传感器技术第2讲光电式传感技术

0.01
波长/μm
0.05 0.1
1 0.5
极远紫外
远 近 可见光 近红外 紫紫 外外
10 5 远红外
106 5×105
105 5×104
104 5×103
103
波数/cm-1
3×1018
频率/Hz
1016 5×1015
1015 5×1014
100
光子能量/eV
50
10 5
1014 5×1013 1
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。 二、光源（发光器件） 1、钨丝白炽灯 用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射 光谱是连续的。发光范围：可见光外、大量红外线和紫外线， 所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：寿命短 而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱 特性要求不高，是可取之处。有溴钨灯和碘钨灯，其体积较小， 光效高，寿命也较长。传感器技术第2讲光电式传感技术
传感器技术第2讲光电式传感技术
3、发光二极管LED（Light Emitting Diode）
由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、
体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。
在半导Fra Baidu bibliotekPN结中，P区的空穴由于扩散而移动到N区，N区的
电子则扩散到P区，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子
第二讲 第二章 光电式传感技术
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件， 它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器 件。
2.1 概述 2.2 外光电效应器件 2.3 内光电效应器件 2.4 新型光电传感器 2.5 光敏传感器的应用举例
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2.1 概 述
I/mA
GaAsP(红 )
01
GaAsP(绿 )
2 U/V
相 1.0
对 0.8
灵 敏
0.6
度 0.4
λpG=a5P65nm
GaAsP λp=670nm
GaAs
λp=950nm
GaAsP λp=655 nm
0.2
0
600
700
800
900
发光二极管的光谱特性
发光二极管的光谱特性如图所示。
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的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区
注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载流子注入。所
注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N
区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因
而有发光现象。
电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度（即 能量间隙）。所放出的光子能量用hν表示，h为普朗克常数，ν
1000λ
4、激光器
激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高 方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24μm 到远红外整个光频波段范围。激光器种类繁多，按工作物质分 类：
（1）固体激光器 典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激 光器。它的工作物质是固体。 种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称YAG激 光器）和钕玻璃激光器等。 特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出 功率最高的器件，已达到几十太瓦。 固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗 登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球 的距离测量。
管的材料见下表。
材料 ZnS SiC GaP GaAs InP
波长/nm
材料
340
CuSe-ZnSe
480
ZnxCd1-xTe
565,680
GaAs1-xPx
900
InPxAs1-x
920传感器技术第2讲I光n电xG式a1传-x感As技术
波长/nm 400～630 590～830 550～900 910～3150 850～1350
0.5
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 νλ=3×1010cm / s
ν的单位为Hz，λ的单位传为感器c技m术。第2讲光电式传感技术
2、气体放电灯 定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。 气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条 件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小， 可得到主要在某一光谱范围的辐射。低压汞灯、氢灯、钠灯、 镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低 压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经 常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由 于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为 更长的波长，目前荧光剂的选择范围很广，通过对荧光剂的选 择可以使气体放电发出某一范围的波长，如，照明日光灯。气 体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/2—1/3。
为光的频率。则
h Eg
hc
Eg
hc
Eg
传感器技术第2讲光电式传感技术
普朗克常数h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；Eg的单位为 电子伏，1eV=1.6╳10-19J。hc=19.8×10-26m•W•s=12.4×10-7m•eV。
可见光的波长λ近似地认为在7×10-7m以下，所以制作发光二
发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带 宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光 二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。 注意， 图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的 反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向电压应在5V
以下。
-10 -5
极管的材料，其禁带宽度至少应大于h c /λ=1.8 eV。 普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分
别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。通常用的砷化镓和磷化镓 两种材料固溶体，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x＞0.35 时，可得到Eg≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使 λ在550～900nm间变化，它已经进入红外区。可供制作发光二极