光電傳感原理PPT演示文稿

1、1,第二章 光電傳感原理,基于光電效應(yīng)原理工作的光電傳感器，在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。本章主要介紹光敏電阻、硅光電池、光敏二極管、光敏晶體管等典型光電器件的光電原理，及光譜響應(yīng)、頻率響應(yīng)、時(shí)間響應(yīng)等主要參數(shù)與基本特性,2,光電傳感技術(shù),2.1 電磁波譜 2.2 輻射源特性及其度量 2.3 光電效應(yīng) 2.4 光電探測(cè)傳感器件,3,電磁波譜,圖2-1 電磁波譜,4,光的特性 光是電磁波譜中的一員，不同波長(zhǎng)光的分布如圖4-2所示，這些光的頻率（波長(zhǎng)）各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì),5,由光的粒子說(shuō)可知，光是以光速運(yùn)動(dòng)著的粒子（光子）流，一種頻率的光由能量相同的光子所組成

2、，每個(gè)光子的能量為,式中 h-普郎克常數(shù)，h6.6261034Js,可見(jiàn)，光的頻率愈高（即波長(zhǎng)愈短），光子的能量愈大,對(duì)于光的計(jì)量有兩種描述方法：一種是測(cè)量其客觀物理實(shí)質(zhì)的輻射度學(xué)量，另一種是測(cè)量其對(duì)人眼生理作用的光度學(xué)量,6,輻射源特性及其度量,輻射源特性 （1）光譜特性：輻射源的輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)分布。 （2）能量特性 ：能量大小。輻射光功率通量，光強(qiáng)度，光亮度 （3）角度特性 ：輻射源的強(qiáng)度沿空間角度分布,7,輻射源的度量 對(duì)輻射源的度量有兩種：光度量制和輻射度量制。 光度量制以人眼或經(jīng)視見(jiàn)函數(shù)校正過(guò)的照度計(jì)作為探測(cè)器； 輻射度量制以無(wú)光譜選擇性的真空熱電偶作為探測(cè)器,8,輻射度學(xué)量單位,9

3、,光度學(xué)量單位,10,光電效應(yīng),光電效應(yīng)是指因光照而引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象。電學(xué)特性變化是指光照射物體時(shí)，物體發(fā)射電子、電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)等。 光電效應(yīng)大致可歸納為兩大類： 外光電效應(yīng)物質(zhì)受到光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象，這種效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物； 內(nèi)光電效應(yīng)物質(zhì)受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)逸出物質(zhì)外部的現(xiàn)象，這種效應(yīng)多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。內(nèi)光電效應(yīng)又可以分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng),11,光電導(dǎo)效應(yīng),光電導(dǎo)效應(yīng)是指物體受光照射后，其內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使物體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。 這種效應(yīng)在很多半導(dǎo)體和絕緣體中都存在。 而金屬的電子能態(tài)與半導(dǎo)體

4、和絕緣體不同，在光照下電阻沒(méi)有改變，因此不產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。 表征光電導(dǎo)體器件，最重要的參數(shù)為 1、靈敏度：指在一定條件下，單位照度所產(chǎn)生的電流。 2、弛豫時(shí)間（惰性）：非平衡載流子效應(yīng)，表示光電導(dǎo)上升或者下降的時(shí)間，稱馳豫時(shí)間。 光照射樣品后，樣品的光電導(dǎo)逐漸增加，最后達(dá)到定態(tài)；光照停止，樣品的光電導(dǎo)在一段時(shí)間內(nèi)逐漸消失。表征了光電導(dǎo)對(duì)光強(qiáng)變化反應(yīng)的快慢,12,3 光譜特性 指光電導(dǎo)的大小與照射光的波長(zhǎng)有密切關(guān)系,光電導(dǎo)器件（光敏電阻）的光譜特性,存在長(zhǎng)波波限：由半導(dǎo)體材料的禁帶寬度決定,13,光生伏特效應(yīng),光生伏特效應(yīng)是指，光照使不均勻半導(dǎo)體或均勻半導(dǎo)體中光電子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電位差的

5、現(xiàn)象，是把光能變?yōu)殡娔艿囊环N效應(yīng)。 因此光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸面上時(shí)，在PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì),14,光電發(fā)射效應(yīng),光敏物質(zhì)吸收光子后，電子從基態(tài)被激發(fā)到高能態(tài)而脫離原子核的束縛，從而在外電場(chǎng)作用下參與導(dǎo)電，即發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng)。 如果被激發(fā)的電子能逸出光敏物質(zhì)的表面而在外電場(chǎng)作用下形成光電子流，這就是外光電效應(yīng)或稱光電發(fā)射效應(yīng)。 在光電器件中，光電管、光電倍增管等光電器件，都是基于外光電效應(yīng)理論的。 1.斯托列托夫定律（光電發(fā)射第一定律）； 2.愛(ài)因斯坦（Einstein）定律（光電發(fā)射第二定律,15,3.光電發(fā)射的紅限,一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量. 要使一

6、個(gè)電子從物體表面逸出， 必須使光子能量大于該物體的表面逸出功A。 各種不同的材料具有不同的逸出功A， 因此對(duì)某特定材料而言， 將有一個(gè)頻率限o(或波長(zhǎng)限o)，稱為“紅限”,16,external photoelectric effect,紅限波長(zhǎng)可用下式求得： 當(dāng)入射光的頻率低于o時(shí)(或波長(zhǎng)大于o)，不論入射光有多強(qiáng)，也不能激發(fā)電子； 當(dāng)入射頻率高于o時(shí)，不管它多么微弱也會(huì)使被照射的物體激發(fā)電子，光越強(qiáng)則激發(fā)出的電子數(shù)目越多。,式中 c光速,17,4.光電發(fā)射的瞬時(shí)性 光電發(fā)射延遲時(shí)間不超過(guò)3*10E-13S，包括三個(gè)階段： （1）電子吸收光子，產(chǎn)生激變 （2）受激電子從發(fā)射體內(nèi)向真空面運(yùn)動(dòng)

7、（3）受激電子越過(guò)表面勢(shì)壘向真空逸出,18,光電探測(cè)傳感器件,利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件稱為光電探測(cè)傳感器件，有時(shí)也稱光電探測(cè)傳感器件。 根據(jù)對(duì)輻射的作用方式不同（或說(shuō)工作機(jī)理的不同），光電探測(cè)傳感器件（光電探測(cè)傳感器件）可分為 光子探測(cè)傳感器件 熱電探測(cè)傳感器件,19,光電探測(cè)傳感器件,光電管 外光電效應(yīng) 光電倍增管 本征型 單晶型 光子探測(cè)傳感器件 摻雜型 （基于量子效應(yīng)） 光敏電阻 多晶型 （基于光電導(dǎo)效應(yīng)） 合金型 內(nèi)光電效應(yīng) 光敏二極管 光電探測(cè)傳感器件 光生伏特效應(yīng) 光敏晶體管 （基于光生伏特效應(yīng)）光 電 池 雪崩光電管 熱電堆 熱電偶 熱電探測(cè)傳感器件 熱釋電探

8、測(cè)器 （基于熱效應(yīng)） 熱敏電阻 表 24 各類光電效應(yīng)及其相應(yīng)器件,20,光電探測(cè)傳感器件,光電探測(cè)傳感器件的基本特性參數(shù) 響應(yīng)度 響應(yīng)時(shí)間 頻率響應(yīng)參數(shù) 描述噪聲的基本參數(shù) 半導(dǎo)體光電探測(cè)傳感器件 光電探測(cè)傳感器件主要特性比較與選用原則,21,光電探測(cè)傳感器件的基本特性參數(shù),1.響應(yīng)度（或稱為靈敏度） 響應(yīng)度是用來(lái)衡量光電探測(cè)傳感器件的光-電轉(zhuǎn)換效能，定義為光電傳感器輸出電壓 或輸出電流 與入射光功率 （或通量 ）之比。即 式中， 和 分別稱為電壓響應(yīng)度和電流響應(yīng)度。 由于光電傳感器的響應(yīng)度隨入射光的波長(zhǎng)而變化，因此 又有光譜響應(yīng)度和積分響應(yīng)度,2-3,22,光電探測(cè)傳感器件的基本特性參數(shù),

9、2.光譜響應(yīng)度 光譜響應(yīng)度 （單位為V/W或A/W）是光電傳感器的輸出電壓或輸出電流與入射到傳感器上的單色輻通量（光通量）之比。即式中， 為光譜響應(yīng)度； 為入射的單色輻通量或光通量。 從式(2-4)可看出，傳感器的輸出電壓（或電流）值愈大意味 著傳感器愈靈敏,2-4,23,光電探測(cè)傳感器件的基本特性參數(shù),3.積分響應(yīng)度 積分響應(yīng)度表示傳感器對(duì)連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。對(duì)包含有各種波長(zhǎng)的輻射光源，總光通量為 ，光電傳感器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分響應(yīng)度。由于光電傳感器輸出的光電流是由不同的波長(zhǎng)的光輻射引起的，所以輸出光電流應(yīng)為 積分響應(yīng)度為 由于采用不同的輻射源，甚至具有不同色溫的

10、同一輻射源所發(fā)生的光譜通量分布也不相同，因此提供數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)指明采用的輻射源及其色溫,光電傳感器的長(zhǎng)波限,光電傳感器的短波限,24,光電探測(cè)傳感器件的基本特性參數(shù),4.響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間是描述光電傳感器對(duì)入射輻射響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)，即當(dāng)入射輻射到光電傳感器后或入射輻射遮斷后，光電傳感器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間。 常用時(shí)間常數(shù)的大小來(lái)表示。 當(dāng)用一個(gè)輻射脈沖照射光電傳感器，如果這個(gè)脈沖的上升和下降時(shí)間很短（如方波），則光電傳感器的輸出由于器件的惰性而有延遲，把從10%上升到90%峰值處所需的時(shí)間稱為傳感器的上升時(shí)間，而把從90%下降到10%處所需的時(shí)間稱為下降時(shí)間，如

11、圖2- 4所示,圖2- 4 上升時(shí)間和下降時(shí)間,25,光電探測(cè)傳感器件的基本特性參數(shù),5.頻率響應(yīng) 由于光電傳感器信號(hào)的產(chǎn)生和消失存在著一個(gè)滯后過(guò)程，所以入射光輻射的頻率對(duì)光電傳感器的響應(yīng)將會(huì)有較大的影響。 光電傳感器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。 利用時(shí)間常數(shù)可得到光電傳感器響應(yīng)度與入射調(diào)制頻率的關(guān)系，其表達(dá)式為式中， 為頻率是f時(shí)的響應(yīng)度； 為頻率是零時(shí)的響應(yīng)度； 為時(shí)間常數(shù)， 。 當(dāng) 時(shí)，可得放大器的上限截止頻率為 顯然，時(shí)間常數(shù)決定了光電傳感器頻率響應(yīng)的帶寬,26,描述噪聲的基本參數(shù),1.熱噪聲 2.散粒噪聲 3.產(chǎn)生-復(fù)合噪聲 4.1/f 噪聲 5.衡量噪聲的參

12、數(shù) （1）信噪比（S/N） （2）等效噪聲輸入（ENI） （3）噪聲等效功率（NEP） （4）探測(cè)率D與歸一化探測(cè)率 （5）暗電流,27,半導(dǎo)體光電探測(cè)傳感器件,1.光敏電阻 光敏電阻是光電導(dǎo)型器件。它是在絕緣材料上將梳狀光電導(dǎo)體封閉在金屬或塑料外殼內(nèi)，再在兩端連上歐姆接觸的電極而成。 2.光電池 根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的光電池是將光能轉(zhuǎn)變成電能的一種器件。 3.光敏二極管 由于半導(dǎo)體光敏二極管有一個(gè)PN結(jié)，因此屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€性光電器件。 4.光敏晶體管 光敏晶體管是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光敏二極管且電流加以放大的普通晶體管，因此，結(jié)構(gòu)與一般晶體管相類似,28,光電探測(cè)傳感器件主要特性比較與選用原則,光電探測(cè)傳感器件的選用原則 光電探測(cè)傳感器件必須和輻射信號(hào)源及光學(xué)系統(tǒng)