【正文】 第二章 光敏傳感器 PHOTOSENSORS 光敏傳感器 用光照射 材料 后材料本身的 電學 性質發(fā)生變化制成的器件。 感應光信號的材料稱為 光電材料 對光信號的變化反應迅速，并將光信號轉變?yōu)殡娦盘枺? ∵ 光信號具有粒子性，光子具有一定的能量（ hγ ）， ∴ 光敏傳感器是 將 光能 變換為相應 電能 的裝置，又稱 光電式傳感器 ； ∵ 它們還是 探測光信號的器件，也稱為 光電探測器 。 定義： 通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉化成電信號的器件。其原理是基于一些物質的光電效應。 是各種光電檢測系統(tǒng)中實現光電轉換的關鍵元件，它是把 光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件 。 光譜 : 光波 ：波長為 10—106nm的電磁波 可見光： 波長 380—780nm 紫外線： 波長 10—380nm， 波長 300—380nm稱為近紫外線 波長 200—300nm稱為遠紫外線 波長 10—200nm稱為極遠紫外線， 紅外線： 波長 780—106nm 波長 3μm（即 3000nm）以下的稱近紅外線 波長超過 3μm 的紅外線稱為遠紅外線。 光譜分布如圖所示。 遠紫外 近紫外 可見光 近紅外 遠紅外 極遠紫外 1 10 5 波長 /μ m 波數 /cm1 頻率 /Hz 光子能量 /eV 106 105 104 103 5 105 5 104 5 103 1015 5 1014 1014 5 1013 100 10 1 50 5 5 1015 1016 3 1018 光 的 波 長 與 頻 率 的 關 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 λ和頻率 ν的關系為 ν的單位為 Hz， λ的單位為 cm。 νλ=3 1010cm / s 二、 紅外熱釋電探測器 ： 對光譜中長波（紅外）敏感的器件。 紅外光電器件 光電效應紅外器件和熱釋電器件 三、 固態(tài)圖像傳感器 ：結構上分為兩大類， 一類 用 CCD的光電轉換和電荷轉移功能制成的 CCD圖像傳感器， 一類 用光敏二極管與 MOS晶體管構成的將光信號變成電荷或電流信號的 MOS圖像傳感器，又稱自掃描光電二極管列陣（ SSPA）。 四、 光纖傳感器 ：是唯一的有光源的光敏傳感器 一、 光電效應傳感器 ：用光敏材料的光電效應制成的光敏器件。 分為外光電效應和內光電效應器件 按工作原理將光敏傳感器 分為四類 ： CCD傳感器 光敏傳感器 反射式光敏傳感器 光敏傳感器 (Photosensors) 外光電效應及器件 photoemissive effect and its devices 光電導效應器件及其應用 Photoconductor and its apllication 光生伏特效應器件 Photovoltaic effect device 紅外熱釋電器件 Infrared discharge device 固態(tài)圖像傳感器 Solid image sensors 光纖傳感器 Fiber optic sensors 新型光傳感器 Newtyple photosensors 外光電效應及器件 photoemissive effect and its devices 外光電效應 photoemissive effect 光電發(fā)射二極管 photoemissive cell 光電倍增管 photoemissive multiplier 光電倍增管在閃爍計數器中的 應用 Application of photoemissive multiplier to scintillation countor 外光電效應 一、原理： 在光照下某些材料中的電子逸出表面而產生光電子發(fā)射的現象 稱為 外光電效應（光電發(fā)射效應） 。 愛因斯坦假設 ：一個電子只能吸收一個光子，一部分能量用以克服物質對電子的束縛（表面逸出功 φ ），一部分轉化為電子的能量，且此過程必須滿足能量守恒定律： 若電子得到的能量全都變?yōu)?電子的動能 ，光電子的最大動能為： 表明，光電子的最大動能與入射光的頻率 成正比 ，而與入射光的強度 無關 ？ +Z1S22S 22P6光子光電子+ Z+ Z + Z+ Z+ Z+ Z+ Z+ Z+ Z+ Z+ Z二、實驗總結 h vERL光 強 ( l m )IL( 1 0 6A )12340 . 0 5 0 . 1光電流隨光強的變化曲線： 在 足夠的外加 E下，若入射光的頻率一定或頻譜成分不變時， 飽和 光電流（ IL）與光強成正比。 ∵ 入射光強越大，光子數越多，發(fā)射的電子數越多，即單位時間內通過單位面積的電量越大。 檢測裝置： 發(fā)射材料 上放一 電子接收板 連成一光電發(fā)射檢測裝置，測定 逸出電流 隨 光強度和光頻率 的變化。 存在一個極限頻率 γ 0 ： 若入射光子能量 hγ 小于 hγ 0，即 λ λ 0時，無論光強多大都無光電子發(fā)射，光電流為 0。 證明愛因斯坦假設 ? ，電子吸收 hγ 0后能量完全用于克服表面逸出功，此波長為 閾波長 ： 逸出電子的最大能量： 給光電發(fā)射材料加反壓，以阻止電子運動到吸收板上，測出無電子到達時的電壓。 若光子的波長或頻率不變， 光強增加 只是照射材料的光子數目增多，逸出電子的最大能量保持不變。 )()(400 mcmhcc ?????? ???????光電子能否產生 ， 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。 不同的物質逸出功不同 ， 即每一個物體都有一個對應的光頻閾值 ， 稱為紅限頻率或波長限 。 ?光線頻率低于紅限頻率 ， 光子能量不足以使物體內的電子逸出 ， 因而小于紅限頻率的入射光 ， 光強再大也不會產生光電子發(fā)射； ?反之 ， 入射光頻率高于紅限頻率 ， 即使光線微弱 ， 也會有光電子射出 。 ?當入射光的頻譜成分不變時，產生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數目越多，逸出的電子數也就越多。 ?光電子逸出物體表面具有初始動能 mv02 /2 ，因此外光電效應器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產生。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。 h v 光電發(fā)射二極管 photoemissive cell 光電二極管 把檢測裝置中發(fā)射電子的極板（ 陰極） 和吸收電子的極板（ 陽極） 封于同一殼內，連上電極。 按照原理可分 真空光電二極管 和 充氣光電二極管 兩類。 一、真空光電二極管 將陽極和陰極 同裝于一真空玻璃殼內，兩個電極。 陰極： 為有效地吸收 最大光強 一般具有一定的幾何形狀（球面或半圓筒狀），其凹面上 鍍有 光電發(fā)射材料。 陽極：既 吸收陰極發(fā)射的電子， 又 不妨礙照射到陰極上的光線，用細金屬絲（或棒）做陽極。 真空光電二極管結構示意圖 陽 極陰 極入 射 光不 透 明 陰 極陰 極陽 極入 射 光透 明 陰 極不 產 生 陽 極 投 影陽 極陰 極光 電 管 同一光強下曲線 在 0～ 20V范圍內 ， 電壓增大 達到陽極的 光電子數目 也增大，陽極電流急劇增大； 當電壓 大于 20V后，幾乎全部發(fā)射電子都巳到達陽極，電壓再增大，電流幾乎不變，曲線平坦 (飽和區(qū) )。 一般工作電壓 選擇 在飽和區(qū)但要盡可能小一些，而隨著光強的增加，產生的光電子數就增多，所以 光電流與光強成正比。 RL +V V V 0 真空光電二極管測量電路圖 V a ( V )I a ( 1 0 6A )陽 極 電 壓光 通 量0 . 1 1 l m0 . 0 5 l m0 . 0 2 l m2 0 4 0 6 01234( l m )其伏安特性曲線圖 光電管的結構示意圖 陽極 光電陰極 光窗 光電管： 真空光電管和充氣光電管 或稱電子光電管和離子光電管兩類。 兩者結構相似，如圖。 由一個陰極和一個陽極構成，且密封在一只真空玻璃管內。 陰極裝在玻璃管內壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。 陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。 二、充氣光電二極管 結構 :與真空光電二極管 類似 ,只是管殼內充有低壓惰性氣體 (氬氣和氖氣 )。 V a 20 I a 40 60 80 100 (V) 0 真空光電二極管 充氣光電二極管 比較 :充氣光電二極管的 靈敏度高，但 其靈敏度 隨電壓而顯著變化 ，使其穩(wěn)定性和頻率特性都比真空光電二極管差，所以在實際應用中應選擇合適的電壓。 光線照到陰極上 產生光電子 ,陽極電壓使其加速 ,加速的電子使氣體分子電離 ,形成更多的電子和離子，又被加速與另外氣體分子碰撞使其電離產生更多電子 ,即發(fā)生了 倍增效應 , 此外 ,氣體電離的正離子又與陰極碰撞產生光電子 ,因此達到陽極的電子數目增大很多，相當于具有一定的放大倍數，可達 10倍左右。 三、實用光電陰極的光電材料應該具備三個基本條件 光吸收系數大 光電子在體內傳輸到體外的過程中能量損失小， 使逸出深度大，即一旦產生就能夠逸出 電子親和勢較低，使表面的逸出幾率提高。 ∵ 純金屬 反射強，吸收少，且逸出功大，光電發(fā)射效率低， ∴ 大多數金屬只適于做紫外靈敏的光電器件。 半導體 光電材料，逸出功較小，對可見光、紅外光都很敏感， 如 Ge 、 CdSe、 (AgOCs)，（ Cs3Sb）、 Bi Cs、 AgBiOCs、 NaKCsSb、 Na2KSb、 GaAs:CsO、 GaP:Cs和 GaAs:Cs等負電親和勢的材料。 光電管光譜特性： 由于光陰極對光譜有選擇性 ， 因此光電管對光譜也有選擇性 。 保持光通量和陰極電壓不變 ， 陽極電流與光波長之間的關系叫光電管的光譜特性 。 一般對于光電陰極材料不同的光電管 ， 它們有不同的紅限頻率 υ0， 因此它們可用于不同的光譜范圍 。 除此之外 ， 即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率 υ0， 且強度相同 ， 隨著入射光頻率的不同 ，陰極發(fā)射的光電子的數量還會不同 ， 即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同 ， 這就是光電管的光譜特性 。 對各種不同波長區(qū)域的光 ， 應選用不同材料的光電陰極 。 國產 GD4型的光電管，陰極是銻銫材料制成的。其紅限 λ0=7000197。，對可見光范圍的入射光靈敏度比較高，轉換效率： 25%~30%。適用于 白光光源 ，被廣泛用于各種光電式自動檢測儀表中。 對 紅外光源 ，常用銀氧銫陰極，構成紅外傳感器。 對 紫外光源 ，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。 另外，銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，為 3000~8500197。，靈敏度也較高，與人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極； 但有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜特性有很大差異，在測量和控制技術中可以擔負人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。 一般充氣光電管當入射光頻率大于 8000Hz時，光電流將有下降趨勢，頻率愈高，下降得愈多。 光電倍增管 當入射光很微弱時，普通光電管產生的光電流很小，只有零點幾 μA，很不容易探測。常用光電倍增管對電流進行放大 基本原理： 光照到 陰極 上產生光電子 ,在真空 電場 作用下被加速投射到第一個“打拿極”上，一個光電子可以產生多個電子 ,多次被加速而激發(fā)打拿極后電子數目得到倍增。 一、工作原理 工作電壓： 一般有 11個左右的打拿極，工作時，電極電位從陰極到陽極經過各個打拿極逐級升高，即每個打拿極電壓應滿足：V11…… V3V2V1， 二次電子發(fā)射 當具有 足夠動能的電子 轟擊打拿極時，該打拿極表面將有電子發(fā)射出來的現象。 一次電子： 轟擊打拿極的電