传感器原理与应用第的八章 光电传感器.ppt

第八章 光电传感器 第一节 常用光电器件 一、光敏电阻 二、光电池 三、光敏二极管和光敏晶体管 四、常用光电器件的应用 第二节 光栅传感器 一、莫尔条纹 二、光栅传感器的组成 三、辨向原理 四、细分技术 第三节 固态图像传感器 一、CCD基本结构 二、CCD工作原理 三、CCD图像传感器的结构;第八章 光电传感器;;光电传感器常用光源有： 白帜灯光源、气体放电光源（碳灯、低压高压水银灯、钠弧灯、汕弧灯）、气体激光器（氦氖、二氧化碳、氩离子激光器）、固态激光器、半导体激光器、发光二极管等。; 光电效应依其表现形式的不同，通常可分为三大类。 ① 光电导效应——光照改变半导体的导电率，从而引起半导体电阻值的变化效应，光敏电阻属于这类光电效应器件。 ② 光生伏特效应——光照改变半导体PN结电场，从而引起PN结电势的变化效应，故又称PN结光电效应，光电池、光敏晶体管等属于这类光电效应器件。 ③ 光电发射效应——某些物质（如金属丝）在光的照射下，能从表面向外部发射电子的现象，称之为光电发射效应，利用这种效应制作的光电器件有光电管和光电倍增管。 光电发射效应发生在物体的表面，因而又称之为外光电效应；相应地，光电导效应和光生伏特效应被称为内光电效应。本文下面仅介绍几种常见的内光电效应器件及其应用。;; 半导体光电导效应内部机理如图8－1所示。; 半导体受光照时，其共价键中的价电子吸收光子能量，由价带穿越禁带到达导带，成为光生自由电子，使得半导体中自由电子—空穴对增加，导电率提高，电阻值下降。光照停止时，失去光子能量的光生自由电子又重新迭落回价带与空穴复合，自由电子—空穴对减少，导电率下降，电阻值提高。图中Eg称为禁带宽度，价电子吸收的光子能量E ＞Eg时，才能穿越禁带成为自由电子。光照越强、具有能量E的光子数越多，光生自由电子-空穴对越多，电阻值越小。光照停止或光强减小使E＜Eg时，光生自由电子又迭回价带成为价电子，使电阻值增加或恢复高阻状态。 每个光子所具有的能量E数学表达式： E=hf=hc/λ 频率越高，或波长越短，光子所具有的能量就越大。 产生自由光生电子的入射光临界波长λ0为 满足 E≥Eg 有 λ0≦ 1242/Eg (nm) Si的禁带宽度Eg为1.2ev,Ge0.75ev,硫化镉cds2.4ev,CdSe1.8ev ;; 图8－2是光敏电阻光电效应实验电路，当偏压U 一定时，检流计指示电流I 的大小决定于光敏电阻上的光照强度。; 无光照时，检流计指示的电流很小，此时的电流称之为暗电流；此时光敏电阻的阻值很高，相应称之为暗电阻，暗电阻通常为兆欧级。 有光照时，检流计指示的电流较大，此电流称之为亮电流；此时，光敏电阻的阻值显著减小，相应称之为亮电 阻，亮电阻一般为千欧以内。 由光照所产生的自由电子—空穴流称之为光电流，显然光电流是亮电流与暗电流之差，由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。 ; 2．光敏电阻种类 光敏电阻是一个纯电阻性两端器件，适用于交、直流电路，因而应用广泛，种类很多。对光照敏感的半导体光敏元件都可以制成光敏电阻，目前人类已开发应用的光波频谱范围为0.1HZ～1021HZ，相应的波长为3×109m～0.3Pm。半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波，按其最佳工作波长范围可分为三类。 （1）对紫外光敏感元件 紫外光是指紫外线（波长λ=10～380nm）的内侧光波，波长约300～380nm。对这类光敏感的材料有氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）、硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）等，这类敏感元件适于作α、β、γ射线检测及光电控制电路。; （2）对可见光敏感元件 可见光波长范围约380～760nm，对这类光敏感的材料有硒（Se）、硅（Si）、锗（Ge）及硫化铊（TiS）、硫化镉（CdS）等，尤其是TiS光敏元件，它既适用于可见光，也适用于红外光。这类敏感元件适用了光电计数、光电耦合、光电控制等场合。 （3）对红外光敏感元件 红外光是红外线（波长λ=760～1×106nm）的内侧光波，波长约760～6000nm。对这类光敏感的材料有硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、锑化铟（InSb）等，这类敏感元件主要用来探测不可见目标。;图8－3 部分光敏元件的光谱特性; （2）光照特性 光敏电阻的光照特性是指在一定的电压下，光电流I 与光照强度E 的关系。如图8－4所示，光敏电阻具有很高的光照灵敏度，且具有明显的非线