傳感器原理與應(yīng)用第八章

傳感器原理與應(yīng)用第八章光電式傳感器得應(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、。8、1概述8、1、1光得特性光波就是波長(zhǎng)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(shè):光在空間傳播時(shí),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(yùn)動(dòng)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(guó)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(hào)。特點(diǎn):壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動(dòng)態(tài)特性差,但對(duì)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(guān)。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(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)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(zhǎng)為254nm,鈉燈得輻射波長(zhǎng)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(zhǎng)得波長(zhǎng),通過對(duì)熒光劑得選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍得波長(zhǎng),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(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(zhǎng)、體積小、重量輕,因此獲得了廣泛得應(yīng)用。3、發(fā)光二極管(LED——LightEmittingDiode)RUNP++++++++++++++++----------------UiD++__原理:當(dāng)加正向電壓時(shí),勢(shì)壘降低,電子由N區(qū)注入到P區(qū),和P區(qū)里得空穴復(fù)合;空穴則由P區(qū)注入到N區(qū),和N區(qū)里得電子復(fù)合,這種電子空穴對(duì)得復(fù)合同時(shí)伴隨著光子得放出,因而發(fā)光。電子和空穴復(fù)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?？梢姽獾貌ㄩL(zhǎng)

近似地認(rèn)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(yīng)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(dāng)x＞0、35時(shí),可得到Eg≥1、8eV得材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長(zhǎng),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(zhǎng)/nm材料波長(zhǎng)/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?yàn)槠洳馁|(zhì)成分稍有差異而得到不同得峰值波長(zhǎng)

p。除峰值波長(zhǎng)

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(duì)靈敏度Δ

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(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)光二極管得伏安曲線4、激光器激光(Laser:Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation)就是20世紀(jì)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(gè)重要特性。激光波長(zhǎng)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。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)(1)固體激光器典型實(shí)例就是紅寶石激光器,就是1960年人類發(fā)明得第一臺(tái)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(zhǔn)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(zhǎng)覆蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外得頻譜區(qū)域。(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,其中較為重要得就是有機(jī)染料激光器。她得最大特點(diǎn)就是發(fā)出得激光波長(zhǎng)可在一段范圍內(nèi)調(diào)節(jié),而且效率也不會(huì)降低,因而她能起著其她激光器不能起得作用。(4)半導(dǎo)體激光器與前幾種相比出現(xiàn)較晚,其成熟產(chǎn)品就是砷化鎵激光器。特點(diǎn):效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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)就是輸出功率較小。目前半導(dǎo)體激光器可選擇得波長(zhǎng)主要局限在紅光和紅外區(qū)域。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(yīng)。8、2光電效應(yīng)1887年,首先就是赫茲(M、Hertz)在證明波動(dòng)理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)得;1902年,勒納(Lenard)也對(duì)其進(jìn)行了研究,指出光電效應(yīng)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(dāng)時(shí)得理論加以解釋;1905年,愛因斯坦提出了光子假設(shè)。愛因斯坦光電效應(yīng)方程:1、光電子能否產(chǎn)生,取決于光子得能量就是否大于該物體得表面電子逸出功A。

2、

一定時(shí),產(chǎn)生得光電流和光強(qiáng)成正比。3、逸出得光電子具有動(dòng)能?；谕夤怆娦?yīng)得光電器件有光電管、光電倍增管。8、2、2內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照在物體上,使物體得電導(dǎo)率發(fā)生變化,或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)得現(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)率得變化。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)帶上得電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去,使光導(dǎo)體得電導(dǎo)率變大基于這種效應(yīng)得光電器件有光敏電阻。①勢(shì)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)帶中得電子躍遷到導(dǎo)帶,而產(chǎn)生電子空穴對(duì),在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)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(fù)電,形成光生電動(dòng)勢(shì)。２、光生伏特效應(yīng):在光作用下能使物體產(chǎn)生