光电传感器(详细)
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第三节 内光电效应器件
利用物质在光的照射下电导性能改变(ρ)或产生电 动势的光电器件称内光电效应器件,常见的有光敏电 阻、光电池和光敏晶体管等。 一、光敏电阻 光敏电阻又称光导管,为纯电阻元件,其工作原 理是基于光电导效应,其阻值随光照增强而减小。 优点:灵敏度高,光谱响应范围宽,体积小、重量轻、 机械强度高,耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命 长等。 不足:需要外部电源,有电流时会发热。
1 2 h m 0 A0 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。
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。
光电管的光照特性
(3)光电管光谱特性
由于光阴极对光谱有选择性,因此光电管对 光谱也有选择性。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。
二、光电倍增管及其基本特性
1. 结构和工作原理
• 三、电致发光器件--发光二极管 • 什么是电致发光器件? 固体发光材料在电场激发下产生的发光现 象称为电致发光,它是将电能直接转换成光能 的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发 光器件。 • 哪些器件属于电致发光器件? 主要有发光二极管、半导体激光器、电致发 光屏等。
• 发光二极管有哪些优点? 体积小 寿命长(50000 h) 工作电压低 响应速度快 发热小 • 发光二极管的发光强度与电流成正比,这个电流约在 几十毫安之内,太大会引起输出光强饱和,甚至损坏 器件,使用时常串连一电阻。
2、内光电效应
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
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。
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
概述 外光电效应器件 内光电效应器件 其他光传感器 光传感器的应用举例
第一节
概
述
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。
• 一、热辐射光源 • 什么是热辐射光源? 热物体都会向空间发出一定的光辐射,基于这 种原理的光源称为热辐射光源。 • 哪些光源属于热辐射光源? 白炽灯 卤钨灯 • 热辐射光源的峰值波长与什么有关? 物体温度越高,辐射能量越大,波长越短。
• 热辐射光源有哪些特点? 输出功率大 响应速度慢,调制频率低于1kHz,不能 用于快速的正弦和脉冲调制。 白炽灯为可见光源,峰值波长在近红外 区域,可用作近红外光源。
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,6.626×10-34J· s;ν—光的频率(s-1)
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
8
6 4 2 0
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。光电管的伏安 特性如图所示。它是 应用光电传感器参数 的主要依据。
(2) 光电管的光照特性
通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压 一定时,光通量与光电流之间的关系为光电管的光照 特性。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光 管的光照特性,光电 电 IA/ μA 流I与光通量成线性关 系。曲线2为锑铯阴极 100 的光电管光照特性, 它成非线性关系。光 75 2 照特性曲线的斜率 50 1 (光电流与入射光光 25 通量之间比)称为光 电管的灵敏度。 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Φ/1m
1000
2000
L/lx
(3) 伏安特性
在一定照度下,加在光敏电阻两端的电压与电 流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示 照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知, 在给定偏压下 , 光照度较大,光电流也越大。在一定 的光照度下,所加的电压越大,光电流越大,而且无 饱和现 I/ μA 象。但是电压不能无限地 2 200 增大,因为任何光敏电阻 150 都受额定功率、最高工作 电压和额定电流的限制。 100 1 超过最高工作电压和最大 50 额定电流,可能导致光敏 0 20 40 U/V 电阻永久性损坏。
I RL RG E
光敏电阻具有很高的灵敏度,很好的光谱特性, 光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、 重量轻、性能稳定、价格便宜,因此应用比较广泛。
2. 光敏电阻的主要参数和基本特性 (1)暗电阻、亮电阻、光电流
暗电流:光敏电阻在室温条件下,全暗(无光照射) 后经过一定时间测量的电阻值,称为暗电阻。此时在 给定电压下流过的电流。 亮电流:光敏电阻在某一光照下的阻值,称为该光照 下的亮电阻。此时流过的电流。 光电流:亮电流与暗电流之差。 光敏电阻的暗电阻越大,而亮电阻越小则性能 越好。也就是说,暗电流越小,光电流越大,这样的 光敏电阻的灵敏度越高。 实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至 高达100MΩ,而亮电阻则在几kΩ以下,暗电阻与亮电 阻之比在102~106之间,可见光敏电阻的灵敏度很高。
式中ν和λ—入射光的频率和波长。 一种光电导体,存在一个照射光的波长限λC , 只有波长小于λC 的光照射在光电导体上,才能产生电 子在能级间的跃迁,从而使光电导体电导率增加。
光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响,因此要将导 光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连 接到外电路中,在外加电压的作用下,用光照射就能 改变电路中电流的大小,其连线电路如图所示。
光照很弱时,光电管产生 的电流很小,为提高灵敏度 常常使用光电倍增管。如核 仪器中闪烁探测器都使用的 是光电倍增管做光电转换元 件。 光电倍增管是利用二次电 子释放效应,高速电子撞击 固体表面,发出二次电子, 将光电流在管内进行放大。
由光阴极、次阴极 ( 倍增电极 ) 以及阳极三部分 组成。次阴极多的可达 30 级;阳极是最后用来收集 电子的,收集到的电子数是阴极发射电子数的 105-106 倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到 几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高 几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时,它就 能产生很大的光电流。
不加偏压的PN结
加偏压的PN结
第二节 外光电效应器件
利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制 成的光电器件,一般都是真空的或充气的光电器件, 如光电管和光电倍增管。
一、光电管及其基本特性 1. 结构
光电管有真空光电管和充气光 电管或称电子光电管和离子光电管 两类。两者结构相似,如图。它们 由一个阴极和一个阳极构成,并且 密封在一只真空玻璃管内。阴极装 在玻璃管内壁上,其上涂有光电发 射材料。阳极通常用金属丝弯曲成 矩形或圆形,臵于玻璃管的中央。
• 激光器有哪些优点? 单色性好、方向性好、亮度高、相干性好 • 激光器有哪几种? 固体激光器(红宝石) 气体激光器(He-Ne),(CO2,远红外光源) 半导体激光器(体积小,能量高,电源简单) 液体激光器
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
h
hc
1.24
Eg
(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。
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。
• 四、激光器 • 激光器laser,是“光受激辐射放大”的缩写, 即light amplification by stimulated emission of radiation. • 某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量, 从低能级跃迁到高能级上,如果处于高能级的粒 子数大于低能级上的粒子数,就形成了粒子数反 转,在特定频率的光子激发下,高能粒子集中地 跃迁到低能级上,发射出与激发光子频率相同的 光子。由于单位时间受激发射光子数远大于激发 光子数,因此上述现象称为光的受激辐射放大。 具有这种功能的器件称为激光器。
1. 光敏电阻的工作原理
当光照射到光电导体上时,若光电导体为本征 半导体材料,而且光辐射能量又足够强,光导材料价带 上的电子将激发到导带上去,从而使导带的电子和价带 的空穴增加,致使光导体的电导率变大。为实现能级的 跃迁,入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg, 即
hν=
hc
=
1.24
≥Eg(eV)
(2)光照特性
下图表示CdS(硫化镉 )光敏电阻的光照特性。在一定外 加电压下,光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。 不同类型光敏电阻光照特性不同,但光照特性曲线均 呈非线性。因此它不宜作定量检测元件,这是光敏电 阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。 Lx照度单位:单位面积的光通量
I/mA 5 4 3 2 1 0
电磁波波谱图 光的波长与频率的关系由光速确定,真空中的光速 c=2.99793×1010cm/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。
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
• 常见的光源有哪几类? 自然光源--太阳光 人工光源--热辐射光源 气体放电光源 激光器 电致发光器件
• 二、气体放电光源 • 什么是气体放电光源? 电流通过气体会产生发光现象,利用这种原理制 成的光源称为气体放电光源。 • 气体放电光源的光谱与什么有关? 其光谱是不连续的,光谱与气体的种类以及放电 条件有关。 • 哪些光源属于气体放电光源? 低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯统称为光谱 灯,常用作单色光源。还有氙灯。
U R I 光强
光电管的结构示意图
2. 主要性能
光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光 谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。
(1) 光电管的伏安特性
IA/ μA
12 10 120μlm 100μlm 80μlm 60μlm 40μlm 20μlm 50 100 150 200
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。