【正文】 第五章 光電式傳感器 ? 定義 :光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光敏器件 . 一、光電效應(yīng) 物質(zhì)在光的作用下釋放電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 光電子在外電場中運(yùn)動形成的電流稱為光電流。 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律： 1）光電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比； 2）光電子的初動能只與入射光的頻率有關(guān)，與強(qiáng)度無關(guān)； 3）入射光頻率低于某一極限頻率時(shí)無光電子產(chǎn)生； 4)光電子釋放過程 109 S. ? 光電效應(yīng)分類： 光電子發(fā)射效應(yīng) 光導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng) （光電子發(fā)射效應(yīng)） ? 在光的作用下，電子逸出物體表面，向外發(fā)射，稱為外光電效應(yīng)。 ? 金屬電子勢阱： 金屬中，電子自由運(yùn)動；能級低于體外，欲使逸出，外界供給能量，如同在勢阱中運(yùn)動。 Eo Am (EF)m E0 :真空中靜止電子能量 EF :金屬的費(fèi)米能級 AM:功函數(shù) ? ① 金屬功函數(shù)： Eo與 EF之差，是電子逸出的最小能量。 Am=Fo (EF)m 金屬功函數(shù)的量級：電子伏特級。 例：銫的功函數(shù)最低，為 . 鉑的功函數(shù)最高，為 eV. 鉬： 銀： 鎢： ? ② 光子能量： Q=hv h:普朗克常量 1034 JS v：光的頻率 ? ③ 逸出條件： e吸收 Q， QA hvA 0 A hv 半無限空間 (頻率限制 ) 臨界波長 ? ④ 逸出電子的動能 由能量守恒定律（愛因斯坦光電效應(yīng)方程） 212 oh m v A? ??： 逸出速度 ：電子質(zhì)量 ovmPh????成 成 電 子 數(shù)量 子 效 率入 射 光 子 數(shù)⑤ ,光敏電流密度 ip 設(shè)：入射光功率 P，則有，每秒入射光子數(shù) pPieh ???生成載流子數(shù) ? 內(nèi)光電效應(yīng) ① 光電導(dǎo)效應(yīng)： 光作用下引起物質(zhì)（半導(dǎo)體）電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 光作用 →電子吸收光能量 →束縛態(tài)變?yōu)樽杂蓱B(tài) → 材料電導(dǎo)率變化 ? 例：半導(dǎo)體 Ed Ev hν Eg 躍遷條件： h Eg? ? ch Eg? ?hcEg? ?臨界波長 ? 例： Si（硅） 1 . 1 2E g e V?0 ???? ② 光生伏特效應(yīng) 在光照下，內(nèi)建電場引起半導(dǎo)體 PN結(jié)上產(chǎn)生電動勢 原理： a、 PN結(jié) P N 擴(kuò)散 + + P N + + P N + E 內(nèi)建電場 動態(tài)平衡 擴(kuò)散與內(nèi)建電場 E拉回動態(tài)平衡 b、光生伏特 光照 PN結(jié) — 吸收躍遷 — 電子孔穴對 內(nèi)建電場作用 — 電子 N區(qū)，空穴 P區(qū) + P N + E dp dn ○ ++++ c、產(chǎn)生條件 光子能量 擴(kuò)散長度（壽命） Eg?,d p d n?二 . 光的吸收系數(shù) α ? 光是否可以在半導(dǎo)體材料中傳播？ ? 光照射在半導(dǎo)體材料上是否都進(jìn)入？ ? 為什么傳播很短？ ? 衰減的原因是什么？ ? 光可以在其中傳播多深？ xX0d xx + d x0?xx() xdx??????（ ） 光 強(qiáng)（ ） dd( x ) = .x ( )xx????定 義 ： 在 某 位 置 某 方 向 光 被 吸 收 的 量 .設(shè) ： 在 點(diǎn) ， 光 強(qiáng) 為 ， 在 x+dx 點(diǎn) ， 光 強(qiáng) 為 （ ） d (x+dx) 在 沿 X 方 向 在 某 一 點(diǎn) 的 變 化 量 可 表 示 這 一 點(diǎn) 的 梯 度0 . 80 . 2 1 . 86101 0000000( ) ( )( ) ( )l n ( )( ) ( )ln( 0 ) ( 0 )( ) ( 0 )xxxxxxd x d xd x d xxxxxxxxexe???????????? ? ? ? ???? ? ???? ? ? ? ???? ? ? ? ? ??? 可 見 ， 傳 播 中 按 指 數(shù) 衰 減210 ?011Xe?????平 均 穿 透 深 度 ： ＝把 光 功 率 下 降 為 時(shí) 的 位 置 稱 為 穿 透 深 度x=1 x=以 Si為例： 由圖可見 0 . 80 . 2 1 . 86101 0210 ?S i?0 . 90 . 9????時(shí) 無 吸 收 ， 因 為 不 造 成 躍 遷 ， 且 穿 透 大時(shí) 迅 速 增 大 ， 因 為 吸 收 ， 穿 透 小 三、 特性 S 表示方法 S= 光度學(xué) :對可見光的能量計(jì)量 輻射度量學(xué) :對 x,紫外 ,紅外 ,電磁的能量計(jì)量 輸 出 量輸 入 量光電流 (A) ｛ 光通量 流明靈敏度 受光面照強(qiáng)度 勒克斯靈敏度 輻射通量 輻射靈敏度 輸入量表示方法 :(光度學(xué)中的表示 ) a)光通量 lm lm 流明 : 某一發(fā)光強(qiáng)度為 1坎德拉的點(diǎn)光源在 該方向單位立體角內(nèi)傳送出的光通量為 1流明 (lumen) 1坎德拉 : 2042 (1769 鉑的凝固點(diǎn) ) ,氣壓為101325牛頓 / ,面積為 1/60 的絕對黑體沿法線方向發(fā)出的光強(qiáng)為 1光強(qiáng)單位 ,稱為 1坎德拉 b) 照度 勒克斯 (Lux) 1流明的光通量均勻分布在 1m 平面產(chǎn)生的照度為 1勒克斯 單位為 1流明 /米 。22C2cm2m kc) 輻射通量 單位時(shí)間內(nèi)通過元面積 ds所有波長的能量為該元面積的輻射通量 單位為 瓦特 1瓦特 =685流明 即 輸入量為能量 ,不同的輸入量有不同的靈敏度 2 、光譜靈敏度度 與峰值波長 = = S(λ) 輸出量 輸入量 U(λ) Ф(λ) S(λ) 單色輻射通量 器件反映 o???有寬度 機(jī)理 Sr(λ) 光譜靈敏度與最大光譜靈敏度之比 最大 Sr(λ)均為 1 表示本身光譜選擇性的優(yōu)劣 例如：都在 處三個(gè)不同器件的 大不一樣，是否大的就好或不好。 對于不同的用途來評價(jià)其優(yōu)劣： 對于廣譜輸入，選擇性差的優(yōu)。 對于窄譜輸入，選擇性好的優(yōu)。 對于抗干擾，選擇性好的為優(yōu)。 1?1()S ?指連續(xù)輻射通量與輸出之比 測量是采用標(biāo)準(zhǔn)輻射源，探測器不同，材料不 同，響應(yīng)不同。 為什么？ 峰值波長不同 （靜態(tài)特性） US ?? 意義：能檢測的最小檢測輻射通量，最 小檢測輻射通量。 存在組件固有噪聲，只有大于固有 噪聲才能被檢測輸出 產(chǎn)生的電信號與固有噪聲電平相等時(shí) 輻射射通量為通量閾。 ??2H SU??2 /H US??積分靈敏度 S= 等效噪聲均方根 輸出 U 輸入 Ф *DH?H?問題：不同的 (通量閾 )探測器 是否 小的一定好？ 先看是怎樣測量 的 H?△ f 阿 儀器 的帶寬 不一樣 ，又因噪聲頻譜非常寬， 越大，測量的噪聲功率越大， 也 越大。 即 噪聲功率 沒有反映出儀器不同造成的差別。 H?H?H f? ? ?VI V fR? ? ? ZVf???f?f?阿 再看探測器的面積不同對噪聲的貢獻(xiàn)： 設(shè)：有一受光面積為 A的器件 是全同單元 是每一單元的噪聲功率 nAnNnnANAAA??nnn總N＝ n N NnA nA? 阿 如果兩探測器材料相同，環(huán)境相同 是常數(shù)，則有 噪聲功率 也沒有反映出面積的差別 兩項(xiàng)因素都考慮進(jìn)去 nAnN NA?總2nV AR? ZVA?H?nV A f??問題怎樣消除其不平等因素：歸一化 用 去消除 ，即單位 的 Af? H? Af? H??2*1ZH UDA f S A f?????*2ZS A fDU???： 定義：相對光譜靈敏度隨入射輻射通量的調(diào)制頻 率變化的特性。 原因：響應(yīng)為粒子過程。 D D 響應(yīng)時(shí)間 （小信號條件） 轉(zhuǎn)換特性：輸入為階躍信號時(shí)的光電器件的響應(yīng)。 響應(yīng)時(shí)間：光電器件輸出電壓達(dá)到最大值的 的時(shí)間。 02 2 2() ( 1 4 )rrSSff??? ?f=0時(shí) 響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)頻率 一般關(guān)系： 四、光電傳感器 1)原理 :外光電效應(yīng) 光照 發(fā)射電子 電場加速 陽極收集 2) 結(jié)構(gòu) EEI光 照陰 極陽 極改 進(jìn) : 充 惰 性 氣 體(氬、氖、氦） 3)伏安特性 陽極電流 (μ A) V陽極電壓 飽合點(diǎn) 比較： :一定光照時(shí) ,陽極電壓達(dá)到一定 程度飽合 . :電子越多 ,更大的陽極電壓才能收集完 ,飽合點(diǎn)不同 . 3 、充氣光電管在在充氣離子化電壓附近時(shí)陽極電流急速上升。 改進(jìn) :提高靈敏度 ,增加電流 (氣體電離電 )充氣 . 特點(diǎn) :靈敏度增加 (斜率大 ) 穩(wěn)定性 ,頻率特性變差 響應(yīng)特性 光電變換時(shí)間短 1012S 電子輸運(yùn)時(shí)間為主 1)原理 :外光電效應(yīng) ,電子二次釋放效應(yīng) . 高速電子撞擊固體表面 ,再次發(fā)射 . 光照 固體表面 二次電子釋放 特點(diǎn) :由于一次發(fā)射后被加速 ,能量增加 ,撞擊后更多的電子發(fā)射 . 2)倍增率 δ 21nn? ?2211e n Ie n I? ? ? 二 次 電 子 流一 次 電 子 流二次電子數(shù) 轟擊固體物質(zhì)的電子數(shù) 3)電流放大增益 G 在一定工作電壓下 ,陽極電流與陰極電流之比 iA/ik 設(shè) :有 N個(gè)倍增極 平均倍增率為 δ 光電