[信息与通信]111传感器技术及其应用.ppt

第11章 光电式传感器 11.1 光电效应 11.2光的吸收系数 11.3光传感器的特性表示法 11.4光电传感器 11.5 CCD图像传感器 11.6应用光路 11.1 光电效应 11.1.1 外光电效应 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。它是在1887年由德国科学家赫兹发现的。基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍培管等。 众所周知,每个光子具有的能量为 逸出功A也称功函数,是一个电子从金属或半导体表面逸出时克服表面势垒所需作的功,其值与材料有关,还和材料的表面状态有关。若逸出电子的动能为 ,则由能量守恒定律有 (1)光电效应能否产生,取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子逸出功。这意味着每一种物质都有一个对应的光频阀值,称为红限频率（对应的光波长称为临界波长）。光的频率小于红限频率,光子的能量不足以使物体的电子逸出,因而小于红限频率的光,光强再大也不会产生光电发射。反之,入射光频率高于红限频率,即使光强微弱也会有电子发射出来。 (2)若入射光的光频为v,光功率为P,则每秒钟到达的光子数为p/hν。假设这些光子中只有一部分(η)能激发电子,则入射光在光电面激发的光电流密度为 h——普朗克常数,其值为6.626×10-34J·s； ν——光的频率（s-1）; λ——光的波长。 这样,单色光的辐射功率就可写为 P（ν）=A ip hν 式中：ip——光子流密度（单位时间通过单位面积的光子数）；A——光子流通过的面积. 即根据能量守恒定律,光源只能发出描述满足上式的光子, 只有符合式的光子才能被介质吸收。吸收和发射只有在计及光子动量并服从准动量守恒定则（选择定则）时才能发生。 光在半导体中传播时的衰减,是半导体内电子吸收光子后从低能态向高能态跃迁的结果。在其诸多吸收过程中,本征吸收是光敏器件的工作基础。 11.1.2内光电效应 内光电效应分为两类,光电导效应和光生伏特效应。 1. 光电导效应 入射光强改变物质导电率的物理现象,叫光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有。这是由于,在入射光作用下,电子吸收光子能量,从价带激发到导带,过渡到自由状态,同时价带也因此形成自由空穴,致使导带的电子和价带的空穴浓度增大,引起材料电阻率减小。为使电子从价带激发到导带,入射光子的能量E0应大于禁带宽度Eg,如图11.1所示,即光的波长应小于某一临界波长λ0。 本征吸收又称基本吸收,其相应的跃迁过程是： 价带电子吸收了能量大于或等于禁带宽度的光子后,跃至导带,产生自由电子,并在价带留下自由空穴。因此,在本征吸收时,每吸收一个光子,就产生一个电子-空穴对。由于在本征吸收过程中被吸收的光子要满足的条件是 hν=Eg 且导带是由一系列能量间隔很小的能级组成的,所以本征吸收谱是连续谱。 式中,Eg以电子伏(eV)为单位(1eV=1.60×1019J),c为光速(m/s)。λ0也称为截止波长。根据半导体材料不同的禁带宽度可得相应的临界波长。 图11.2为光电导元件工作示意图。图中光电导元件与偏置电源及负载电阻RL串联。当光电导元件在一定强度的光的连续照射下,元件达到平衡状态时,输出的短路电流密度为 2.光生伏特效应 光生伏特效应就是半导体材料吸收光能后,在PN结上产生电动势的效应。若在N型硅片掺入P型杂质可形成一PN结,如图11.3所示。P型半导体内有许多多余的空穴,N型半导体内有许多过剩的电子,当N型半导体和P型半导体结合在一起时,由于热运动,N型半导体中的电子越过交界面填补了P型半导体中的空穴,也可以说P型半导体中的空穴越过交界面复合了N型半导体中的电子。 PN结用作整流时,其电压—电流特性如图11.4中的曲线(1)所示。这时外加电压U(以正方向为正)与电流Id的关系为 这个电流与(11.3)式所示电流方向相反,所以流经结点的电流是二者之差,即 11.2 光的吸收系数 光在半导体材料中传播时会产生衰减,即产生光吸收。半导体材料通常能强烈地吸收光能,对光的吸收作用常用吸收系数来描述。光的吸收系数α与光波的波长λ有很大的关系,图11.5示出了几种常用半导体材料光的吸收系数曲线。下面定量讨论某一种光波长在硅中传播的平均深度,为设计和制造光电三极管和二极管,提供理论依据。 以Φ(x)表示硅片内距表面x处的光强。由于光的吸收作用,从x到x