第8章光电式传感器之一.ppt
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1、第8章 光电式传感器 之一,要求熟悉、理解光电器件结构原理,掌握典型光电器件的基本特性,熟悉它们的基本应用电路,8.1 典型光电器件,光电传感器的构成:光源、光学通路、光电元件。 应用: 1、光量变化的非电量; 2、能转换成光量变化的其他非电量。 特点:非接触、响应快、性能可靠。,被测量 的变化,光信号 的变化,电信号 的变化,光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式,即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。,8.1 光源(发光器件),1. 白炽光源,最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白炽灯的辐射光谱是连续的。 发光范围:320nm2500nm, 所以任何光敏元件都能和它配合接收到
2、光信号。 特点:寿命短而且发热大、效率低、动态特性差,但对接收光敏元件的光谱特性要求不高,是可取之处。,2. 气体放电光源,利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即气体放电灯。,它的光谱是不连续的,光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小,可得到主要在某一光谱范围的辐射。,汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源,统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm,钠灯的辐射波长为589nm,可被用作单色光源。 如果光谱灯涂以荧光剂,由于光线与涂层材料的作用,荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长,通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长,
3、如照明日光灯。 气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3。,构成:由半导体PN结构成。 特点:工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻,因此获得了广泛的应用。,3. 发光二极管(LEDLight Emitting Diode),原理:,当加正向电压时,势垒降低,电子由N区注入到P区,和P区里的空穴复合;空穴则由P区注入到N区,和N区里的电子复合,这种电子空穴对的复合同时伴随着光子的放出,因而发光。,电子和空穴复合,所释放的能量等于PN结的禁带宽度(即能量间隙)Eg。所放出的光子能量用h表示,有,普朗克常数h=6.610-34J.s; 光速c=3108m/s; hc=19.810-26m
4、Ws=12.410-7meV,Eg的单位为eV,1eV=1.610-19J。 可见光的波长近似地认为在710-7m以下,所以制作可见光区的发光二极管,其材料的禁带宽度至少应大于 h c / =1.8 eV,普通二极管是用硅或锗制造的,这两种材料的禁带宽度Eg分别为1.12eV和 0.67eV,显然不能使用。,通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体,写作GaAs1-xPx,x代表磷化镓的比例,当x0.35时,可得到Eg1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长,使 在550900nm间变化。,与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表:,LED材料,发光二极管的光谱特性如图所示。峰值波长p决定发光
5、颜色,峰的宽度(用描述)决定光的色彩纯度,越小,其光色越纯。(注:图中砷磷化镓曲线有两根,这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长p。),反向电压应在5V以下!,发光二极管的伏安特性与普通二极管相似,但随材料禁带宽度的不同,开启(点燃)电压略有差异。红色约为1.7V开启,绿色约为2.2V。,砷磷化镓发光二极管的伏安曲线,两类:外光电效应和内光电效应。,8.2.1 外光电效应,在光的作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。,8.2 光电效应,爱因斯坦光电效应方程:,1.光电子能否产生,取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A。,2. 一定时,产生的光电流和光强
6、成正比。,3.逸出的光电子具有动能。,基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。,8.2.2 内光电效应 当光照在物体上,使物体的电导率发生变化,或产生光生电动势的现象。分为光电导效应和光生伏特效应(光伏效应)。,1光电导效应 在光线作用下,电子吸收光子能量从价态过度到自由状态,而引起材料电导率的变化。,hEg,当光照射到光电导体上时,若这个光电导体为本征半导体材料,且光辐射能量又足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去,使光导体的电导率变大。,基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,光照射PN结时,若hEg,使价带中的电子跃迁到导带,而产生电子空穴对,在阻挡层内电场的作用下,电子偏向N
7、区外侧,空穴偏向P区外侧,使P区带正电,N区带负电,形成光生电动势。,光生伏特效应:在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。,8.3.1 光电管及其基本特性,结构与工作原理,8.3 外光电效应器件,主要性能,(1)光电管的伏安特性 在一定的光照射下,对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性,真空光电管 充气光电管,(2)光电管的光照特性 当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时,光通量与光电流之间的关系。,光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。,图8-5 光电管的光照特性,1-氧铯阴极 2-锑铯阴极,(3) 光电
8、管的光谱特性 一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率,因此它们可用于不同的光谱范围。 另外,同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。以GD-4型光电管为例,阴极是用锑铯材料制成,其红限c=700nm,对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源,被应用于各种光电式自动检测仪表中。,对红外光源,常用银氧铯阴极,构成红外探测器。 对紫外光源,常用锑铯阴极和镁镉阴极。,国产光电管的技术参数,8.4 内光电效应器件,8.4.1 光敏电阻,1. 光敏电阻的结构和工作原理,图8-8 光敏电阻的结构与电路连接,如果把光敏电阻连接到外电路中,在外加电压的作用下,用光照射就能改变电路中电流的大小。,当
9、光照射到光电导体上时,若光电导体为本征半导体材料,而且光辐射能量又足够强,光导材料价带上的电子将激发到导带上去,从而使导带的电子和价带的空穴增加,致使光导体的电导率变大。,光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、小的体积及工艺简单,故应用广泛。,2. 光敏电阻的主要参数和基本特性,(1)暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流 光敏电阻未受到光照时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流为暗电流。 在受到光照时的电阻称为亮电阻,此时的电流称为亮电流。 亮电流与暗电流之差为光电流。,(2)光照特性 用于描述光电流与光照强度之间的关系。,多数是非线性的。不宜做线性测量元件,
10、一般用做开关式的光电转换器。,图8-9 光敏电阻的光照特性,(3)光谱特性,硫化镉的峰值在可见光区域,硫化铅的峰值在红外区域。故选用时要把元件和光源结合起来考虑。,图8-10 光敏电阻的光谱特性,(4) 伏安特性,所加的电压越高,光电流越大,而且没有饱和的现象。,在给定的电压下,光电流的数值将随光照增强而增大。,图8-11 光敏电阻的伏安特性,(5) 频率特性,时间常数:光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63%所需要的时间。,图8-12 光敏电阻的频率特性,多数光敏电阻的时间常数都很大。,(6) 温度特性,峰值随温度上升向波长短的方向移动。,图8-13 光敏电阻的光谱温度特性,初制成的光敏
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