光电传感原理

光电传感原理第一页，共二十八页，2022年，8月28日光电传感技术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光电探测传感器件第二页，共二十八页，2022年，8月28日电磁波谱图2-1电磁波谱第三页，共二十八页，2022年，8月28日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。

第四页，共二十八页，2022年，8月28日由光的粒子说可知，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。第五页，共二十八页，2022年，8月28日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。第六页，共二十八页，2022年，8月28日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

第七页，共二十八页，2022年，8月28日名称（中英文）符号单位名称单位代号辐射能（Radiantenergy）Q焦耳J辐射通量（Radiantflux）Φ瓦特W辐射强度(Radiantintensity)I瓦/球面度W/sr辐射度（Radiantexintence）M瓦/米2W/m2辐射亮度（Radiance）L瓦/米2·球面度W/m2·sr辐照度（Irradiane）E瓦/米2W/m2辐射度学量单位第八页，共二十八页，2022年，8月28日名称（中英文）符号单位名称单位代号光能量（Luminousenergy）Q流明·秒lm·s光通量（Luminousflux）Φ流明lm光强度（Luminousintensity）I坎德拉流明/球面度cdlm/sr发光度（Luminousexintence）M流明/米2·球面度lm/m2光亮度（Luminance）L坎德拉/米2（尼特）流明/米2·球面度cd/m2（nit）lm/m2·sr光照度（Illuminance）E流明/米2（勒克斯）lm/m2（lx）光度学量单位第九页，共二十八页，2022年，8月28日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。第十页，共二十八页，2022年，8月28日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。第十一页，共二十八页，2022年，8月28日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。第十二页，共二十八页，2022年，8月28日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。第十三页，共二十八页，2022年，8月28日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）第十四页，共二十八页，2022年，8月28日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ε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νo(或波长限λo)，称为“红限”:第十五页，共二十八页，2022年，8月28日(externalphotoelectriceffect)红限波长可用下式求得：

当入射光的频率低于νo时(或波长大于λo)，不论入射光有多强，也不能激发电子；当入射频率高于νo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——光速第十六页，共二十八页，2022年，8月28日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。第十七页，共二十八页，2022年，8月28日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第十八页，共二十八页，2022年，8月28日光电探测传感器件

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第十九页，共二十八页，2022年，8月28日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第二十页，共二十八页，2022年，8月28日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）第二十一页，共二十八页，2022年，8月28日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）第二十二页，共二十八页，2022年，8月28日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第二十三页，共二十八页，2022年，8月28日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第二十四页，共二十八页，2022年，8月28日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。tt=RC第二十五页，共二十八页，2022年，8月28日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