光电式传感器(3)PPT

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电导材料的禁带宽度Eg,即:hvhc1.24Eg
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8.1 光电器件
●光生伏特效应:在光线作用下能够使物体产生 一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有 光电池和光敏晶体管等。
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。
② 侧向光电效应
光电阴极。
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8.1 光电器件
8.1.3 光电倍增管
1.结构与原理
◆光电倍增管也是基于
外光电效应的器件。
由于真空光电管的灵
敏度较低,因此人们
便研制了光电倍增管,
其工作原理如图8-5所
示。
图8-5 光电倍增管的外型和工作原理
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8.1 光电器件
2.主要参数
(1)倍增系数M
◆倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射电子δi的乘积。
1 2
mv02
A0
(8-2)
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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8.1 光电器件
◆由式(8-2)可知: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A0。不同物体具有不同的
逸出功,这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值, 成为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射光, 光强再大也不会产生光电子发射。 ◆当入射光的频谱成分不变时,产生的光电流与光强成正比。 ◆光电子逸出物体表面具有初始动能,因此外光电效应器件, 如光电管即使没有加阳极电压,也会有光电流产生。
(2)阴极灵敏度和总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的
平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产 生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。
图8-6 光电倍增管的特性曲线
光电倍增管的放大倍数或总 灵敏度如图8-6所示。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。
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8.1 光电器件
2.内光电效应 ◆受光照的物体导电率发生变化,或产生光生电
动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分 为以下两大类。 ●光电导效应:在光线作用下,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 阻率变化,这种效应称为光电导效应。基于这 种效应的器件有光敏电阻等。
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8.1 光电器件
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8.1 光电器件
光电器件是构成光电式传感器最主要的部 件。光电式传感器的工作原理如图8-1所示:首 先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后 通过光电转换元件变换成电信号。图中x1表示 被测量能直接引起光量变化的检测方式;x2表 示被测量在光传播过程中调制光量的检 测方式。
图8-1 光电式传感器的工作原理
式中:
h——普朗克常数,6.626×10 (3 4 J∙s);
υ——光的频率(s 1)。
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8.1 光电器件
◆若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0 时,电子就逸出物体表面,产生电子发射。故要使一 个电子逸出,则光子能量hυ必须超出逸出功A0,超 过部分的能量,表现为逸出电子的动能。即
hv
图8-4 光电管的伏安特性
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8.1 光电器件
(2)光电管的光照特性:通常指当光电管的阳极和 阴极之间的所加电压一定时,光通量和光电流之间 的关系为光电管的光照特性。
◆光电管阴极材料不同,其光照特性也不同。 ◆光照特性曲线的斜率(光电流与入射光通量之比
称为光电管的灵敏度。
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8.1 光电器件
(3)光电管光谱特性
当半导体光电器件受光照不均匀时,由载流子
浓度梯度将会产生侧向光电效应。
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8.1 光电器件
8.1.2 光电管
Hale Waihona Puke Baidu
1.结构与工作原理
◆光电管是外光电效应的器件, 有真空光电管和充气光电管 两类。
◆光电阴极通常是用逸出功小
的光敏材料徐敷在玻璃泡内
壁上做成,其感光面对准光
图8-3 光电管的结构
的照射孔。当光线照射到光敏材料上,便有电子逸出,这些
如果n个倍增电极的δi都一样,则M=δi ,因n 此,阳极电
流I为:
I i in
◆ M与所加电压有关,一般在10 5 ~108 之间。如果电压有波 动,倍增系数也要波动,因此M具有一定的统计涨落。一 般阳极和阴极的电压为1000V-2500V,两个相邻的倍增 电极的电压差为50V-100V。
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8.1 光电器件
◆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,而且光辐射能量又足够强,光电导材料价 带上的电子将被激发到导带上去,如图8-2所示:
电子能量E
Eg
导带 禁带
价带
自由电子所占能带 不存在电子所占能带
价电子所占能带
图8-2 电子能级示意图
从而使导带的电子和价带的空穴增加,致使光导体的导电
率变大。为了实现能级的跃迁,入射光的能量必须大于光
第8章 光电式传感器
1 8.1 光电器件 2 8.2 光纤传感器 3 8.3 红外传感器
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概述
光电式传感器是将光通量转换为电量的一 种传感器,光电式传感器的基础是光电转换元 件的光电效应。 ◆由于光电测量方法灵活多样,可测参数众多, 具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特 点,使得光电传感器在检测和控制领域获得了 广泛的应用。
◆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v0,因此它们可用于不同的光谱范围。
◆即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率v0, 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
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8.1 光电器件
8.1.1 光电效应
◆光电器件工作的物理基础是光电效应。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
◆在光线作用下,能使电子逸出物体表面的现象称为外光 电效应,如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。 我们知道,光子是具有能量的粒子,每个光子具有的能
力由下式确定: E hv
电子被具有正电位的阳极所吸引,在光电管内形成空间电子
流,在外电路就产生电流。
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8.1 光电器件
2.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。 ◆真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如同8-4(a)和(b)所
示。它是应用光电传感器参数的主要依据。
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