[四年级数学]传感器与检测技术10章.ppt

传感器与测试技术 李晓莹 主编 高等教育出版社 第10章 光电式传感器 10.1 光电效应 10.2 光电管及光电倍增管 10.3 光敏电阻 10.4 光电池 10.5 光电二极管和光电三极管 10.6 光电式传感器及应用 10.1 光电效应 1.光电效应的分类：外光电效应、内光电效应、阻挡层光电效应。 2.外光电效应：在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象，称为外光电效应。 根据爱因斯坦的假设，一个光子的能量只给一个电子，因此，如果要使一个电子从物质表面逸出，光子具有的能量必须大于该物质表面的逸出功A0，这时逸出表面的电子就具有动能Ek： 3.外光电效应的规律： （1）只有当入射光频率大于某一定值时，才会有光电子产生，若光的频率低于这个值，则无论光强度多大，照射时间多长，都不会有光电子产生。即光电效应存在一个频率阈值υ0，称为截止频率； （2）光电子的多少与光的强度有关，即饱和光电流IH与入射光的光强成正比； （3）光电子的动能（ ）与入射光的频率υ成正比，与光强无关。 4.内光电效应：入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率的半导体都有。 这是由于在入射光线作用下，电子吸收光子能量，电子从价带被激发到导带上，过渡到自由状态。同时价带也因此形成自由空穴，使导带的电子和价带的空穴浓度增大，引起电阻率减少。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。 5.阻挡层光电效应－光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。 PN结光照产生光生伏特效应有下面两种情况： （1）不加偏压的PN结：当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0 ＞ Eg），可激发出电子—空穴对，在PN结内电场作用下空穴移向P区，电子移向N区，使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生伏特效应产生的光生电动势。 基于这种效应的器件有光电池。 （2）处于反偏的PN结：无光照时P 区电子和N区空穴很少，反向电阻很大，反向电流很小；当有光照时，光子能量足够大，产生光生电子—空穴对，在PN结电场作用下，电子移向N区，空穴移向P区，形成光电流，电流方向与反向电流一致，并且光照越大，光电流越小。 具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏晶体管，从原理上讲，不加偏压的光电二极管就是光电池。 10.2 光电管及光电倍增管 1.基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管、光电倍增管等。 2.光电管－phototube，有真空光电管和充气光电管。 3.按照光阴极和阳极的形状和设置的不同，光电管一般可分为 5种类型： ①中心阴极型：这种类型由于阴极面积很小，受照光通量不大，仅适用于低照度探测和光子初速度分布的测量； ②中心阳极型：这种类型由于阴极面积大，对入射聚焦光斑的大小限制不大；又由于光电子从光阴极飞向阳极的路程相同，电子渡越时间的一致性好;其缺点是光电子接收特性差,需要较高的阳极电压； ③半圆柱面阴极型：这种结构有利于增加极间绝缘性能和减少漏电流； ④平行平板极型：这种类型的特点是光电子从阴极飞向阳极基本上保持平行直线的轨迹，电极对于光线入射的一致性好； ⑤带圆筒平板阴极型：它的特点是结构紧凑、体积小、工作稳定。 充气式光电管的构造和真空式的完全相同，所不同的仅仅在真空的玻璃泡内充入了少量的惰性气体，如氩气等。 当光电阴极被光线照射时便发射电子，发射的电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的分子，使气体游离成为正离子、负离子以及电子。撞击出的负离子、电子以及阴极发射的电子共同被阳极吸收，因此阳极的总电流便增大了，故充气式光电管比真空式光电管有较高的灵敏度。 4.光电管的特性 （1）光电管的伏安特性：当以一定频率和强度的光照射光电管时，光电流随两极间电压变化的特性称之为光电管的伏安特性。 （2）光电管的光电特性：当照射光电管的光的频率和两极间电压一定时，饱和光电流IH随照射光强度E变化的特性称之为光电管的光电特性。 （3）光电管的光谱特性：光电流随入射光波长变化而变化的关系，称为光谱特性。光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，当光电器件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率也高。 5.光电倍增管（photo-multiplier） 光电倍增管是利用二次电子释放效应，将光电子在管内进行放大。所谓二次释放是：高速电子撞击固体表面，再发出二次电子的现象。 光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极（10个左右），在阳极和阴极之间加有几百～上千伏的高压，每个倍增极电流逐渐升高，使电子加速，每个极间有100～200V高压，电流增益在105数量极，相当一