第二章 光电传感原理.ppt

第二章光电传感原理 基于光电效应原理工作的光电传感器 在检测和控制中应用非常广泛 本章主要介绍光敏电阻 硅光电池 光敏二极管 光敏晶体管等典型光电器件的光电原理 及光谱响应 频率响应 时间响应等主要参数与基本特性 光电传感技术 2 1电磁波谱2 2辐射源特性及其度量2 3光电效应2 4光电探测传感器件 电磁波谱 图2 1电磁波谱 光的特性光是电磁波谱中的一员 不同波长光的分布如图4 2所示 这些光的频率 波长 各不相同 但都具有反射 折射 散射 衍射 干涉和吸收等性质 由光的粒子说可知 光是以光速运动着的粒子 光子 流 一种频率的光由能量相同的光子所组成 每个光子的能量为 式中h 普郎克常数 h 6 626 10 34J s 可见 光的频率愈高 即波长愈短 光子的能量愈大 对于光的计量有两种描述方法 一种是测量其客观物理实质的辐射度学量 另一种是测量其对人眼生理作用的光度学量 辐射源特性及其度量 辐射源特性 1 光谱特性 辐射源的辐射强度随波长分布 2 能量特性 能量大小 辐射光功率通量 光强度 光亮度 3 角度特性 辐射源的强度沿空间角度分布 辐射源的度量对辐射源的度量有两种 光度量制和辐射度量制 光度量制以人眼或经视见函数校正过的照度计作为探测器 辐射度量制以无光谱选择性的真空热电偶作为探测器 辐射度学量单位 光度学量单位 光电效应 光电效应是指因光照而引起物体电学特性改变的现象 电学特性变化是指光照射物体时 物体发射电子 电导率发生变化或产生光电动势等 光电效应大致可归纳为两大类 外光电效应 物质受到光照后向外发射电子的现象 这种效应多发生于金属和金属氧化物 内光电效应 物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动 而不会逸出物质外部的现象 这种效应多发生于半导体内 内光电效应又可以分为光电导效应和光生伏特效应 光电导效应 光电导效应是指物体受光照射后 其内部产生光生载流子 使物体中载流子数显著增加而电阻减小的现象 这种效应在很多半导体和绝缘体中都存在 而金属的电子能态与半导体和绝缘体不同 在光照下电阻没有改变 因此不产生光电导效应 表征光电导体器件 最重要的参数为1 灵敏度 指在一定条件下 单位照度所产生的电流 2 弛豫时间 惰性 非平衡载流子效应 表示光电导上升或者下降的时间 称驰豫时间 光照射样品后 样品的光电导逐渐增加 最后达到定态 光照停止 样品的光电导在一段时间内逐渐消失 表征了光电导对光强变化反应的快慢 3光谱特性指光电导的大小与照射光的波长有密切关系 光电导器件 光敏电阻 的光谱特性 存在长波波限 由半导体材料的禁带宽度决定 光生伏特效应 光生伏特效应是指 光照使不均匀半导体或均匀半导体中光电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象 是把光能变为电能的一种效应 因此光照在半导体PN结或金属半导体接触面上时 在PN结或金属半导体接触的两侧会产生光生电动势 光电发射效应 光敏物质吸收光子后 电子从基态被激发到高能态而脱离原子核的束缚 从而在外电场作用下参与导电 即发生内光电效应 如果被激发的电子能逸出光敏物质的表面而在外电场作用下形成光电子流 这就是外光电效应或称光电发射效应 在光电器件中 光电管 光电倍增管等光电器件 都是基于外光电效应理论的 1 斯托列托夫定律 光电发射第一定律 2 爱因斯坦 Einstein 定律 光电发射第二定律 3 光电发射的红限 一个电子只能接受一个光子的能量 要使一个电子从物体表面逸出 必须使光子能量 大于该物体的表面逸出功A 各种不同的材料具有不同的逸出功A 因此对某特定材料而言 将有一个频率限 o 或波长限 o 称为 红限 externalphotoelectriceffect 红限波长可用下式求得 当入射光的频率低于 o时 或波长大于 o 不论入射光有多强 也不能激发电子 当入射频率高于 o时 不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子 光越强则激发出的电子数目越多 式中c 光速 4 光电发射的瞬时性光电发射延迟时间不超过3 10E 13S 包括三个阶段 1 电子吸收光子 产生激变 2 受激电子从发射体内向真空面运动 3 受激电子越过表面势垒向真空逸出 光电探测传感器件 利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件称为光电探测传感器件 有时也称光电探测传感器件 根据对辐射的作用方式不同 或说工作机理的不同 光电探测传感器件 光电探测传感器件 可分为光子探测传感器件热电探测传感器件 光电探测传感器件 光电管外光电效应光电倍增管本征型单晶型光子探测传感器件掺杂型 基于量子效应 光敏电阻多晶型 基于光电导效应 合金型内光电效应光敏二极管光电探测传感器件光生伏特效应光敏晶体管 基于光生伏特效应 光电池雪崩光电管热电堆热电偶热电探测传感器件热释电探测器 基于热效应 热敏电阻表2 4各类光电效应及其相应器件 光电探测传感器件 光电探测传感器件的基本特性参数响应度响应时间频率响应参数描述噪声的基本参数半导体光电探测传感器件光电探测传感器件主要特性比较与选用原则 光电探测传感器件的基本特性参数 1 响应度 或称为灵敏度 响应度是用来衡量光电探测传感器件的光 电转换效能 定义为光电传感器输出电压或输出电流与入射光功率 或通量 之比 即式中 和分别称为电压响应度和电流响应度 由于光电传感器的响应度随入射光的波长而变化 因此又有光谱响应度和积分响应度 2 3 光电探测传感器件的基本特性参数 2 光谱响应度光谱响应度 单位为V W或A W 是光电传感器的输出电压或输出电流与入射到传感器上的单色辐通量 光通量 之比 即式中 为光谱响应度 为入射的单色辐通量或光通量 从式 2 4 可看出 传感器的输出电压 或电流 值愈大意味着传感器愈灵敏 2 4 光电探测传感器件的基本特性参数 3 积分响应度积分响应度表示传感器对连续辐射通量的反应程度 对包含有各种波长的辐射光源 总光通量为 光电传感器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为积分响应度 由于光电传感器输出的光电流是由不同的波长的光辐射引起的 所以输出光电流应为积分响应度为由于采用不同的辐射源 甚至具有不同色温的同一辐射源所发生的光谱通量分布也不相同 因此提供数据时应指明采用的辐射源及其色温 光电传感器的长波限 光电传感器的短波限 光电探测传感器件的基本特性参数 4 响应时间响应时间是描述光电传感器对入射辐射响应快慢的一个参数 即当入射辐射到光电传感器后或入射辐射遮断后 光电传感器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间 常用时间常数的大小来表示 当用一个辐射脉冲照射光电传感器 如果这个脉冲的上升和下降时间很短 如方波 则光电传感器的输出由于器件的惰性而有延迟 把从10 上升到90 峰值处所需的时间称为传感器的上升时间 而把从90 下降到10 处所需的时间称为下降时间 如图2 4所示 图2 4上升时间和下降时间 光电探测传感器件的基本特性参数 5 频率响应由于光电传感器信号的产生和消失存在着一个滞后过程 所以入射光辐射的频率对光电传感器的响应将会有较大的影响 光电传感器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应 利用时间常数可得到光电传感器响应度与入射调制频率的关系 其表达式为式中 为频率是f时的响应度 为频率是零时的响应度 为时间常数 当时 可得放大器的上限截止频率为显然 时间常数决定了光电传感器频率响应的带宽 描述噪声的基本参数 1 热噪声2 散粒噪声3 产生 复合噪声4 1 f噪声5 衡量噪声的参数 1 信噪比 S N 2 等效噪声输入 ENI 3 噪声等效功率 NEP 4 探测率D与归一化探测率 5 暗电流 半导体光电探测传感器件 1 光敏电阻光敏电阻是光电导型器件 它是在绝缘材料上将梳状光电导体封闭在金属或塑料外壳内 再在两端连上欧姆接触的电极而成 2 光电池根据光生伏特效应制成的光电池是将光能转变成电能的一种器件 3 光敏二极管由于半导体光敏二极管有一个PN结 因此属于单向导电性的非线性光电器件 4 光敏晶体管光敏晶体管是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管且电流加以放大的普通晶体管 因此 结构与一般晶体管相类似 光电探测传感器件主要特性比较与选用原则 光电探测传感器件的选用原则光电探测传感器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配