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光电传感器.ppt

光电传感器

千秋一叶
2010-12-05 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《光电传感器ppt》,可适用于高等教育领域

光电传感技术光电传感技术目录目录第一章绪论第二章光电传感技术基础光的基本性质辐射与光度学量半导体基础知识光电效应第三章光电传感器件光电器件的类型与特点光电器件的基本特性参数半导体光电器件光电导器件:光敏电阻光伏器件:光电池光电二极管三极管真空光电器件光电管光电倍增管热电检测器件热敏电阻热电偶和热电堆热释电探测器件第四章发光、耦合和成像器件发光二极管激光器光电耦合器件CCD第五章光电传感系统直接光电传感系统光外差光电探测系统典型的光电探测系统第六章光纤传感探测第七章光电信号的数据采集与微机接口第八章光电探测技术的典型应用第一章绪论第一章绪论光电传感是信息时代的关键技术光电传感是信息时代的关键技术信息技术:微电子信息技术(电集成)、光子信息技术(光集成)、光电信息技术(光电集成)。感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制技术。信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理、显示。光电信息技术光电信息技术以光电子学为基础,以光电子器件为主体,研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。它涉及到:光源器件:(包括激光器)和可控光功能器件及集成光通信和综合信息网络光电传感、光纤传感和图象传感激光、红外、微光探测定向和制导光电精密测试在线检测和控制技术混合光电信息处理、识别和图象分析光电传感技术光电传感技术传感与测量光电传感器:基于光电效应将光信号转换为电信号的一种光电器件将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。光电传感技术:是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量并综合利用信息传送和处理技术完成在线和自动测量光电传感系统光学变换光电变换电路处理探测的基本概念探测的基本概念定义:被测信息:传感器、传感仪器、传感装置、传感系统全部操作:探测过程确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作信号采集、信号处理、信号显示、信号输出物理量(光、电、力、热、磁、声、…)被测对象:宇宙万物(固液气体、动物、植物、天体……)探测器具化学量(PH、成份…)生物量(酶、葡萄糖、…)……例:空调机测量控制室温空气被测对象:被测信息:检测器具:操作过程:室内空气温度温度传感器热电阻、热电偶热敏电阻电信号处理显示空调机返回直接测量:对仪表读数不经任何运算直接得出被测量的数值。例如:长度:直尺、游标卡尺、千分尺电压:万用表质量:天平间接测量:测量几个与被测量相关的物理量通过函数关系式计算出被测量。例如:电功率:P=I*V(电流电压)重力加速度:单摆测量(L:摆的线长T:摆动的周期)返回光电传感器的种类光电传感器的种类返回光电传感系统光电传感系统光电探测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础通过对载有被检测物体信号的光辐射(发射、反射、散射、衍射、折射、透射等)进行检测即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息再经过AD变换接口输入微型计算机运算、处理最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。光电传感系统光电传感系统光学变换电路处理光电传感系统光电传感系统光学变换调制频率、相位、脉宽、光强、波长、偏振形成能被光电探测器接收便于后续电学处理的光学信息。光电变换光电热电器件(传感器)、变换电路、前置放大将信息变为能够被驱动电路处理的电信息(电信号的放大和处理)。电路处理放大、滤波、调制、解调、AD、DA、微机与接口、控制。光电传感系统与人操作功能比较光电传感系统与人操作功能比较被测物体感觉器官人脑手控被测物体光电传感微机执行机构光电传感部分相当于人身的感觉器官光电传感系统的功能分类光电传感系统的功能分类测量检查型:几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离。运动量:速度、加速度、振动表面形状:光洁度、庇病、伤痕工作过程:湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度等机械量:重量、压力、应变、压强电学量:电流、电压、电场、磁场光学量:吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱控制跟踪型跟踪控制:激光制导红外制导数值控制:自动定位图形加工形成数值控制图象分析型图形检测图形分析光电传感技术的特点光电传感技术的特点高精度:从地球到月球激光测距的精度达到米。高速度:光速是最快的。远距离、大量程:遥控、遥测和遥感。非接触式检测:不改变被测物体性质的条件下进行测量。寿命长:光电检测中通常无机械运动部分故测量装置寿命长工作可靠、准确度高对被测物无形状和大小要求。数字化和智能化:很强的信息处理、运算和控制能力。光电探测技术发展趋势光电探测技术发展趋势纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。小型、快速的微型光、机、电检测系统。非接触、快速在线测量。微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。闭环控制的光电检测系统实现光电测量与光电控制一体化。向人们无法触及的领域发展。光电跟踪与光电扫描测量技术。一、在工业生产领域的应用在线检测:零件尺寸、产品缺陷、装配定位…现代工程装备中检测环节的成本约占~光电探测技术的应用传感技术在汽车中的应用日新月异发动机:向发动机的电子控制单元(ECU)提供发动机的工作状况信息对发动机工作状况进行精确控制温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等汽车传感器:汽车电子控制系统的信息源关键部件核心技术内容普通轿车:约安装几十到近百只传感器豪华轿车:传感器数量可多达二百余只。底盘:控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车身:提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等二、传感技术在日常生活中的应用家用电器:数码相机、数码摄像机:自动对焦红外测距传感器数字体温计:接触式热敏电阻非接触式红外传感器自动感应灯:亮度传感光敏电阻空调、冰箱、电饭煲:温度传感热敏电阻、热电偶电话、麦克风:话音转换驻极电容传感器遥控接收:红外检测光敏二极管、光敏三极管办公商务:可视对讲、可视电话:图像获取面阵CCD扫描仪:文档扫描线阵CCD红外传输数据:红外检测光敏二极管、光敏三极管医疗卫生:电子血压计:血压检测压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪离子传感器三、传感技术在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器夜视瞄准机系统:非冷却红外传感器技术激光测距仪:可精确的定位目标。四、传感技术在国防领域的应用美国国家导弹防御计划NMD监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道拦截器:能识别真假弹头敌友方“阿波罗”:火箭部分个传感器飞船部分个传感器检测参数加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学神州飞船:台(套)仪器装置五、传感技术在航天领域的应用学习本课程的目的学习本课程的目的了解光电传感系统的基本组成光电检测技术的特点和发展趋势。掌握光电传感器件(传感器、光源和成像器件)的工作原理及基本特性了解它们的应用范围。能够根据特性参数选择合适的光电传感器件。熟悉常用器件的性能指标。掌握直接检测与外差检测的原理和区别。掌握了解常用光电传感技术的测量、数据采集、处理和转换的方法了解所需的元器件、仪器和相关的接口技术。本课程的学习内容本课程的学习内容光电传感器件的物理基础光电传感器件的工作原理和特性及其应用光电直接和外差检测系统光纤传感检测技术光电信号的数据采集与微机接口第二章光电传感技术基础第二章光电传感技术基础光的基本性质辐射与光度学量半导体基础知识光电效应光的基本性质光的基本性质牛顿微粒说根据光直线传播现象对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象:干涉、衍射和偏振波动理论惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电磁理论:光是一种电磁波光的基本性质光的基本性质光量子说年普朗克在研究黑体辐射时提出辐射的量子论年爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念光子的能量与光的频率成正比光具有波粒二象性一、光谱光波:波长为nm的电磁波可见光:波长nm紫外线:波长nm波长nm称为近紫外线波长nm称为远紫外线波长nm称为极远紫外线红外线:波长nm波长μm(即nm)以下的称近红外线波长超过μm的红外线称为远红外线。光谱分布如图所示。远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外波长μm波数cm频率Hz光子能量eV×××××××光的波长与频率的关系由光速确定真空中的光速c=×cms通常c≈×cms。光的波长λ和频率ν的关系为ν的单位为Hzλ的单位为cm。νλ=×cms二、光源(发光器件)、钨丝白炽灯用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通一般白炽灯的辐射光谱是连续的发光范围:可见光外、大量红外线和紫外线所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点:寿命短而且发热大、效率低、动态特性差但对接收光敏元件的光谱特性要求不高是可取之处。在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯其体积较小光效高寿命也较长。、气体放电灯定义:利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小可得到主要在某一光谱范围的辐射。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为nm钠灯的辐射波长为nm它们经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂由于光线与涂层材料的作用荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长目前荧光剂的选择范围很广通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长如照明日光灯。气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯。、发光二极管LED(LightEmittingDiode)由半导体PN结构成其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻因此获得了广泛的应用。在半导体PN结中P区的空穴由于扩散而移动到N区N区的电子则扩散到P区在PN结处形成势垒从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时势垒降低电子由N区注入到P区空穴则由P区注入到N区称为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合注入到N区里的空穴和N区里的电子复合这种复合同时伴随着以光子形式放出能量因而有发光现象。电子和空穴复合所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度(即能量间隙)。所放出的光子能量用hν表示h为普朗克常数ν为光的频率。则普朗克常数h=╳Js光速c=╳msEg的单位为电子伏(eV)eV=╳J。hc=×m•W•s=×m•eV。可见光的波长λ近似地认为在×m以下所以制作发光二极管的材料其禁带宽度至少应大于hcλ=eV普通二极管是用锗或硅制造的这两种材料的禁带宽度Eg分别为eV和eV显然不能使用。通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体写作GaAsxPxx代表磷化镓的比例当x>时可得到Eg≥eV的材料。改变x值还可以决定发光波长使λ在~nm间变化它已经进入红外区。与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。表LED材料发光二极管的伏安特性与普通二极管相似但随材料禁带宽度的不同开启(点燃)电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线红色约为V开启绿色约为V。UVImA注意图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言发光二极管的反向击穿电压大于V为了安全起见使用时反向电压应在V以下。GaAsP(红)GaAsP(绿)发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的曲线有两根这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长λp。除峰值波长λp决定发光颜色之外峰的宽度(用Δλ描述)决定光的色彩纯度Δλ越小其光色越纯。GaAsPλp=nmλp=nmGaAsPλp=nmGaPλp=nmGaAs发光二极管的光谱特性λnm相对灵敏度、激光器激光是世纪年代出现的最重大科技成就之一具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从μm到远红外整个光频波段范围。激光器种类繁多按工作物质分类:固体激光器(如红宝石激光器)气体激光器(如氦氖气体激光器、二氧化碳激光器)半导体激光器(如砷化镓激光器)液体激光器。()固体激光器典型实例是红宝石激光器是年人类发明的第一台激光器。它的工作物质是固体。种类:红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器(简称YAG激光器)和钕玻璃激光器等。特点:小而坚固、功率高钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件已达到几十太瓦。固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。()气体激光器工作物质是气体。种类:各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器以及二氧化碳激光器、准分子激光器等其形状像普通的放电管一样能连续工作单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。()半导体激光器与前两种相比出现较晚其成熟产品是砷化镓激光器。特点:效率高、体积小、重量轻、结构简单适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。()液体激光器种类:螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节而且效率也不会降低因而它能起着其他激光器不能起的作用。辐射度的基本物理量辐射度的基本物理量辐射能Qe:一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位:焦耳J辐射通量Φe:单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量又称辐射功率Pe是辐射能的时间变化率。单位:瓦[W]辐射强度Ie:点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位:[WSr]辐射度的基本物理量辐射度的基本物理量辐射照度Ee:投射在单位面积上的辐射通量。单位:[Wm]辐射出射度Me:扩展辐射源单位面积所辐射的通量(也称辐射本领)。单位:[Wm]辐射亮度Le:辐射表面定向发射的辐射强度。单位:[Wm.Sr]光谱辐射通量Φe(λ):辐射通量的光谱密度即单位波长间隔内的辐射通量。基本辐射度量的名称、符号和定义方程光度量的最基本单位光度量的最基本单位发光强度Iv:发出波长为nm的单色辐射在给定方向上的发光强度规定为cd。单位:坎德拉(Candela)[cd]它是国际单位制中七个基本单位之一。光通量Φv:光强度为cd的均匀点光源在sr内发出的光通量。单位:流明[lm]。光照度Ev:单位面积所接受的入射光的量单位:勒克斯[lx]相当于平方米面积上接受到个流明的光通量。晴天阳光直射地面照度约为lx晴天背阴处照度约为lx晴天室内北窗附近照度约为lx晴天室内中央照度约为lx晴天室内角落照度约为lx阴天室外lx阴天室内lx月光(满月)lx日光灯lx电视机荧光屏lx阅读书刊时所需的照度~lx在W白炽灯下m远处的照度约为lx晴朗月夜照度约为lx黑夜lx光度的基本物理量光度的基本物理量光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e例如QeΦeIeMeEe光度量下标为vQvΦvIvLvMvEv。光度量只在可见光区(380 - 780nm)才有意义。辐射度量和光度量都是波长的函数。半导体基础知识半导体基础知识导体、半导体和绝缘体半导体的特性半导体的能带结构本征半导体与杂质半导体平衡和非平衡载流子载流子的输运过程半导体的光吸收PN结导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体自然存在的各种物质分为气体、液体、固体。固体按导电能力可分为:导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。电阻率~欧姆•厘米范围内导体电阻率欧姆•厘米以上绝缘体电阻率介于导体和绝缘体之间半导体半导体的特性半导体的特性半导体电阻温度系数一般是负的而且对温度变化非常敏感。根据这一特性热电探测器件。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。(纯净Si在室温下电导率为*(欧姆•厘米)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时电导率为(欧姆•厘米))半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。本征和杂质半导体本征和杂质半导体本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。在绝对零度时价带中的全部量子态都被电子占据而导带中的量子态全部空着。在纯净的半导体中掺入一定的杂质可以显著地控制半导体的导电性质。掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子同时向导带提供电子使半导体成为电子导电的n型半导体。受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子同时向价带提供空穴使半导体成为空穴导电的p型半导体。平衡和非平衡载流子平衡和非平衡载流子处于热平衡状态的半导体在一定温度下载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度称为平衡载流子浓度。半导体的热平衡状态是相对的有条件的。如果对半导体施加外界作用破坏了热平衡的条件这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。非平衡载流子的产生非平衡载流子的产生光注入:用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。当光子的能量大于半导体的禁带宽度时光子就能把价带电子激发到导带上去产生电子-空穴对使导带比平衡时多出一部分电子价带比平衡时多出一部分空穴。产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。光注入产生非平衡载流子导致半导体电导率增加。其它方法:电注入、高能粒子辐照等。载流子的输运过程载流子的输运过程扩散漂移复合半导体对光的吸收半导体对光的吸收物体受光照射一部分光被物体反射一部分光被物体吸收其余的光透过物体。吸收包括:本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收本征吸收由于光子作用使电子由价带跃迁到导带只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时才能发生本征激发杂质吸收和自由载流子吸收杂质吸收和自由载流子吸收引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能由于杂质电离能比禁带宽度小所以这种吸收在本征吸收限以外的长波区自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的。PN结PN结将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面界面附近形成一个极薄的特殊区域称为PN结。是二极管、三极管、集成电路和其它结型光电器件最基本的结构单元。PN结的伏安特性曲线对应表:光电效应光电效应光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应光电效应包括外光电效应和内光电效应外光电效应:物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物内光电效应:物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部多发生在半导体内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应:半导体受光照后内部产生光生载流子使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象三、光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类、外光电效应在光线的作用下物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子每个光子的能量:E=hνh普朗克常数×J·sν光的频率(s)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s。根据能量守恒定理式中m电子质量v电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。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A。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。光线频率低于红限频率光子能量不足以使物体内的电子逸出因而小于红限频率的入射光光强再大也不会产生光电子发射反之入射光频率高于红限频率即使光线微弱也会有光电子射出。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mv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。当光照射在物体上使物体的电阻率ρ发生变化或产生光生电动势的现象叫做内光电效应它多发生于半导体内。根据工作原理的不同内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类:()光电导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。、内光电效应过程: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如图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材料的光导性能决定于禁带宽度对于一种光电导材料总存在一个照射光波长限λ只有波长小于λ的光照射在光电导体上才能产生电子能级间的跃进从而使光电导体的电导率增加。式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。为了实现能级的跃迁入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg即()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。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。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。②侧向光电效应。当半导体光电器件受光照不均匀时有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大就出现了载流子浓度梯度因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大那么空穴的扩散不明显则电子向未被光照部分扩散就造成光照射的部分带正电未被光照射部分带负电光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件(PSD)。光生伏特效应:光照在半导体PN结或金属半导体接触上时会在PN结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。PN结的光生伏特效应:当用适当波长的光照射PN结时由于内建场的作用(不加外电场)光生电子拉向n区光生空穴拉向p区相当于PN结上加一个正电压。半导体内部产生电动势(光生电压)如将PN结短路则会出现电流(光生电流)。光热效应光热效应光热效应:材料受光照射后光子能量与晶格相互作用振动加剧温度升高材料的性质发生变化.热释电效应:介质的极化强度随温度变化而变化引起电荷表面电荷变化的现象.辐射热计效应:入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象.温差电效应:由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势回路中产生电流.第三章光电检测器件第三章光电检测器件光电器件的类型与特点光电器件的基本特性参数半导体光电器件光电导器件光敏电阻光伏器件光电池光电二极管三极管真空光电器件光电管光电倍增管热电检测器件热敏电阻热电偶和热电堆热释电探测器件光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点光电效应:光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化.光电子发射:物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物.光电导效应:半导体受光照后内部产生光生载流子使半导体中载流子数显著增加而电阻减少.光生伏特效应:光照在半导体PN结或金属半导体接触上时会在PN结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。光电检测器件的类型光电检测器件的类型光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件光电检测器件分为两大类:光子(光电子)检测器件热电检测器件光电检测器件光电检测器件光子器件热电器件真空器件固体器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光纤传感器电荷耦合器件CCD热电偶热电堆热辐射计热敏电阻热释电探测器光电检测器件的特点光电检测器件的特点器件的基本特性参数器件的基本特性参数响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度一、响应特性一、响应特性1.响应度(或称灵敏度):是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。响应度是随入射光波长变化而变化的响应度分电压响应率和电流响应率电压响应率光电探测器件输出电压与入射光功率之比电流响应率光电探测器件输出电流与入射光功率之比2.光谱响应度:探测器在波长为λ的单色光照射下输出电压或电流与入射的单色光功率之比.3.积分响应度:检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度.4.响应时间:响应时间τ是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数(如图)。上升时间:入射光照射到光电探测器后光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。下降时间:入射光遮断后光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。光电探测器响应率与入射调制频率的关系为调制频率为f时的响应率为调制频率为零时的响应率  为时间常数(等于RC)5.频率响应:光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应.由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。:上限截止频率时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽返回二、噪声特性二、噪声特性在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的而是在平均值上下随机地起伏它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。用均方噪声来表示噪声值大小噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。由于噪声总是与有用信号混在一起因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制。所以在精密测量、通信、自动控制等领域减小和消除噪声是十分重要的问题。光电探测器常见的噪声光电探测器常见的噪声热噪声散粒噪声产生复合噪声f噪声、热噪声、热噪声或称约翰逊噪声即载流子无规则的热运动造成的噪声。导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲)尽管其平均值为零但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压称为热噪声电压。热噪声存在于任何电阻中热噪声与温度成正比与频率无关热噪声又称为白噪声、散粒噪声、散粒噪声散粒噪声:入射到光探测器表面的光子是随机的光电子从光电阴极表面逸出是随机的PN结中通过结区的载流子数也是随机的。散粒噪声也是白噪声与频率无关。散粒噪声是光电探测器的固有特性对大多数光电探测器的研究表明:散粒噪声具有支配地位。例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。、产生复合噪声、产生复合噪声半导体受光照载流子不断产生复合。在平衡状态时在载流子产生和复合的平均数是一定的但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。、f噪声、f噪声或称闪烁噪声或低频噪声。噪声的功率近似与频率成反比多数器件的f噪声在~Hz以上已衰减到可忽略不计。5、信噪比5、信噪比信噪比是判定噪声大小的参数。是负载电阻上信号功率与噪声功率之比若用分贝(dB)表示为6、噪声等效功率(NEP)6、噪声等效功率(NEP)定义:信号功率与噪声功率比为(SNR=)时入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。这时投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压(或电流)等于探测器本身的噪声电压(或电流)一般一个良好的探测器件的NEP约为W。NEP越小噪声越小器件的性能越好。噪声等效功率是一个可测量的量。设入射辐射的功率为P测得的输出电压为U然后除去辐射源测得探测器的噪声电压为UN则按比例计算要使U=UN的辐射功率为7、探测率与归一化探测率7、探测率与归一化探测率探测率D定义为噪声等效功率的倒数经过分析发现NEP与检测元件的面积Ad和放大器带宽Δf乘积的平方根成正比归一化探测率D*即D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。返回三、量子效率()三、量子效率()量子效率:在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。对理想的探测器入射一个光量子发射一个电子=实际上<量子效率是一个微观参数量子效率愈高愈好。量子效率与响应度的关系量子效率与响应度的关系Iq:每秒产生的光子数Phυ:每秒入射的光子数四、线性度四、线性度线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。在某一范围内探测器的响应度是常数称这个范围为线性区。非线性误差:δ = Δmax(I–I)Δmax:实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差I和I:分别为线性区中最小和最大响应值。五、工作温度五、工作温度工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。光电探测器在不同温度下性能有变化。例如半导体光电器件的长波限和峰值波长会随温度而变化热电器件的响应度和热噪声会随温度而变化。利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件一般都是真空的或充气的光电器件如光电管和光电倍增管。一、光电管及其基本特性光电管的结构示意图光阳极光电阴极光窗结构与工作原理光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似如图。它们由一个阴极和一个阳极构成并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形置于玻璃管的中央。第二节外光电效应器件光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。()光电管的伏安特性主要性能在一定的光照射下对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。图光电管的伏安特性μlmμlmμlmμlmμlmμlm阳极与末级倍增极间的电压VIAμA() 光电管的光照特性通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。曲线表示氧铯阴极光电管的光照特性光电流I与光通量成线性关系。曲线为锑铯阴极的光电管光照特性它成非线性关系。光照特性曲线的斜率(光电流与入射光光通量之间比)称为光电管的灵敏度。光电管的光照特性ΦmIAμA()光电管光谱特性由于光阴极对光谱有选择性因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管它们有不同的红限频率υ因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率υ并且强度相同随着入射光频率的不同阴极发射的光电子的数量还会不同即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同这就是光电管的光谱特性。所以对各种不同波长区域的光应选用不同材料的光电阴极。国产GD型的光电管阴极是用锑铯材料制成的。其红限λ=Å它对可见光范围的入射光灵敏度比较高转换效率:~。它适用于白光光源因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源常用银氧铯阴极构成红外传感器。对紫外光源常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽为~Å灵敏度也较高与人的视觉光谱特性很接近是一种新型的光电阴极但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异因而在测量和控制技术中这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作如坦克和装甲车的夜视镜等。一般充气光电管当入射光频率大于Hz时光电流将有下降趋势频率愈高下降得愈多。二、光电倍增管及其基本特性当入射光很微弱时普通光电管产生的光电流很小只有零点几μA很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大下图为其内部结构示意图。结构和工作原理由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成次阴极是在镍或铜铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的次阴极多的可达级阳极是最后用来收集电子的收集到的电子数是阴极发射电子数的~倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时它就能产生很大的光电流。()倍增系数M倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。如果n个倍增电极的δ都相同则M=因此阳极电流I为I=i·i光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数β为β=Ii=M与所加电压有关M在~之间稳定性为%左右加速电压稳定性要在%以内。如果有波动倍增系数也要波动因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为~V两个相邻的倍增电极的电位差为~V。对所加电压越稳越好这样可以减小统计涨落从而减小测量误差。主要参数极间电压V放大倍数光电倍增管的特性曲线()光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的最大灵敏度可达Alm极间电压越高灵敏度越高但极间电压也不能太高太高反而会使阳极电流不稳。另外由于光电倍增管的灵敏度很高所以不能受强光照射否则将会损坏。()暗电流和本底脉冲一般在使用光电倍增管时必须把管子放在暗室里避光使用使其只对入射光起作用但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响即使没有光信号输入加上电压后阳极仍有电流这种电流称为暗电流这是热发射所致或场致发射造成的这种暗电流通常可以用补偿电路消除。如果光电倍增管与闪烁体放在一处在完全蔽光情况下出现的电流称为本底电流其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的本底电流具有脉冲形式。光电倍增管的光照特性与直线最大偏离是-------在mA处饱和----光通量m阳极电流A()光电倍增管的光谱特性光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子在很宽的光通量范围之内这个关系是线性的即入射光通量小于lm时有较好的线性关系。光通量大开始出现非线性如图所示。半导体光电器件半导体光电器件光敏电阻光电池光电二极管光电三极管一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻是光电导型器件。光敏电阻材料:主要是硅、锗和化合物半导体例如:硫化镉(CdS)锑化铟(InSb)等。特点:光谱响应范围宽(特别是对于红光和红外辐射)偏置电压低工作电流大动态范围宽既可测强光也可测弱光光电导增益大灵敏度高无极性使用方便在强光照射下光电线性度较差光电驰豫时间较长频率特性较差。光敏电阻(LDR)和它的符号:符号光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理光敏电阻结构:在一块均匀光电导体两端加上电极贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上两端接有电极引线封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。(如图)工作机理:当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时导带中的电子和价带中的空穴均参与导电其阻值急剧减小电导增加。返回本征型和杂质型光敏电阻本征型和杂质型光敏电阻本征型光敏电阻:当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时激发一个电子-空穴对在外电场的作用下形成光电流。杂质型光敏电阻:对于N型半导体当入射光子的能量等于或大于杂质电离能ΔE时将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子在外电场的作用下形成光电流。本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。光电导与光电流光电导与光电流光敏电阻两端加电压(直流或交流).无光照时阻值(暗电阻)很大电流(暗电流)很小光照时光生载流子迅速增加阻值(亮电阻)急剧减少.在外场作用下光生载流子沿一定方向运动形成光电流(亮电流)。光电流:亮电流和暗电流之差I光=ILId光电导:亮电流和暗电流之差g=gLgd光敏电阻的暗阻越大越好而亮阻越小越好也就是说暗电流要小亮电流要大这样光敏电阻的灵敏度就高。光电流与光照强度/电阻结构的关系。无光照暗电导率光照下电导率附加光电导率,简称光电导光电导相对值要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使p和n小因此光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料或在低温下使用。当光照稳定时光生载流子的浓度为无光照时光敏电阻的暗电流为光照时光敏电阻的光电流为2.光敏电阻的工作特性2.光敏电阻的工作特性光电特性伏安特性时间响应和频率特性温度特性光敏电阻的光电特性光敏电阻的光电特性光电特性:光电流与入射光照度的关系:()弱光时γ=光电流与照度成线性关系()强光时γ=光电流与照度成抛物线光照增强的同时载流子浓度不断的增加同时光敏电阻的温度也在升高从而导致载流子运动加剧因此复合几率也增大光电流呈饱和趋势。(冷却可以改善)在弱光照下光电流与E具有良好的线性关系在强光照下则为非线性关系其他光敏电阻也有类似的性质。光电导灵敏度:光电导g与照度E之比不同波长的光光敏电阻的灵敏度是不同的。在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性。光电导增益光电导增益反比于电极间距的平方。量子效率:光电流与入射光子流之比。伏安特性伏安特性在一定的光照下光敏电阻的光电流与所加的电压关系光敏电阻是一个纯电阻因此符合欧姆定律其伏安特性曲线为直线。不同光照度对应不同直线受耗散功率的限制在使用时光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压图中虚线为允许功耗曲线由此可确定光敏电阻正常工作电压。频率特性频率特性光敏电阻时间常数比较大其上限截止频率低。只有PbS光敏电阻的频率特性稍好些可工作到几千赫。响应时间响应时间光敏电阻的时间响应特性较差材料受光照到稳定状态光生载流子浓度的变化规律:停止光照光生载流子浓度的变化为温度特性光敏电阻是多数载流子导电温度特性复杂。随着温度的升高光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降温度的变化也会影响光谱特性曲线。例如:硫化铅光敏电阻随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。尤其是红外探测器要采取制冷措施温度特性光敏电阻参数光敏电阻参数使用材料:硫化镉(CdS)硫化铅(PbS)锑化铟(InSb)碲镉汞(HgCdTe)碲锡铅(PbSnTe)光敏面:mm工作温度:–oC温度系数:极限电压:–V耗散功率:<W时间常数:–ms光谱峰值波长:因材料而不同在可见红外远红外暗电阻:欧姆亮电阻:欧姆光敏电阻的应用光敏电阻的应用基本功能:根据自然光的情况决定是否开灯。基本结构:整流滤波电路光敏电阻及继电器控制触电开关执行电路基本原理:光暗时光敏电阻阻值很高继电器关灯亮光亮时光敏电阻阻值降低继电器工作灯关。光电池光电池光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。PN结的光生伏特效应:当用适当波长的光照射PN结时由于内建场的作用(不加外电场)光生电子拉向n区光生空穴拉向p区相当于PN结上加一个正电压。半导体内部产生电动势(光生电压)如将PN结短路则会出现电流(光生电流)。光电池的结构特点光电池的结构特点光电池核心部分是一个PN结一般作成面积大的薄片状来接收更多的入射光。在N型硅片上扩散P型杂质(如硼)受光面是P型层或在P型硅片上扩散N型杂质(如磷)受光面是N型层受光面有二氧化硅抗反射膜起到增透作用和保护作用上电极做成栅状为了更多的光入射由于光子入射深度有限为使光照到PN结上实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。光电池等效电路光电池等效电路光电池的特性光电池的特性、伏安特性无光照时光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。有光照时沿电流轴方向平移平移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压VOC与电流轴交点称为短路电流ISC。光电池伏安特性曲线光电池伏安特性曲线反向电流随光照度的增加而上升、时间和频率响应硅光电池频率特性好硒光电池频率特性差硅光电池是目前使用最广泛的光电池要得到短的响应时间必须选用小的负载电阻RL光电池面积越大则响应时间越大因为光电池面积越大则结电容Cj越大在给定负载时时间常数就越大故要求短的响应时间必须选用小面积光电池。开路电压下降大约mV度短路电流上升大约mA度、温度特性随着温度的上升硅光电池的光谱响应向长波方向移动开路电压下降短路电流上升。光电池做探测器件时测量仪器应考虑温度的漂移要进行补偿。、光谱响应度、光谱响应度硅光电池响应波长微米峰值波长微米。硒光电池响应波长微米峰值波长微米。、光电池的光照特性、光电池的光照特性连接方式:开路电压输出(

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