec現(xiàn)在是55頁\一共有64頁\編輯于星期五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。ICeECIERCcPPNb現(xiàn)在是56頁\一共有64頁\編輯于星期五

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。偏壓輸出端價帶導(dǎo)帶信號光信號光電極電極P+IN雪崩式二極管現(xiàn)在是57頁\一共有64頁\編輯于星期五當光入射到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