生物医学传感光电

21:30,1,第十章 光电式传感器,21:30,2,一、概述二、外光电效应器件三、 内光电效应器件四、几种特殊光电器件五、光电传感器的应用,光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。,光电式传感器,21:30,3,一、光谱 光波：波长为10106nm的电磁波 可见光 紫外线 红外线,10-1 概 述,=31010cm / s,21:30,4,二、光源（发光器件）,1、钨丝白炽灯,2、气体放电灯,3、发光二极管LED（Light Emitting Diode）,21:30,5,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,0,600,700,800,900,1000,GaAsP,p=670nm,p=655nm,GaAsP,p=565nm,GaP,p=950nm,GaAs,发光二极管的光谱特性,/nm,相对灵敏度,21:30,6,4、激光器,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。,21:30,7,什么是光电效应?,光照射在某些物质上时,物质的电子吸收光子的能量而发生电效应现象，如导电率变化、释放电子和产生电动势等。 释放的电子叫光电子，能产生光效应的物质叫光电材料。,光电效应按其作用原理分为以下两大类型：,外光电效应,内光电效应,三、光电效应,21:30,8,一、 外光电效应,10-2 外光电效应及器件,外光电效应遵循以下两个定律：,（1）斯托列夫定律-当入射光的频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目的饱和值）与入射光的强度成正比。,（2）爱因斯坦定律-光电子的最大动能与入射光的频率成线性关系，而与入射光的强度无关。,在光照的作用下，物体表面和内部电子吸收光能后逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，亦称光电发射效应。,21:30,9,光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：,E=h,h普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）,爱因斯坦光电效应方程,式中：m电子质量；v0电子逸出速度；Ao金属的逸出功,21:30,10,(一)光电管,1. 结构与工作原理,二、外光电效应器件,21:30,11,2. 主要性能,（1） 光电管的伏安特性,21:30,12,（2）光电管的光电特性,（3）光电管光谱特性,21:30,13,(二)光电倍增管,1. 结构和工作原理：,二次电子发射 电子倍增现象,21:30,14,21:30,15,2. 主要参数,（1）倍增系数M,21:30,16,（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度,（3）暗电流和本底脉冲,（4）光电倍增管的光电特性,21:30,17,当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：,10-3 内光电效应及器件,1、光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。 基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,21:30,18,21:30,19,材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。,式中、分别为入射光的频率和波长。,为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即,21:30,20,在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。 结型光电效应 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结型光电效应。,2、光生伏特效应,21:30,21,21:30,22,结型光电器件与光电导器件的区别：,（1） 产生光电变换的部位不同；（2） 光电导器件没有极性，而结型光电器件有确定的正负极性；（3） 光电导器件驰豫时间较大，结型器件驰豫时间相应较小，因此响应速度较快；（4） 有些结型光电器件灵敏较高，可以通过较大的电流。,21:30,23,当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。 基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。,侧向光电效应,21:30,24,利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。一、光敏电阻 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。 优点： 不足：,3、内光电效应器件,21:30,25,(一)光敏电阻的结构与工作原理,21:30,26,(二)光敏电阻的主要参数,1暗电阻 光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。,2亮电阻 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。,3光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。,21:30,27,(三)光敏电阻的基本特性,1伏安特性,21:30,28,2光谱特性,21:30,29,3温度特性,21:30,30,二、光电池,按光电池的用途可分为两类： 即太阳能光电池和测量光电池。,21:30,31,1. 光电池的结构和工作原理,21:30,32,（1）光电特性 开路电压曲线： 短路电流曲线：,2. 基本特性,21:30,33,21:30,34,(2) 光谱特性,1硒光电池2硅光电池,21:30,35,(3) 频率特性,1硅光电池2硒光电池,21:30,36,（4）温度特性,UOC开路电压,ISC 短路电流,硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线,21:30,37,三、光敏晶体管,光敏二极管,光敏三极管,21:30,38,1. 光敏二极管,光敏二极管符号,光敏二极管接线,21:30,39,工作原理,光电流与照度之间呈线性关系，即光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。,21:30,40,2. 光敏三极管,21:30,41,工作时要保证集电极反偏，发射极正偏。,光敏三极管的工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流放大。光电转换部分是在集-基结区内进行，而集电极、基极、发射极构成了一个有放大作用的晶体管。,21:30,42,光敏三极管的主要特性：,21:30,43,光敏三极管的伏安特性,（2）伏安特性,光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。,21:30,44,光敏晶体管的光照特性,光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。,（3）光电特性,21:30,45,光敏晶体管的温度特性,（4）温度特性,21:30,46,光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。,入射光调制频率 / HZ,光敏晶体管的频率特性,（5）频率特性,21:30,47,1、PIN光电二极管,10-4 几种特殊光电器件,（1）提高了PIN光电二极管的频率响应。（2）提高了对光的吸收和光电变化区域，使量子效率提高。（3）提高了长波灵敏度。（4）使线性输出范围变宽。,21:30,48,2、雪崩光电二极管（APD）,APD是借助强电场作用产生载流子雪崩倍增效应的一种高速、高灵敏度的光电器件。它广泛应用于光纤通信、弱信号检测、激光测距等领域。,21:30,49,3、色敏光电器件,21:30,50,用双结光电二极管测量颜色时，通常测量两个光电二极管的短路电流比（ISC2/ ISC1）与入射波长的关系，每一种波长的光都对应于一个短路电流比值，根据短路电流比值判别入射光的波长，达到识别颜色的目的。,21:30,51,（一）光电式传感器的基本组成和类型,1、基本组成,10-5 光电式传感器的应用,21:30,52,2、基本类型,（1） 透射式,p0 A A被测对象A所吸收的光通量 P光敏元件所接收的光通量 0光源发出一定的光通量,IF( P)F( A),测量液体、气体和固体的透明度和混浊度。,21:30,53,(2)反射式,测量表面粗糙度,p0 A,A被测对象损失光通量,(3)辐射式,IF(P)F(0)F(T),如光电高温计和炉子燃烧监视装置,p0,21:30,54,(4)遮挡式,IF（P）F（A）,(5)开关式，光路“通”与“不通”,用于开关，计数，编码等。,21:30,55,1、烟尘浊度监测仪,（二）光电传感器的应用举例,21:30,56,21:30,57,2、光电转速传感器,光电数字式转速表工作原理图,21:30,58,21:30,59,光电池主要有两大类型的应用：将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。将光电池作光电转换器件应用，主要用于光电检测和自动控制系统中。,3、光电池应用,21:30,60,（1）太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。,太阳能电池电源系统,21:30,61,21:30,62,（2）在光电检测和自动控制方面的应用 由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦