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12、1 光电式传感器
12、1、1 概述
1)光谱
光波:波长为10~106nm得电磁波
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,
红外线:波长780~106nm
波长3m(即3000nm)以下得称近红外线
波长超过3m 得红外线称为远红外线。
光谱分布如下图所示。
12、1、1 概述
1)光谱
远紫外
近紫外
可见光
近红外
远红外
极远紫外
1
10
5
波长/m
光子能量/eV
100
10
1
50
5
频率/Hz
1015
5×1014
1014
5×1013
5×1015
1016
3×1018
光得波长与频率得关系由光速确定,真空中得光速c=2、99793×1010cm/s,通常c≈3×1010cm/s。光得波长和频率得关系为:v= 3×1010cm/s, v -单位为Hz, -单位为cm。
12、1 光电式传感器
12、1、1 概述
2)光源(发光器件)
(1) 钨丝白炽灯
特点:辐射光谱就是连续得,除可见光外有大量红外线和紫外线,任何光敏元件都能和她配合接收到光信号,对接收光敏元件得光谱特性要求不高。但寿命短、发热大、效率低、动态特性差。
(2) 气体放电灯
利用电流通过气体产生发光现象制成得灯。
特点:光谱不连续,与气体种类及放电条件有关。能量消耗仅为白炽灯1/2~1/3。
光谱仪器中常用光源:低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯,统称为光谱灯。例如低压汞灯得辐射波长为254nm,钠灯辐射波长为589nm,她们常用作光电检测仪器得单色光源。
12、1 光电式传感器
12、1、1 概述
2)光源
(3) 发光二极管(LED,Light Emitting Diode)
特点:由半导体PN结构成,工作电压低、响应快、寿命长、体积小、重量轻。伏安特性与普通二极管相似,但随材料禁带宽度不同,其开启(点亮)电压略有差异。红色得砷磷化镓LED开启电压约为1、7V,绿色得约2、2V。
LED得典型光谱特性:
如图,GaAsP得曲线有
两根,其材质成分差异
导致不同峰值波长(p)。
p决定发光颜色,峰
宽()决定光得色彩纯
度,越小,光色越纯。
/nm
.2
.4
.6
.8
1.
0
600
700
800
900
1000
GaAsP
p=670nm
p=655nm
GaAsP
p=565nm
GaP
p=950nm
GaAs
相对灵敏度
12、1 光电式传感器
12、1、1 概述
2) 光源
(4) 激光器
激光具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性,其波长从0、24m到远红外整个光频波段范围。
按工作物质分类:
固体激光器(如红宝石激光器):小而坚固、功率高
气体激光器(如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器):能连续工作,单色性好。波长覆盖从紫外到远红外得频谱区域。
半导体(LED)激光器(如砷化镓激光器):效率高、体积小、重量轻、结构简单。
液体激光器:波长可在一定范围调节,且效率不会降低。
12、1 光电式传感器
12、1、2 光电效应
物体吸收光能后转换为该物体中某些电子得能量,从而产生得电效应称为光电效应。
光电效应就是光敏元件实现光电转换得物理基础,光电式传感器得工作原理基于某些物质得光电效应。
光电效应可分为外光电效应、内光电效应。
1)外光电效应
在光照射下,物体内得电子逸出物体表面向外发射得现象称为外光电效应,也叫光电发射效应。其中,向外发射得电子称为光电子,能产生光电效应得物质称为光电材料。 基于外光电效应得光电器件有光电管、光电倍增管等。
光子就是具有能量得粒子,每个光子得能量E=h,其中,h=6、626×10-34J·s,就是普朗克常数;就是光得频率(s-1)。
12、1 光电式传感器
12、1、2 光电效应
1)外光电效应
根据爱因斯坦假设,一个电子只能接受一个光子得能量,要使一个电子从物体表面逸出,光子能量必须大于该物体得表面逸出功,超过部分得能量表现为逸出电子得动能。
光电子得产生取决于其能量就是否大于物体得表面电子逸出功。不同物质有不同得逸出功,即每种物质都有其对应得光频阈值,称为“红限”频率或波长限。
光频率低于红限频率,光子能量不足以使物体内得电子逸出,因而小于红限频率得入射光,光强再大也不产生光电子发射;反之,入射光频率高于红限频率,即使光微弱,也有光电子射出。
入射光得频谱成分不变时,产生得光电流与光强成正比。光强愈大,则光子数目越多,逸出电子数也就越多。
12、1 光电式传感器
12、1、2 光电效应
2)内光电效应
在光照射下,物体内得电子不能逸出物体表面,而使物体得电导率发生变化或产生光生电动势得现象称为内光电效应。此现象多发生于半导体内。
内光电效应可分为光电导效应和光生伏特效应。
(1) 光电导效应
在光作用下,电子吸收光
子能量后从键合状态过渡到自
由状态,引起材料电导率变化
得现象称光电导效应。
为实现能级得跃迁,入射光能量必须大于光电导材料得禁带宽度Eg。对于一种光电导材料,只有波长小于波长限0得光照射,才能产生电子能级得跃进,从而使电导率增加。
自由电子所占能带
不存在电子所占能带
价电子所占能带
导带
价带
禁带
Eg
12、1 光电式传感器
12、1、2 光电效应
2)内光电效应
(2) 光生伏特效应
光伏效应:光作用下使物体产生一定方向得电动势得现象。
情况1:半导体器件得光敏面受光照不均匀时,光照部分吸收光子能量产生光电子,使受光部分得电子浓度高于未照部分,出现浓度梯度,形成载流子得扩散运动。由于电子得迁移率高于空穴,电子首先流向无光照部分,使光照部分带负电,未照部分带正电,形成光电动势。(丹培效应)
情况2:光照射半导体PN结得结区使两端产生电动势。入射到PN结势垒区得光子激发产生得自由电子和价带得自由空穴在结内电场作用下运动,电子被推向N区,空穴被推向P区,从而使P区带正电、N区带负电。光电子在N区积累,空穴在P区积累,使PN结两端形成电位差,从而产生光生电动势。若用导线连接P区和N区,电路中有光电流流过。(势磊效应)
12、1 光电式传感器