文档介绍：传感技术与电子测量
主讲教师:赵珂
第7章光电检测技术
光电效应和光电器件
光电式传感器的应用
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。
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
频率/Hz
光子能量/eV
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
光电效应和光电器件
外光电效应:
光子是具有能量的粒子,每个光子的能量:
E =hν
h—普朗克常数,×10-34J·s;
ν—光的频率(s-1)
根据爱因斯坦假设,一个电子只能接受一个光子的能量,所以要使一个电子从物体表面逸出,必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功,超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物,从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理
式中 m—电子质量;v0—电子逸出速度。
器件:光电管、光电倍增管
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。
当入射光的频谱成分不变时,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。
光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ,因此外光电效应器件(如光电管)即使没有加阳极电压,也会有光电子产生。为了使光电流为零,必须加负的截止电压,而且截止电压与入射光的频率成正比。
内光电效应: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。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
常存在于高电阻率的半导体中。半导体的导电特性:
q是电子电荷,Nn、Np是自由电子和自由空穴的浓度,µn、µp是自由电子和自由空穴的迁移率。
过程:当光照射到半导体材料上时,价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击,并使其由价带越过禁带跃入导带,使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加,从而使电导率变大。
导带
价带
禁带
自由电子所占能带
不存在电子所占能带
价电子所占能带
Eg
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。
①势垒效应(结光电效应)
接触的半导体和PN结中,当光线照射其接触区域时,便引起光电动势,这就是结光电效应。以PN结为例,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,被光激发的电子移向N区外侧,被光激发的空穴移向P区外侧,从而使P区带正电,N区带负电,形成光电动势。光电池