文档介绍：第四章    光电式传感器
第一节  概述
第二节   外光电效应器件
第三节   内光电效应器件
第四节   新型光电传感器
第五节   光敏传感器的应用举例
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。
一、光谱
光波:波长为10—106nm的电磁波
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。
光谱分布如图所示。
第一节概述
远紫外
近紫外
可见光
近红外
远红外
极远紫外
1
10
5
波长/μm
波数/cm-1
频率/Hz
光子能量/eV
106
105
104
103
5×105
5×104
5×103
1015
5×1014
1014
5×1013
100
10
1
50
5
5×1015
1016
3×1018
光的波长与频率的关系由光速确定,真空中的光速c=×1010cm/s,通常c≈3×1010cm/s。光的波长λ和频率ν的关系为
ν的单位为Hz,λ的单位为cm。
νλ=3×1010cm / s
二、光源(发光器件)
1、钨丝白炽灯
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:可见光外、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,是可取之处。
在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯,其体积较小,光效高,寿命也较长。
2、气体放电灯
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。
低压汞灯、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。例如低压汞灯的辐射波长为254nm,钠灯的辐射波长为589nm,它们经常用作光电检测仪器的单色光源。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,目前荧光剂的选择范围很广,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仅为白炽灯1/2—1/3。
3、发光二极管LED(Light Emitting Diode)
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。
在半导体PN结中,P区的空穴由于扩散而移动到N区,N区的电子则扩散到P区,在PN结处形成势垒,从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时,势垒降低,电子由N区注入到P区,空穴则由P区注入到N区,称为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合,注入到N区里的空穴和N区里的电子复合,这种复合同时伴随着以光子形式放出能量,因而有发光现象。
电子和空穴复合,所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度(即能量间隙)。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=╳10-;光速c=3╳108m/s;
Eg的单位为电子伏(eV),1eV=╳10-19J。
hc=×10-26m•W•s=×10-7m•eV。
可见光的波长λ近似地认为在7×10-7m以下,所以制作发光二极管的材料,其禁带宽度至少应大于
h c /λ= eV
普通二极管是用锗或硅制造的,,显然不能使用。
通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体,写作GaAs1-xPx,x代表磷化镓的比例,当x>,可得到Eg≥。改变x值还可以决定发光波长,使λ在550~900nm间变化,它已经进入红外区。
与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。
材料
波长/nm
材料
波长/nm
ZnS
340
CuSe-ZnSe
400~630
SiC
480
ZnxCd1-xTe
590~830
GaP
565,680
GaAs1-xPx
550~900
GaAs
900
InPxAs1-x
910~3150
InP
920
InxGa1-xAs
850~1350