【正文】 傳感器技術(shù) 主講：吳秋寧 第五章 光傳感器 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 外光電效應(yīng)器件 第三節(jié) 內(nèi)光電效應(yīng)器件 第四節(jié) 新型光電傳感器 第五節(jié) 光敏傳感器的應(yīng)用舉例 光傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件 ， 它是把 光信號(hào) （ 紅外 、 可見(jiàn)及紫外光輻射 ） 轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件 。 一、光譜 光波 ：波長(zhǎng)為 10— 106nm的電磁波 可見(jiàn)光： 波長(zhǎng) 380— 780nm 紫外線： 波長(zhǎng) 10— 380nm， 波長(zhǎng) 300— 380nm稱(chēng)為近紫外線 波長(zhǎng) 200— 300nm稱(chēng)為遠(yuǎn)紫外線 波長(zhǎng) 10— 200nm稱(chēng)為極遠(yuǎn)紫外線， 紅外線： 波長(zhǎng) 780— 106nm 波長(zhǎng) 3μm（即 3000nm）以下的稱(chēng)近紅外線 波長(zhǎng)超過(guò) 3μm 的紅外線稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外線。 光譜分布如圖所示。 第一節(jié) 概 述 遠(yuǎn)紫外 近紫外 可見(jiàn)光 近紅外 遠(yuǎn)紅外 極遠(yuǎn)紫外 1 10 5 波長(zhǎng) /μ m 光的波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系由光速確定 ， 真空中的光速c= 1010cm/s， 通常 c≈3 1010cm/s。 光的波長(zhǎng) λ和頻率 ν的關(guān)系為 ν的單位為 Hz， λ的單位為 cm。 νλ=3 1010cm / s 二、光源（發(fā)光器件） 鎢絲白熾燈 用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是 連續(xù)的。 發(fā)光范圍 ：可見(jiàn)光外、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號(hào)。 氣體放電燈 定義：利用電流通過(guò)氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈 。 氣體放電燈的光譜是 不連續(xù) 的 ， 光譜與氣體的種類(lèi)及放電條件有關(guān) 。 改變氣體的成分 、 壓力 、 陰極材料和放電電流大小 ， 可得到主要在某一光譜范圍的輻射 。 它們經(jīng)常用作光電檢測(cè)儀器的 單色光源 。 氣體放電燈消耗的能量?jī)H為白熾燈 1/2— 1/3。 發(fā)光二極管 LED（ Light Emitting Diode） 由半導(dǎo)體 PN結(jié)構(gòu)成 ， 其工作電壓低 、 響應(yīng)速度快 、壽命長(zhǎng) 、 體積小 、 重量輕 ， 因此獲得了廣泛的應(yīng)用 。 在半導(dǎo)體 PN結(jié)中， P區(qū)的空穴由于擴(kuò)散而移動(dòng)到 N區(qū)， N區(qū)的電子則擴(kuò)散到 P區(qū)，在 PN結(jié)處形成勢(shì)壘（內(nèi)電場(chǎng)），從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴(kuò)散。 當(dāng) PN結(jié)上加有正向電壓時(shí)，勢(shì)壘（內(nèi)電場(chǎng)）降低，電子由 N區(qū)注入到 P區(qū)，空穴則由 P區(qū)注入到 N區(qū)，稱(chēng)為少數(shù)載流子注入。 所注入到 P區(qū)里的電子和 P區(qū)里的空穴復(fù)合 ，注入到 N區(qū)里的空穴和 N區(qū)里的電子復(fù)合 ，這種復(fù)合同時(shí)伴隨著以 光子形式放出能量 ，因而有發(fā)光現(xiàn)象。 激光器 激光是 20世紀(jì) 60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個(gè)重要特性。激光波長(zhǎng)從 頻波段范圍。 激光器種類(lèi) 繁多 ， 按工作物質(zhì)分類(lèi)： ?固體 激光器 （ 如紅寶石激光器 ） ?氣體 激光器 （ 如氦 氖氣體激光器 、 二氧化碳激光器 ） ?半導(dǎo)體 激光器 （ 如砷化鎵激光器 ） ?液體 激光器 。 三 、 光電效應(yīng) 是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量 ， 從而產(chǎn)生的電效應(yīng) 。 光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng) 。 光電效應(yīng)分為 外光電效應(yīng) 和 內(nèi)光電效應(yīng) 兩大類(lèi) 外光電效應(yīng) 在光線的作用下 ， 物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象 稱(chēng)為外光電效應(yīng) 。 向外發(fā)射的電子叫做光電子 。 基于外光電效應(yīng)的光電器件有 光電管 、 光電倍增管 等 。 光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量： E=hν h— 普朗克常數(shù)， 1034Js； ν— 光的頻率（ s1） 根據(jù)愛(ài)因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量，所以要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必須使 光子的能量大于該物體的表面逸出功 ，超過(guò)部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開(kāi)始照射至金屬釋放電子所需時(shí)間不超過(guò) 109s。 根據(jù)能量守恒定理 式中 m— 電子質(zhì)量； v0— 電子逸出速度。 02021 Amh ?? ??該方程稱(chēng)為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程。 ?光電子能否產(chǎn)生 ， 取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功 A0。 不同的物質(zhì)具有不同的逸出功 ，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值 ， 稱(chēng)為紅限頻率或波長(zhǎng)限 。 光線頻率低于 紅限頻率 ， 光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出 ， 因而小于紅限頻率的入射光 ， 光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之 ， 入射光頻率高于紅限頻率 ， 即使光線微弱 ， 也會(huì)有光電子射出 。 ?當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。 ?光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能 mv02 /2 ，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒(méi)有加陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率 ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象 叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為 光電導(dǎo)效應(yīng) 和 光生伏特效應(yīng) 兩類(lèi)： （ 1） 光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng) ?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。 內(nèi)光電效應(yīng) 過(guò)程： 當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí) ， 價(jià)帶 中的電子受到能量大于或等于 禁帶寬度 的光子轟擊 ， 并使其由 價(jià)帶 越過(guò) 禁帶 躍入導(dǎo)帶 ， 如圖 ， 使材料中 導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加 ， 從而使電導(dǎo)率變大 。 導(dǎo)帶 價(jià)帶 禁帶 自由電子所占能帶 不存在電子所占能帶 價(jià)電子所占能帶 Eg 電子能級(jí)示意圖 材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對(duì)于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個(gè)照射光波長(zhǎng)限 λ0，只有波長(zhǎng)小于 λ0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級(jí)間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。 式中 ν、 λ分別為入射光的頻率和波長(zhǎng)。 ??? ??? hch為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度 Eg，即 （ 2） 光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng) 。 基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。 ①勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)） 。