光电传感器演示文稿

光电传感器演示文稿1现在是1页\一共有64页\编辑于星期五2优选光电传感器现在是2页\一共有64页\编辑于星期五光都具有反射、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，一束频率为ν的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为h——普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν——光的频率（单位s-1）。可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。现在是3页\一共有64页\编辑于星期五8.2.2光源（发光器件）1.白炽光源用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的。发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高。现在是4页\一共有64页\编辑于星期五2.气体放电光源定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。现在是5页\一共有64页\编辑于星期五低压汞灯、氢灯、钠灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，可被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3现在是6页\一共有64页\编辑于星期五低压汞灯：主要应用于医院,餐饮业及纯净水等行业的消毒、杀菌、净化空气高压汞灯：光效高，寿命长，是道路照明的首选光源，能在-40℃启动。高压钠灯：广泛应用于道路照明、隧道照明、建筑物泛光、广场码头照明、植物栽培照明等。高压钠灯高压汞灯低压汞灯现在是7页\一共有64页\编辑于星期五由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。当PN结上加有正向电压时，电子和空穴扩散的过程中发生复合，复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。3.发光二极管（LED——LightEmittingDiode）现在是8页\一共有64页\编辑于星期五电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度。所放出的光子能量用hν表示，h为普朗克常数，ν为光的频率。则普朗克常数h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.6╳10-19J。现在是9页\一共有64页\编辑于星期五普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV，一般不能做发光二极管使用。通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体做发光二极管，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x＞0.35时，可得到Eg≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使λ在550～900nm间变化。现在是10页\一共有64页\编辑于星期五发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长λp

。除峰值波长λp决定发光颜色之外，峰的宽度（用Δλ描述）决定光的色彩纯度，Δλ越小，其光色越纯.如红色光中:

700nm-深红色;660nm-红色;645nm-鲜红色;630nm-620nm-橙红现在是11页\一共有64页\编辑于星期五发光二极管的光谱特性0.20.40.60.8

1.0

06007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相对灵敏度现在是12页\一共有64页\编辑于星期五发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。现在是13页\一共有64页\编辑于星期五U/V

I/mA

-10

-5

0

12GaAsP(红)GaAsP(绿)图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向电压应在5V以下。现在是14页\一共有64页\编辑于星期五4、激光器激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象：当他们将日光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了"激光原理"，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，都会产生这种不发散的强光--激光。现在是15页\一共有64页\编辑于星期五激光器是能够产生激光束的机器。激光束是一细束光能，它不象普通光束，它只由一种颜色的光组成，因此也不象普通光那样分散。在医院里，外科医生应用激光束做一些高难度的手术，如用激光器做眼科手术;一个光盘只读存储器的驱动器是一个小激光器。激光束识别出光盘上微小凹痕的格式，驱动器把他们转变为计算机能识别的数字另外,大功率的激光束能够切割金属板。现在是16页\一共有64页\编辑于星期五我国自主知识产权首台大功率二氧化碳激光器被洞穿的耐火砖激光从放电管射出时，顷刻间释放出100万－1000万瓦的光电能量，射出光圈的中心温度可达到1万℃，这块耐火砖虽可承受6000多℃高温，不到2秒钟就被洞穿。这种激光器发散角很小，光束即使经过38.4万公里射到月球，也只会形成一只洗脸盆大小的光圈。如果一般手电筒的光束能够射这么远，光圈的直径将达一两千公里。现在是17页\一共有64页\编辑于星期五激光器种类繁多，按产生激光的物质分类：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）液体激光器现在是18页\一共有64页\编辑于星期五（1）固体激光器典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激光器。它的工作物质是以刚玉（或称白宝石）单晶为基质，掺入金属铬离子为激活粒子所组成的晶体激光材料。呈淡红色，其掺杂波度一般为0.05％（重量）。它是一种输出波长为694.nm（红光）的脉冲器件。目前已广泛应用于打孔划片、信息存储等方面现在是19页\一共有64页\编辑于星期五现在是20页\一共有64页\编辑于星期五（2）气体激光器工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有氦氖激光器以及二氧化碳激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。氦氖激光器则最大可测几十公里。一般测量数米之内的长度，其精度可达0.1微米。

现在是21页\一共有64页\编辑于星期五（3）半导体激光器与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机，导弹制导。其缺点是输出功率较小。现在是22页\一共有64页\编辑于星期五（4）液体激光器常用的是染料激光器，采用有机染料作为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。现在是23页\一共有64页\编辑于星期五半导体光电效应是半导体束缚电子在吸收光子后产生的电学效应,它是各类光敏器件工作的基本原理.半导体光电效应分为外光电效应和内光电效应.其中内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。8.2光电效应现在是24页\一共有64页\编辑于星期五8.2.1外光电效应物体内的电子在吸收光子后，能逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。现在是25页\一共有64页\编辑于星期五

光电管及其基本特性１．结构与工作原理

外光电效应器件玻璃外套为真空。阴极受到适当波长的光线照射时发射光电子，电子被正电极吸引在光电管内形成电子流，外电路中便输出电压。光电流正比于光强大小。现在是26页\一共有64页\编辑于星期五２．主要性能（1）光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的所加电压与所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。真空光电管充气光电管(氩,氖)150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012阴极电压/VIA/μA2010050弱光强光1504681012阴极电压/VIA/μA现在是27页\一共有64页\编辑于星期五光通量（φ）的定义是：点光源或非点光源在单位时间内所发出的能量,其中可产生视觉者（人能感觉出来的辐射通量）即称为光通量。光通量的单位为流明（简写lm）。现在是28页\一共有64页\编辑于星期五（2）光电管的光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。光电管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51现在是29页\一共有64页\编辑于星期五由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成。阴极由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极可达30级。通常为12~14级。使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差(50~100V)，因此存在加速电场。8.2.3光电倍增管及其基本特性现在是30页\一共有64页\编辑于星期五入射光阴极K第一倍增极D1D2D3D4阳极AR1RR5R4R3R2Usc-E现在是31页\一共有64页\编辑于星期五K现在是32页\一共有64页\编辑于星期五光电倍增管的优点是放大倍数很高，可达106，线性好，频率特性好，缺点是体积大，需要数百伏至1kv的直流电压供电。现在是33页\一共有64页\编辑于星期五8.3内光电效应半导体内的电子吸收光子后不能跃出物体，所产生的光电效应为内光电效应。按工作原理分为光电导效应和光生伏特效应。1．光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量，引起材料电导率的变化的现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。现在是34页\一共有64页\编辑于星期五半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带上面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时，从而使导带的电子增加，半导体的电阻率变小。光敏电阻就是基于这个现像工作的。现在是35页\一共有64页\编辑于星期五自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带禁带导带价带

Eg电子能量Ehυ≧Eg现在是36页\一共有64页\编辑于星期五内光电效应器件8.3.1光敏电阻1.光敏电阻的结构和工作原理AE电极半导体玻璃底板RLEIRG光敏电阻的结构与电路连接现在是37页\一共有64页\编辑于星期五光敏半导体材料有硅、锗、硫化镉、硫化铅、锑化铟、硒化镉等。光敏电阻的阻值变化与光照波长有关。无极性之分。现在是38页\一共有64页\编辑于星期五如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小：现在是39页\一共有64页\编辑于星期五2.光敏电阻的主要参数和基本特性（1）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻（1MΩ），此时流过的电流为暗电流。在受到光照时的电阻称为亮电阻(几KΩ)，此时的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差为光电流。一般暗电流越大，亮电阻越小，光敏电阻灵敏度越高现在是40页\一共有64页\编辑于星期五（2）光照特性用于描述光电流与光照强度之间的关系。多数光敏电阻的光照特性是非线性的。0.050.100.150.200.2500.20.40.60.81.0光通量/lm光电流/mA光敏电阻的光照特性现在是41页\一共有64页\编辑于星期五（3）光谱特性光敏电阻材料硫化镉的峰值在可见光区域，硫化铅的峰值在红外区域。故选用时要把元件和光源结合起来考虑。光敏电阻的光谱特性0500100015002000250020406080100硫化镉硫化铊硫化铅入射光波长/nm相对灵敏度/%现在是42页\一共有64页\编辑于星期五(4)伏安特性所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。0102030405050100150200250I/μAU/V光敏电阻的伏安特性现在是43页\一共有64页\编辑于星期五(5)温度特性峰值随温度上升向波长短的方向移动。为了提高灵敏度接收较长波段的红外辐射，可采取制冷措施。2040608010001.02.03.04.05.0λ/μm相对灵敏度（%）+20ºC-20ºC光敏电阻的光谱温度特性硫化铅现在是44页\一共有64页\编辑于星期五①势垒效应（结光电效应）光照射PN结时，若hv≧Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。２．光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。PN现在是45页\一共有64页\编辑于星期五②侧向光电效应侧向光电效应是当光电器件敏感面受光照不均匀时，受光激发而产生的电子空穴对的浓度也不均匀，电子向未被照射部分扩散，引起光照部分带正电、未被光照部分带负电的一种现象。现在是46页\一共有64页\编辑于星期五光生伏特型光电元件--光电池光电池是有源器件，它受到光照时就产生一定方向的电动势，不需外接电源。太阳能电池也是一种光电池，它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。现在是47页\一共有64页\编辑于星期五光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源方面应用最广。现在是48页\一共有64页\编辑于星期五1.光电池的结构和工作原理光电池的结构图下电极梳状电极PN硅光电池的结构如图。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质（如硼）形成PN结。P层很薄，光可投射到PN结上。现在是49页\一共有64页\编辑于星期五光电池的工作原理示意图RLI---mAV+++

PN当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。现在是50页\一共有64页\编辑于星期五2.基本特性（１）光谱特性故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。硅光电池的光谱峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。20406080100硒硅入射光波长λ/nm040060080010001200相对灵敏度/%光电池的光谱特性现在是51页\一共有64页\编辑于星期五(2)光照特性①不同光照射下有不同光电流和光生电动势。②短路电流在很大范围内与光强成线性关系。光电池的光照特性开路电压0.10.30.2照度/lx020004000光生电流/mA0.20.60.4光生电压/V短路电流③开路电压与光强是非线性的，且在2000lx(勒克斯)时趋于饱和。④光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。现在是52页\一共有64页\编辑于星期五光电导结型光电元件--光敏晶体管1.光敏二极管光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态,无光照时，反向电阻为4MΩ,有光照时，电阻为1KΩ,产生光电流。光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。RL

光PNPN光透镜窗口现在是53页\一共有64页\编辑于星期五现在是54页\一共有64页\编辑于星期五2.光敏三极管光照射在发射极e与基极b之间的PN结附近产生光电流（几微安，即Ib），于是在集电极C和基极b之间的PN结能产生几毫安电流（Ic）。PPN

bec现在是55页\一共有64页\编辑于星期五PNP光敏三极管基区很薄，基极一般不接引线；发射极面积较大。ICeECIERCcPPNb现在是56页\一共有64页\编辑于星期五

4新型光电传感器雪崩式光电二极管（APD）在PN结的P区外增加一层掺杂浓度极高的P+层，且在其上加上高反偏压。偏压输出端价带导带信号光信号光电极电极P+IN雪崩式二极管现在是57页\一共有64页\编辑于星期五当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场达到200kV/cm以上，初始电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格