建筑材料热工设备-4-光电检测技术资料.ppt

光纤湿度传感器是一种新型的湿度传感器，它的优点是灵敏度高、感湿曲线的线性度好、响应时间短、不受电磁干扰、湿度测量范围大、可在易燃易爆环境中使用。 6-5 光纤检测技术在其他方面的应用 光电子效应——大多数是半导体材料 内光电效应： 基于光电导、光伏特和光电磁效应，在吸收了大于红外波长的光子能量以后，材料中出现光生自由电子和空穴的现象称为内光电效应。 外光电效应： 基于光电子发射效应，在吸收了大于红外波长的光子能量以后，材料中的电子逸出材料表面的现象称为外光电效应。 按探测机理的物理效应可分为两大类：一类是利用各种光子效应的光子探测器，另一类是利用温度变化效应的热探测器。 7-2 光电探测器分类 分类 效应 探测器 光电探测器 光子探测器 外光电效应 光电子发射效应 光电管 光电子倍增效应 光电倍增管、像增强管 内光电效应 光电导效应 光敏电阻 光生伏特效应 光电池、光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极管、肖特基势垒光电二极管等 光磁电效应 光电磁探测器 热探测器 热释电效应 热释电探测器 温差电效应 热电偶、热电堆 测辐射热效应 热敏电阻 7-2 光电探测器分类 1．光子探测器 在光电探测器的发展中，最受重视的是入射光子和材料中的电子发生各种相互作用的光电子效应。 几乎所有情况下，所用的材料都是半导体。在众多的光电子效应中，只有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应和光电磁效应得到广泛的应用。 7-2 光电探测器分类 (1)光电子发射探测器 利用光电子发射效应的制成探测器称为光电子发射探测器。 光电子发射效应也称外光电效应。入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中，即产生光电子发射。 条件：产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴极的逸出功。因此，光电子发射有个长波限，光子能量hc／λ 低于阴极材料逸出功则不能产生光电子发射。阳极接收光电阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率。 主要有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。应用最广的是光电倍增管，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电流增益，能检测极微弱的光辐射信号。 波段：可见光和近红外（1.25μm） 特点：响应快、灵敏度高 7-2 光电探测器分类 光电导效应：入射辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用，产生自由电子－空穴对（本征光电导）、自由电子或空穴（非本征光电导），从而使半导体材料的电导增加的效应。 本征光电导： λ0：长波限（截止波长）；Eg：禁带宽度 （2）光电导探测器 导带 价带 光激发 电子 空穴 本征光电导 7-2 光电探测器分类 非本征光电导：当入射光子没有足够能量产生自由电子一空穴对，但能激发杂质中心时，激发产生自由电子(n型半导体)或自由空穴(p型半导体)，便形成非本征光电导或称杂质光电导。 非本征光电导的长波限是 Ei：杂质电离能 导带 价带 光激发 电子 空穴 受主能级 施主能级 非本征光电导 7-2 光电探测器分类 可见光及近红外波段的光电导探测器可在室温(295K)下工作； 长波限较长(4～5μm)的探测器，需要致冷到干冰温度(195K)； 许多种光电导探测器，需要致冷到液氮温度(77K)； 工作在8～14μm大气窗口的光电导探测器都要致冷到77K； 长波限更长的探测器要求在更低的温度下工作，如Ce：Au非本征光电导探测器要求60K的工作环境。 结论：长波限越长，工作温度越低。 光电导探测器应用的电路：入射辐射使光电导探测器的电导发生变化，从而在负载两端产生随入射辐射变化的输出信号。 7-2 光电探测器分类 内光电效应 光生伏特效应：半导体材料受光照射产生电动势的现象。 类型： （几乎都是本征型） 光电二极管 雪崩光电二极管 pn结、pin结、肖特基势垒等 材料：与光电导探测器基本相同。 （3）光伏探测器 7-2 光电探测器分类 原理：当入射光子在p—n结及其附近产生电子－空穴对时，光生载流子受势垒区电场作用，电子漂移到n区，空穴漂移到p区。如果在外电路中把p区和n区短接，就产生反向的短路信号电流。假若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在n区和p区积累，两端便产生电动势，这称为光生伏特效应，简称光伏效应。 7-2 光电探测器分类 结型光伏探测器工作时可不加偏置电压。 如果加上反向偏压，则入射辐射会使反向电流增加，这时观测到的光电信号是光电流。加偏压工作的探测器也常称作光电二极管。 光电二极管的伏安特性曲线如图。在图中标注了开路光电压和短路光电流以说明两种不同的工作状态。 入射辐射 入射辐射 光信号 光信号 电流 I 暗电流 饱和电流 光电流 无光照 电压V 开路电压 短路光电压 7-2 光电探测器分类 (4)光电磁探测器 原理：能量足够的光子入射到半导体样品上，通过本征吸收而产生电子