生物醫(yī)學(xué)傳感光電

關(guān)于生物醫(yī)學(xué)傳感光電2024/4/91一、

概述二、

外光電效應(yīng)器件三、內(nèi)光電效應(yīng)器件四、

幾種特殊光電器件五、

光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)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。

光電式傳感器第2頁,共65頁，2024年2月25日，星期天一、光譜

光波：波長為10—106nm的電磁波

可見光紫外線紅外線§10-1概述可見光近紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長/μmνλ=3×1010cm/s第3頁,共65頁，2024年2月25日，星期天二、光源（發(fā)光器件）1、鎢絲白熾燈2、氣體放電燈3、發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）材料波長/nm材料波長/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350第4頁,共65頁，2024年2月25日，星期天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相對靈敏度第5頁,共65頁，2024年2月25日，星期天4、激光器固體激光器（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。第6頁,共65頁，2024年2月25日，星期天什么是光電效應(yīng)?

光照射在某些物質(zhì)上時,物質(zhì)的電子吸收光子的能量而發(fā)生電效應(yīng)現(xiàn)象，如導(dǎo)電率變化、釋放電子和產(chǎn)生電動勢等。釋放的電子叫光電子，能產(chǎn)生光效應(yīng)的物質(zhì)叫光電材料。光電效應(yīng)按其作用原理分為以下兩大類型：外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)三、光電效應(yīng)第7頁,共65頁，2024年2月25日，星期天一、外光電效應(yīng)§10-2

外光電效應(yīng)及器件外光電效應(yīng)遵循以下兩個定律：

（1）斯托列夫定律--當(dāng)入射光的頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流（即單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目的飽和值）與入射光的強(qiáng)度成正比。

（2）愛因斯坦定律--光電子的最大動能與入射光的頻率成線性關(guān)系，而與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。

在光照的作用下，物體表面和內(nèi)部電子吸收光能后逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，亦稱光電發(fā)射效應(yīng)。第8頁,共65頁，2024年2月25日，星期天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）愛因斯坦光電效應(yīng)方程式中：m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度；Ao—金屬的逸出功第9頁,共65頁，2024年2月25日，星期天(一)光電管1.結(jié)構(gòu)與工作原理二、外光電效應(yīng)器件光電管的結(jié)構(gòu)示意圖光光電陰極陽極第10頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2.主要性能光電管的伏安特性電壓/V5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012IA/μA（1）光電管的伏安特性第11頁,共65頁，2024年2月25日，星期天光電管的光電特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51（2）

光電管的光電特性（3）光電管光譜特性第12頁,共65頁，2024年2月25日，星期天(二)光電倍增管入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極1.結(jié)構(gòu)和工作原理：二次電子發(fā)射電子倍增現(xiàn)象

第13頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第14頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2.主要參數(shù)（1）倍增系數(shù)M

103

104

105

106255075100125極間電壓/V放大倍數(shù)光電倍增管的特性曲線第15頁,共65頁，2024年2月25日，星期天（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度（3）暗電流和本底脈沖（4）光電倍增管的光電特性光電倍增管的光電特性與直線最大偏離是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA處飽和10－1410－1010－610－2光通量/1m陽極電流/A第16頁,共65頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類：§10-3內(nèi)光電效應(yīng)及器件1、光電導(dǎo)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(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。

基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。第17頁,共65頁，2024年2月25日，星期天導(dǎo)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第18頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導(dǎo)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(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。式中ν、λ分別為入射光的頻率和波長。為了實(shí)現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即第19頁,共65頁，2024年2月25日，星期天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)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。①結(jié)型光電效應(yīng)接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結(jié)型光電效應(yīng)。

2、光生伏特效應(yīng)第20頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第21頁,共65頁，2024年2月25日，星期天結(jié)型光電器件與光電導(dǎo)器件的區(qū)別：（1）產(chǎn)生光電變換的部位不同；（2）光電導(dǎo)器件沒有極性，而結(jié)型光電器件有確定的正負(fù)極性；（3）光電導(dǎo)器件馳豫時間較大，結(jié)型器件馳豫時間相應(yīng)較小，因此響應(yīng)速度較快；（4）有些結(jié)型光電器件靈敏較高，可以通過較大的電流。第22頁,共65頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）。②側(cè)向光電效應(yīng)第23頁,共65頁，2024年2月25日，星期天利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動勢的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。一、光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。

優(yōu)點(diǎn)：

不足：3、內(nèi)光電效應(yīng)器件第24頁,共65頁，2024年2月25日，星期天(一)光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理第25頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

(二)光敏電阻的主要參數(shù)

1．暗電阻光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。2．亮電阻光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。3．光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。第26頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

(三)光敏電阻的基本特性1．伏安特性第27頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2．光譜特性0.65um1.05um2.3um第28頁,共65頁，2024年2月25日，星期天3．溫度特性第29頁,共65頁，2024年2月25日，星期天二、光電池

按光電池的用途可分為兩類：即太陽能光電池和測量光電池。1、硒光電池2、氧化亞銅光電池3、硫化鉈光電池4、硫化鎘光電池5、鍺光電池6、硅光電池7、砷化鎵光電池光電池的種類：能用可見光作光源能用可見光作光源第30頁,共65頁，2024年2月25日，星期天1.光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理光電池的示意圖+光PN－SiO2RL(a)光電池的結(jié)構(gòu)圖I光(b)光電池的工作原理示意圖

P

N第31頁,共65頁，2024年2月25日，星期天（1）光電特性

開路電壓曲線：

短路電流曲線：2.基本特性L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光電池(b)硒光電池開路電壓短路電流短路電流第32頁,共65頁，2024年2月25日，星期天02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0第33頁,共65頁，2024年2月25日，星期天204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm(2)光譜特性1——硒光電池2——硅光電池第34頁,共65頁，2024年2月25日，星期天(3)頻率特性204060801000I/%1234512f/kHz1——硅光電池2——硒光電池第35頁,共65頁，2024年2月25日，星期天（4）溫度特性2004060904060UOC/mVT/oCISCUOCISC

/μA600400200UOC——開路電壓ISC——短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線第36頁,共65頁，2024年2月25日，星期天三、光敏晶體管光敏二極管光敏三極管第37頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

1.光敏二極管光敏二極管符號光敏二極管接線

RL

光PNPN光第38頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2024/4/939工作原理

光電流與照度之間呈線性關(guān)系，即光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。第39頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2.光敏三極管PPNNNPe

b

bc

RL

Eec第40頁,共65頁，2024年2月25日，星期天工作時要保證集電極反偏，發(fā)射極正偏。

RL

E

光敏三極管的工作原理分為兩個過程：一是光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放大。光電轉(zhuǎn)換部分是在集-基結(jié)區(qū)內(nèi)進(jìn)行，而集電極、基極、發(fā)射極構(gòu)成了一個有放大作用的晶體管。第41頁,共65頁，2024年2月25日，星期天光敏三極管的主要特性：相對靈敏度/%硅鍺入射光λ/?40008000120001600010080604020

0（1）光譜特性

光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。第42頁,共65頁，2024年2月25日，星期天光敏三極管的伏安特性（2）伏安特性光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080U/V第43頁,共65頁，2024年2月25日，星期天光敏晶體管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。

（3）光電特性第44頁,共65頁，2024年2月25日，星期天暗電流/mA光電流/mA10203040506070T/oC25

050100

02003004001020304050607080T/oC光敏晶體管的溫度特性（4）溫度特性第45頁,共65頁，2024年2月25日，星期天光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。入射光調(diào)制頻率/HZ0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ相對靈敏度/%光敏晶體管的頻率特性（5）頻率特性第46頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2024/4/947

1、PIN光電二極管§10-4幾種特殊光電器件（1）提高了PIN光電二極管的頻率響應(yīng)。（2）提高了對光的吸收和光電變化區(qū)域，使量子效率提高。（3）提高了長波靈敏度。（4）使線性輸出范圍變寬。第47頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2024/4/948

2、雪崩光電二極管（APD）

APD是借助強(qiáng)電場作用產(chǎn)生載流子雪崩倍增效應(yīng)的一種高速、高靈敏度的光電器件。它廣泛應(yīng)用于光纖通信、弱信號檢測、激光測距等領(lǐng)域。第48頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2024/4/949

3、色敏光電器件第49頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2024/4/950

用雙結(jié)光電二極管測量顏色時，通常測量兩個光電二極管的短路電流比（ISC2/ISC1）與入射波長的關(guān)系，每一種波長的光都對應(yīng)于一個短路電流比值，根據(jù)短路電流比值判別入射光的波長，達(dá)到識別顏色的目的。第50頁,共65頁，2024年2月25日，星期天（一）光電式傳感器的基本組成和類型光源光學(xué)通路光電器件測量電路φ1φ2IX1被測量X2被測量把光電器件輸出電信號轉(zhuǎn)換成電路的可用信號1、基本組成§10-5光電式傳感器的應(yīng)用第51頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2、基本類型（1）透射式φp＝φ0－φA

φA－被測對象A所吸收的光通量

φP－光敏元件所接收的光通量

φ0－光源發(fā)出一定的光通量I＝F(φP)＝F’(φA)測量液體、氣體和固體的透明度和混濁度。AφA光敏元件φpI被測對象φ0第52頁,共65頁，2024年2月25日，星期天(2)反射式測量表面粗糙度φp＝φ0－φAφA－被測對象損失光通量(3)輻射式I＝F(φP)＝F(φ0)＝F’(T)如光電高溫計和爐子燃燒監(jiān)視裝置φp＝φ0第53頁,共65頁，2024年2月25日，星期天(4)遮擋式I＝F（φP）＝F’（φA）光敏元件(5)開關(guān)式，光路“通”與“不通”用于開關(guān)，計數(shù)，編碼等。第54頁,共65頁，2024年2月25日，星期天1、煙塵濁度監(jiān)測儀（二）光電傳感器的應(yīng)用舉例平行光源光電探測放大顯示刻度校正

報警器吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖煙道第55頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第56頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2、光電轉(zhuǎn)速傳感器2