传感器原理及应用第2章光敏传感器-(精品课件).ppt

第2章 光敏传感器 光敏传感器能对光信号的变化作出迅速反应，并将光信号转变为电信号；光信号具有粒子性，由光子(hγ)组成，具有一定的能量，光敏传感器就是将光能变换为相应电能的装置，又称光电式传感器。 按工作原理可分四类： A. 因光照射引起物体电学特性改变的现象称为光电效应= 外光电效应: 在光照射下，某些材料中的电子逸出表面而产生光电子发射现象，也称光电发射效应。如：光电二极管；光电倍增管 内光电效应: 光照射半导体材料时, 材料吸收光子而产生电子--孔穴对, 使导电性能加强，电导率增加，这种现象称为光电导效应，或内光电效应。如：光导管；光敏电阻；光电池和光敏三极管等。 B. 红外热释电探测器: 利用辐射的红外光(热)照射材料时引起材料电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器件。 C. CCD图像传感器；MOS图像传感器(自扫描光电二极管阵列SSPA) (电荷藕合器件图像传感器CCD---Charge Coupled Device ) D. 光纤传感器 第2章 光敏传感器——外光电效应及器件 外光电效应: 在光照射下，某些材料中的电子逸出表面而产生光电子发射现象，也称光电发射效应。爱因斯坦假设：一个电子只能吸收一个光子的能量，一部分用以克服物质对电子的束缚（即表面逸出功F），一部分转化为电子的能量，且此过程必须满足能量守恒定律。 若电子得到的能量全部变为电子的动能，则光电子的最大动能为： 其中：F为金属逸出功，g0为产生光电发射的极限频率，g为入射光的频率，m为电子的质量=光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光的强度无关。 给发射材料上放置一个电子接收板连成一个光电发射检测装置，如图所示，测定逸出电子随光的强度、频率 的变化情况。 若入射光的频率一定或频谱成 分不变时，饱和光电流I的大小与 光强成正比。(光强大,光子数多) 若入射光子的能量hg小于hg0 即ll0时，光电流都为零。由此 说明光的波长必须小于l0才能产生 光电子，=极限频率g0。 第2章 光敏传感器——外光电效应及器件 光电发射二极管: 将检测装置中发射电子的极板称为阴极，吸收电子的极板称为阳极，且将两者封于同一壳内，连上电极，就成为光电二极管。按光电发射二极管的原理可以分为真空光电二极管和充气光电二极管两类。 真空光电二极管： 第2章 光敏传感器——外光电效应及器件 真空光电二极管的伏安特性： 在0~20V范围内, 阳极电压增大, 光电子达到阳极的数目也增大, 阳极电流增大; 当阳极电压大于20V后, 几乎全部发射电子都已到达阳极, 电压再增大, 电流几乎不变, 曲线平坦, 此部分称饱和区, 一般工作电压选择在饱和区, 但要尽量小些。而随着光强的增加, 产生的光电子数就增多, 所以光电流与光强成正比。 实际工作中，阳极负载电阻RL不能太大，因为电极间有杂散电容，则其充电常数?=RLC；降低频响。但电阻也不能太低，一般应大于0.05欧姆，电容亦不能低于几个皮法，否则输出信号将太小。 第2章 光敏传感器——外光电效应及器件 充气光电二极管： 结构与真空光电二极管类似，只是管壳内充有低压惰性气体(氩气和氖气) 光照射到阴极产生光电子，阳极电压使其加速，加速的电子使气体分子电离，形成更多的电子和离子，这些电子和离子又被加速，与另外的气体分子碰撞使其电离，产生更多电子，即发生了倍增效应，此外，气体电离的正离子又与阴极碰撞产生光电子，因此达到阳极的电子数目比真空二极管所产生的电子数目大很多，相当于具有一定的放大倍数，可达10倍左右。 比较右图所示的伏安特性可知，充气光电二极管的灵敏度高，但其灵敏度随 电压显著变化，使其稳定性和频率特性都比 真空光电二极管差，所以在实际应用中应选 择合适的电压。 大多数金属的光谱响应都在紫外或远紫外， 只适于做紫外灵敏的光电器件。对于半导体 光电材料, 在绝对零度时, 光电逸出功较小， 对可见光、红外光都很灵敏。 第2章 光敏传感器——外光电效应及器件 光电倍增管： 光照射到阴极上产生光电子，光电子在真空中电场的作用下被加速而投射到第一个打拿极上，一个光电子可以产生多个电子，多次被加速而激发打拿极后电子数目得到倍增。电极电位从阴极到阳极经过各个打拿极逐级升高。 第2章 光敏传感器——光电导效应器件及其应用 光电导效应： 光照射半导体材料时，材料吸收光子而产生电子-孔穴对，使导电性能加强，电导率增加，人们把这种光照后电导率发生变化的现象称为光电导效应。该过程在半导体材料内进行的，故又称为内光电效应。 光敏电阻器： 光敏电阻器就是利用光敏材料的内光电效应制成的 光电元件。典型结构如右