光电式传感器讲义.pptx

第七章 光电式与光导式传感器 ;;第一节 光电效应与光电器件; 光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射， 超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理 ;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。;二、内光电效应;过程：; 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（光电池和光敏二极管、光敏三极管）。 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，便引起光电动势，这就是结光电效应。 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。 ;②侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，则将产生载流子浓度梯度而产生侧向光电效应。 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。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。;三、基本概念;3、光谱;四、外光电效应器件; 充气光电管内充有少量的惰性气体，如氩、氖，当充气光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的过程中，和气体的原子发生碰撞使气体电离。因此增大了光电流，从而使灵敏度增加，但导致充气光电管的光电流与入射光强度不成比例，因而稳定性较差。;（1） 光电管的伏安特性; 充气光电管的电压-电流特性不具有真空光电管的那种饱和特性,而是达到充气离子化电压附近时,阳极电流急速上升,如图所示。急速上升部分的特性就是气体放大特性,放大系数为5~10。充气光电管的优点是灵敏度高,但其灵敏度随电压显著变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差。所以在测试中一般选用真空光电管。 ;（2） 光电管的光照特性;（3）光电管光谱特性 保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。 一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率υ0，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率υ0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。; 国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限λ0=7000?，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%~30%。它适用于白光光源，因而被广泛地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，构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为3000~8500?，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。 一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。;（二）、光电倍增管及其基本特性;2. 主要参数;（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 阴极灵敏度：一个光子在光电倍增管的阴极上能够打出的平均电子数。 总灵敏度：一个光子在阳极上产生的平均电子数。 极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。 ;（3）暗电流和本底脉冲 暗电流： 由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。 本底电流： 如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出