傳感器原理與應用第八章

傳感器原理與應用第八章光電式傳感器得應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、。8、1概述8、1、1光得特性光波就是波長為10~106nm得電磁波。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)。1905年,愛因斯坦提出了光子假設:光在空間傳播時,就是不連續(xù)得,也具有粒子性,即一束光就是一束以光速運動得粒子流,愛因斯坦把這些不連續(xù)得量子稱為“光量子”。1926年,美國物理學家劉易斯把這一名詞改稱為“光子”,并沿用至今。每個光子得能量為E=hν可見,光得頻率愈高,光子得能量愈大。8、2、2光源(發(fā)光器件)1、白熾光源最為普通得就是用鎢絲通電加熱作為光輻射源。一般白熾燈得輻射光譜就是連續(xù)得。發(fā)光范圍:320nm~2500nm,

所以任何光敏元件都能和她配合接收到光信號。特點:壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差,但對接收光敏元件得光譜特性要求不高,就是可取之處。2、氣體放電光源利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成得燈即氣體放電燈。她得光譜就是不連續(xù)得,光譜與氣體得種類及放電條件有關。改變氣體得成分、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得輻射。大家學習辛苦了，還是要堅持繼續(xù)保持安靜汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈就是光譜儀器中常用得光源,統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈得輻射波長為254nm,鈉燈得輻射波長為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得作用,熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長得波長,通過對熒光劑得選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍得波長,如照明日光燈。氣體放電燈消耗得能量為白熾燈1/2-1/3。構(gòu)成:由半導體PN結(jié)構(gòu)成。特點:工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、重量輕,因此獲得了廣泛得應用。3、發(fā)光二極管(LED——LightEmittingDiode)RUNP++++++++++++++++----------------UiD++__原理:當加正向電壓時,勢壘降低,電子由N區(qū)注入到P區(qū),和P區(qū)里得空穴復合;空穴則由P區(qū)注入到N區(qū),和N區(qū)里得電子復合,這種電子空穴對得復合同時伴隨著光子得放出,因而發(fā)光。電子和空穴復合,所釋放得能量等于PN結(jié)得禁帶寬度(即能量間隙)Eg。所放出得光子能量用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?eVEg得單位為eV,1eV=1、6╳10-19J。可見光得波長

近似地認為在7×10-7m以下,所以制作可見光區(qū)得發(fā)光二極管,其材料得禁帶寬度至少應大于hc/

=1、8eV普通二極管就是用硅或鍺制造得,這兩種材料得禁帶寬度Eg分別為1、12eV和0、67

eV,顯然不能使用。通常用得砷化鎵和磷化鎵兩種材料固溶體,寫作GaAs1-xPx,x代表磷化鎵得比例,當x＞0、35時,可得到Eg≥1、8eV得材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長,使

在550～900nm間變化。與此相似得可供制作發(fā)光二極管得材料見下表:材料波長/nm材料波長/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350LED材料發(fā)光二極管得光譜特性如圖所示。圖中砷磷化鎵曲線有兩根,這就是因為其材質(zhì)成分稍有差異而得到不同得峰值波長

p。除峰值波長

p決定發(fā)光顏色之外,峰得寬度(用Δ

描述)決定光得色彩純度,Δ

越小,其光色越純。發(fā)光二極管得光譜特性0.20.40.60.8

1.0

06007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相對靈敏度Δ

U/V

I/mA

-10

-5

0

12GaAsP(紅)GaAsP(綠)反向電壓應在5V以下!發(fā)光二極管得伏安特性與普通二極管相似,但隨材料禁帶寬度得不同,開啟(點燃)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)光二極管得伏安曲線4、激光器激光(Laser:Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation)就是20世紀60年代出現(xiàn)得最重大科技成就之一。具有高方向性、高單色性、高亮度和高得相干性四個重要特性。激光波長一般從0、15μm到遠紅外整個光頻波段范圍。X-射線激光器。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)。半導體激光器(如砷化鎵激光器)(1)固體激光器典型實例就是紅寶石激光器,就是1960年人類發(fā)明得第一臺激光器(T、Maiman)。工作物質(zhì)為紅寶石---摻0、05%Cr+3得Al2O3棒。Nd:YAG激光器

摻Nd+3

離子得激光器有三種:?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(2)氣體激光器工作物質(zhì)就是氣體。種類:各種原子、離子、金屬蒸汽、氣體分子激光器。常用得有氦氖激光器、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,其形狀像普通得放電管一樣,能連續(xù)工作,單色性好。波長覆蓋了從紫外到遠紅外得頻譜區(qū)域。(3)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,其中較為重要得就是有機染料激光器。她得最大特點就是發(fā)出得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,因而她能起著其她激光器不能起得作用。(4)半導體激光器與前幾種相比出現(xiàn)較晚,其成熟產(chǎn)品就是砷化鎵激光器。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。其缺點就是輸出功率較小。目前半導體激光器可選擇得波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。兩類:外光電效應和內(nèi)光電效應。8、2、1外光電效應在光得作用下,物體內(nèi)得電子逸出物體表面向外發(fā)射得現(xiàn)象叫做外光電效應。8、2光電效應1887年,首先就是赫茲(M、Hertz)在證明波動理論實驗中首次發(fā)現(xiàn)得;1902年,勒納(Lenard)也對其進行了研究,指出光電效應就是金屬中得電子吸收了入射光得能量而從表面逸出得現(xiàn)象。但無法根據(jù)當時得理論加以解釋;1905年,愛因斯坦提出了光子假設。愛因斯坦光電效應方程:1、光電子能否產(chǎn)生,取決于光子得能量就是否大于該物體得表面電子逸出功A。

2、

一定時,產(chǎn)生得光電流和光強成正比。3、逸出得光電子具有動能。基于外光電效應得光電器件有光電管、光電倍增管。8、2、2內(nèi)光電效應當光照在物體上,使物體得電導率發(fā)生變化,或產(chǎn)生光生電動勢得現(xiàn)象。分為光電導效應和光生伏特效應(光伏效應)。1、光電導效應在光線作用下,電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài),而引起材料電導率得變化。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帶價帶

Eg電子能量Eh

≧Eg當光照射到光電導體上時,若這個光電導體為本征半導體材料,且光輻射能量又足夠強,光電材料價帶上得電子將被激發(fā)到導帶上去,使光導體得電導率變大基于這種效應得光電器件有光敏電阻。①勢壘效應(結(jié)光電效應)光照射PN結(jié)時,若h

≧Eg,使價帶中得電子躍遷到導帶,而產(chǎn)生電子空穴對,在阻擋層內(nèi)電場得作用下,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:在光作用下能使物體產(chǎn)生