光电传感器[1]

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。
I/mA
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。
GaP λp=565nm
GaAsP λp=670nm
GaAs λp=950nm
GaAsP λp=655nm
0.2
0
600
700
800
900
发光二极管的光谱特性
1000λ/nm
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：
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
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。
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。
（2）气体激光器 工作物质是气体。 种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体 分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离 子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳 激光器、准分子激光器等，其形状像普通 的放电管一样，能连续工作，单色性好。 它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱 区域。
GaAsP(红)
-10 -5
01
GaAsP(绿)
2 U/V
发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的
曲线有两根Leabharlann Baidu这是因为其材质成分稍有差异而得到不同
的峰值波长λp 。除峰值波长λp决定发光颜色之外，峰的 宽度（用Δλ描述）决定光的色彩纯度，Δλ越小，其光色
越纯。
1.0
相 对 0.8 灵 敏 0.6 度 0.4
（3）半导体激光器 与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓 激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、结 构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及 步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌 机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光 器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。
（4）液体激光器 种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染 料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。 它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内 调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他 激光器不能起的作用。
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为光的频率。则
h Eg
hc
Eg
hc
Eg
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（eV），1eV=1.6╳10-19J。 hc=19.8×10-26m•W•s=12.4×10-7m•eV。
h 1 2m02 A0
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
固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳 激光器）
半导体激光器（如砷化镓激光器） 液体激光器。
（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。
与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。
表4.1-1 LED材料
材料 ZnS SiC GaP GaAs InP
波长/nm 340 480
565,680 900 920
材料 CuSe-ZnSe ZnxCd1-xTe GaAs1-xPx InPxAs1-x InxGa1-xAs
波长/nm 400～630 590～830 550～900 910～3150 850～1350
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。
在半导体PN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。