传感器第七章光电式传感器文稿演示

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
h hc Eg
2、 光生伏特效应
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（器件：光电池和光敏二极管、光敏三极管）。
①势垒效应（结光电效应）
光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电
光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2。
基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管
第二节 光电效应与光电器件 一、外光电效应
二、内光电效应 三、1基、本光概电导念效应 四、2外、光光电生伏效特应效器应件
五、内光电效应器件
六、应用举例
二、内光电效应
当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生 变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。
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。（器件：光敏电阻）
导带
自由电子所占能带
Eg
禁带
价带
不存在电子所占能带 价电子所占能带
当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料， 且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导 带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，使光导体的电 导率变大。
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。
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，通过 对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长， 如照明日光灯。气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1 /3。
3、发光二极管（LED—Light Emitting Diode）
入射光成分不变，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大， 意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。
光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面 电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都 有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于 红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限 频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光 频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。
1926年，美国物理学家刘 易斯把这一名词改称为“光 子”，沿用至今。
每个光子的能量：
E h
h—普朗克常数，6.626×10-34J·s； ν—光的频率（s-1）
3108m/s
可以看出光的波长越短，频率越高，光 子能量也越大。
爱因斯坦光电方程：
hv 12mv02 A0
m—电子质量；v0—电子逸出速度。
红外线：波长780—106nm
波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线
波长超过3μm 的红外线称为远红外线
二、光源（发光器件）
1、白炽光源 最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。
一般白炽灯的辐射光谱是连续的。 发光范围：320 nm~2500 nm, 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，是可 取之处。
2、气体放电光源 利用电流通过气体产生发光现象制成的灯
即气体放电灯。
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。
汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪 器中常用的光源，统称为光谱灯。
激光器种类繁多，按工作物质分类： 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） 液体激光器（染料激光器）。 半导体激光（如砷化镓激光器）
一、外光电效应 二、内光电效应 三、基本概念
第二节 光电效应与光电器件 四、外光电效应器件 五、内光电效应器件 六、应用举例
传感器第七章光电式传感器文稿演示
一、光的特性
光波：波长为10—106nm的电磁波
紫外线
可见光
红外光线
10 nm 380 nm 780 nm
1000,000 nm
可见光：波长380—780nm
紫外线：波长10—380nm
波长300—380nm称为近紫外线
波长200—300nm称为远紫外线
波长10—200nm称为极远紫外线
构成：由半导体PN结构成。
+
特点：工作电压低、工作电流很小；抗冲击和 抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通 -
过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。
与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：
材料 ZnS SiC GaP GaAs InP
LED材料
波长/nm
材料
340
CuSe-ZnSe
480 565,680
1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理 论实验中首次发现的；
1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指 出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量从表 面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释 ；
1905年，爱因斯坦提出了光子假设。
爱因斯坦光子假设：光 在空间传播时，是不连续的 ，也具有粒子性，即一束光 是一束以光速运动的粒子流 ，爱因斯坦把这些不连续的 量子称为“光量子”。
900 920
ZnxCd1-xTe GaAs1-xPx InPxAs1-x InxGa1-xAs
波长/nm 400～630 590～830 550～900 910～3150 850～1350
4、激光器 激光（Laser: Light amplification by stimulated emission of radiation）是20世纪60 年代出现的最重大科技成就之一。具有高方向性、 高单色性、高亮度和高的相干性四个重要特性。激 光波长一般从0.15μm到远红外整个光频波段范围。 X-射线激光器。
被测量 光 电 光信号的变化 测量 U I f
传感器
电路
➢ 定义：利用光电器件把光信号转换成电信号 （电压、电流、电阻等）的装置。
➢ 构成：光源、光学通路、光电元件。 ➢ 应用：光量变化的非电量； 能转换成光量变
化的其他非电量。 ➢ 特点：非接触；响应快；性能可靠。
一、 外光电效应
定义：在光照射下,电子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。