第五章 光传感器.ppt

第五章   光传感器
第一节  概述
第二节   外光电效应器件
第三节   内光电效应器件
第四节   其他光传感器
第五节   光传感器的应用举例
第六节光纤传感器
光传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号,具有这种功能的材料称为光敏材料,做成的器件称光敏器件。
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一、光谱
光波:波长为10—106nm的电磁波
可见光:波长380—780nm
紫外线:波长10—380nm,
波长300—380nm称为近紫外线
波长200—300nm称为远紫外线
波长10—200nm称为极远紫外线,
红外线:波长780—106nm
波长3μm(即3000nm)以下的称近红外线
波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
光谱分布如图所示。
第一节概述
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远紫外
近紫外
可见光
近红外
远红外
极远紫外


1
10


5
波长/μm
波数/cm-1
频率/Hz
光子能量/eV
106
105
104
103
5×105
5×104
5×103
1015
5×1014
1014
5×1013
100
10
1
50
5

5×1015
1016
3×1018
光的波长与频率的关系由光速确定,真空中的光速c=×1010cm/s,通常c≈3×1010cm/s。光的波长λ和频率ν的关系为
ν的单位为Hz,λ的单位为cm。
νλ=3×1010cm / s
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二、光源(发光器件)
1、白炽灯
2、气体放电灯
3、发光二极管
4、激光器
4
三、光电效应
是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量,从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类
1、外光电效应
在光线的作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。
光子是具有能量的粒子,每个光子的能量:
E=hν
h—普朗克常数,×10-34J·s;ν—光的频率(s-1)
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根据爱因斯坦假设,一个电子只能接受一个光子的能量,所以要使一个电子从物体表面逸出,必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功,超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物,从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。
根据能量守恒定理

式中 m—电子质量;v0—电子逸出速度。
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
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光电子能否产生,取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功,即每一个物体都有一个对应的光频阈值,称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率,光子能量不足以使物体内的电子逸出,因而小于红限频率的入射光,光强再大也不会产生光电子发射;反之,入射光频率高于红限频率,即使光线微弱,也会有光电子射出。
当入射光的频谱成分不变时,产生的光电流与光强成正比。即光强愈大,意味着入射光子数目越多,逸出的电子数也就越多。
光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ,因此外光电效应器件(如光电管)即使没有加阳极电压,也会有光电子产生。为了使光电流为零,必须加负的截止电压,而且截止电压与入射光的频率成正比。
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当光照射在物体上,使物体的电阻率ρ发生变化,或产生光生电动势的现象叫做内光电效应,它多发生于半导体内。根据工作原理的不同,内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。
(1) 光电导效应
2、内光电效应
在光线作用,电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态,而引起材料电导率的变化,这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
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(2) 光生伏特效应
在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。
①势垒效应(结光电效应)
接触的半导体和PN结中,当光线照射其接触区域时,产生光电动势的现象,称为结光电效应。以PN结为例,光线照射PN结时,设光子能量大于禁带宽度Eg,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,被光激发的电子移向N区外侧,被光激发的空穴移向P区外侧,从而使P区带正电,N区带负电,形成光电动势。
加偏压的PN结
不加偏压的PN结
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②侧向光电效应。
当半导体光电器件受光照不均匀时,有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时,光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大,就出现了载流子浓度梯度,因而载流子就要扩散。如