光机电系统及应用25页PPT

– 外光电效应的条件——“红限”
E hf A0 mv02 / 2f A0 / h Nhomakorabea10
(2) 光电导型(光敏电阻、光导管)
• 半导体材料在光的作用下，电阻率发生变化的现象 称为光导效应
• 结构与原理
无光照时,半导体材料载流子 极少,电阻很高(暗电阻), 电 路中无电流流过；
I
有光照时,半导体中载流子剧 增,电阻极剧下降(亮电阻),电 路中有对应的电流产生.
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• 特点：
– 光子探测器响应速度快，可以达到ns级； – 对红外光的波长具有选择性； – 入射光的频率必须大于材料的“红限”； – 光子探测器工作环境要求较严格
• 类型：
– 光电发射型(光电管、光电倍增管) – 光电导型(光敏电阻) – 光电结型(光敏二极管、光敏晶体管) – 光生伏特型(光电池)
NP
I
+ uA -
E
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(4) 光生伏特型(光电池)
• 光生伏特效应
– 某些半导体材料受光照时在一定方向产生电动势 – 具有光生伏特效应的器件被称为光电池
• 材料：
– 硅(红外)、硒(可见光)
• 结构：
– 由N型半导体(或金属)与P型半导体组成的PN结
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• 硅光电池(太阳能电池)
– N型单晶硅片+P型薄层+电极PN结; – N中电子向P中扩散， P中空穴向N中扩散;
光电管
外光电效应
光电倍增管
光电传感器
内光电效应
光敏器件
光生伏特器件
2.光电传感器结构
• 系统构成
– 光源＋光路＋光电器件＋信号调理电路
• 测量原理
– 被测量光学量光电器件电量 电流、电压，或电导率
– 物理基础——光电效应，红外技术， 激光干涉原理，激光衍射原理， 激光全息原理
3.光电器件
• 作用:将光信息转换为电信号
– 光信息:光强度、光相位、光频率 – 电信号:电流、电压、电阻
• 分类：
– 热辐射探测器 – 光子探测器
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3.1 热辐射探测器
• 热辐射探测原理
– 任何物质温度大于 0 K 都会辐射红外线； – 红外线可以被物质吸收，使其温度升高. – 光照射到温度传感器传感器温度升高电信号.
• 分类：
– 测辐射热电偶 – 测辐射热敏电阻 – 热释电探测器
4.3.1位置敏感器件PSD简介
L
• PSD的工作原理
xA
• 原理
– 光线照到P层一点时，光点附近 产生电子空穴对;
– 在外加电场的作用下，正电荷进 入P层，负电荷进入N层;
P
I N
uA
uA I0 uA
+
I1
-
I2
空穴沿P区表面扩散，形成两路电流I1和I2； 由于P层电阻率均匀，因此两电流与其电阻成反比：
光机电系统及应用
• 光电传感器 • 光电器件 • 光机电应用
1.光电传感器简介
1.1光电传感器定义
光电式传感器：将光信号转换为电信号的一种 器件，其物理基础是光电效应。用光电器件测量非 电量时，需要将非电量的变化转换为光量的变化， 然后通过光电器件的作用，就可以得到电量的变化。
1.2 光电传感器的分类（根据对入射光响应 原理）
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4.应用
4.1.烟尘浊度检测仪
图2-10 吸收式烟尘浊度检测仪框图
• 光源：400nm~700nm • 光检测器范围：400~600nm
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4.2.生产线上的自动计数
产品 发光二极管 光电三极管 V
运输带
图2-16 产生线上的自动计数
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4.3.光学定位系统
在丝网印刷中，二次定位较为困难。采 用光学系统定位，可以方便快速地实现精确 对准定位。 主要原理器件：二维PSD位置敏感器
I1 I2 I0 ,
I1 L / 2 xA I2 L / 2 xA
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L xA
P
•
原理：
I1
I
2
1 2 1 2
(1 (1
2 L 2 L
xA )I0 xA )I0
I N
uA
uA I0 uA
+
I1
-
I2
特性：
xA
1 ( I2 I1 )L 2 I2 I1
两电流之和与光强度成正比
光点坐标只与电流的比值有关，与光束强度无关;
光点坐标与光斑的能量中心有关，与光斑形状无关.
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4.3.2 二维PSD
• 二维PSD的工作原理
– 面阵PSD结构、原理
xA
1 2
( Ix2 Ix2
I I
x1 x1
)
■ 材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅
mA
暗电阻:10~100MΩ 亮电阻:<10kΩ
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– 光电特性
• 电源电压不变时，电流I与光通量φ的关系，可做测光 元件或光控开关.
– 伏安特性
• 光通量不变时，电流I 与电压关系(线性) • 在允许功率下，光敏电阻是良好线性器件.
– 光谱特性
• 光通量和电压不变时，电流与入射光波长成一定关系. • 对波的波长具有选择性. • 可探测波长比其他光子探测器宽得多.
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(3) 光电结型 (光敏二级管、光敏三极管)
• 结构：
– 与普通二极管和三极管相似，
– 只是其PN结具有光敏特性.
• 原理
– 光敏二极管的PN结在电路中反向偏置; – 无光照时,结内仅有极少数载流子,回路
中只有极小的反向饱和漏电流(暗电流 10-8~10-9A),二极管方向截至; – 有光照时,结内激发大量的载流子,反向 漏电流显著增加(亮电流,与光照成正比).
P型层 PN结
– 无光照时，载流子扩散形成阻挡层，阻止P中 空穴的进一步扩散，动平衡；
N型Si 电极
有光照时，PN结附近P型层中激发出电子空穴对，电子穿过阻挡 层，积累在N型硅，空穴留在P型层中;
两电极间电场逐渐增强，直至电场足以抵制电荷的进一步漂移；
当光强度一定时，电动势达到动态平衡,相当于一个电池。
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(1) 光电发射型
• 光电管
阳极 光
– 结构：光电阴极＋阳极＋真空玻璃罩
– 光电材料：银氧铯\锑铯\镁化镉
– 原理：
光电
I
• 无光照时，阴极与阳极短路，回路无电流； 阴极
• 光打在阴极上，阴极电子获得能量逸出材料表面外(光电子);
• 在外加电场作用下，光电子被阳极吸收，阴阳极间形成电子流;
• 回路中产生电流(光电流)——与光得强度成正比.
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3.2 光子探测器
• 物理基础：光电效应
– 光具有波粒二象性：粒子说、波动说
– 光子具有一定的能量 E hf
– 布朗克常数 h 6.6261034 J s ， f :光的频率
• 原理：
– 光照射在物体上，光子的能量传递给电子，电 子获得能量动能增加，摆脱内部力的束缚，成 为自由电子。
– 光能电能