第七章光电式传感器 光→电信号 7.1光电效应 7.2光电器件 7.3光源及光学元件 7.4光电式传感器的应用 7.5光纤传感器 7.6红外传感器 7.7图像传感器简介
第七章 光电式传感器 光 电信号 7．1 光电效应 7．2 光电器件 7．3 光源及光学元件 7．4 光电式传感器的应用 7．5 光纤传感器 7．6 红外传感器 7．7 图像传感器简介
7.1光电效应 7.1.1外光电效应 外光电效应：当光线照射在某些物体上，使物体内的电子逸 出物体表面的现象称为外光电效应，也称为光电发射，逸出的 电子称为光电子。基于外光电效应的光电器件有：光电管和光 电倍增管。 光子能量： E=hy J's 式中，h=普朗克常数，h=6.626×10-34Js;v一光的频率（s1)。 Einstein光电方程： hv=mv2/2+A 式中，m一电子质量；V。一逸出电子的初速度；Ao一物体的逸 出功（或物体表面束缚能)
7.1 光电效应 7.1.1 外光电效应 外光电效应：当光线照射在某些物体上，使物体内的电子逸 出物体表面的现象称为外光电效应，也称为光电发射，逸出的 电子称为光电子。基于外光电效应的光电器件有：光电管和光 电倍增管。 光子能量： E=hν J·s 式中，h=普朗克常数，h=6.626×10-34 J·s；ν—光的频率（s-1）。 Einstein光电方程： hν=mv02/2+A0 式中，m—电子质量；v0—逸出电子的初速度；A0—物体的逸 出功（或物体表面束缚能）
7.1光电效应 基本规律： ●红限频率ν（又称光谱域值）：刚好从物体表面打 出光电子的入射光波频率，随物体表面束缚能的不同而 不同，与之对应的光波波长入，（红限波长）为 入，=hcl Ao (7-3) 式中，h=普朗克常数；c一光速；A0一物体的逸出功。 ●当入射光频谱成分不变时，产生的光电子（或光电 流)与光强成正比。 ●逸出光电子具有初始动能Ek=w22,故外光电器件 即使没有加阳极电压，也会产生光电流，为了使光电流 为零，必须加负的截止电压
基本规律： •红限频率ν0（又称光谱域值）：刚好从物体表面打 出光电子的入射光波频率，随物体表面束缚能的不同而 不同，与之对应的光波波长λ0（红限波长）为 λ0 =hc/ A0 （7-3） 式中，h=普朗克常数；c—光速；A0—物体的逸出功。 •当入射光频谱成分不变时，产生的光电子（或光电 流）与光强成正比。 •逸出光电子具有初始动能Ek=mv02/2，故外光电器件 即使没有加阳极电压，也会产生光电流，为了使光电流 为零，必须加负的截止电压。 7.1 光电效应
7.1光电效应 7.1.2内光电效应 当光照射在物体上。使物体的电阻率发生变化，或产生 光生电动势的现象称为内光电效应。内光电效应又分为光电 导效应和光生伏特效应。 7.1.2.1光电导效应 在光线作用下，材料内电子吸收光子能量从键合状态过 渡到自由状态，而引起材料电阻率变化的现象称为光电导效 应。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。 入射光能导出光电导效应的临界波长入为 λ=hc/E (7-4) 式中，=普朗克常数；c一光速；E。一半导体材料禁带宽 度
7.1 光电效应 7.1.2 内光电效应 当光照射在物体上。使物体的电阻率发生变化，或产生 光生电动势的现象称为内光电效应。内光电效应又分为光电 导效应和光生伏特效应。 7.1.2.1 光电导效应 在光线作用下，材料内电子吸收光子能量从键合状态过 渡到自由状态，而引起材料电阻率变化的现象称为光电导效 应。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。 入射光能导出光电导效应的临界波长λ0为 λ0=hc/Eg (7-4) 式中，h=普朗克常数；c—光速；Eg—半导体材料禁带宽 度
7.1光电效应 7.1.2.2光生伏特效应 在光线作用下，能使物体产生一定方向电动势的现象称 为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电器件有光电池和 光敏晶体管。 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，若 光子能量大于其禁带宽度E,使价带电子跃迁到导带，产生 电子一空穴对，由于阻挡层内电场的作用，形成光电动势的 现象称为结光电效应。 2.侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由于载流子（光照 产生的电子一空穴对)浓度梯度的存在将会产生侧向光电效 应。光照强的部分带正电，光照弱的部分带负电
7.1 光电效应 7.1.2.2 光生伏特效应 在光线作用下，能使物体产生一定方向电动势的现象称 为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电器件有光电池和 光敏晶体管。 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，若 光子能量大于其禁带宽度Eg，使价带电子跃迁到导带，产生 电子—空穴对，由于阻挡层内电场的作用，形成光电动势的 现象称为结光电效应。 2．侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由于载流子（光照 产生的电子—空穴对）浓度梯度的存在将会产生侧向光电效 应。光照强的部分带正电，光照弱的部分带负电
7.2 光电器件 7.2.1光电管 7.2.1.1光电管的结构和工作原理 结构：真空（或充气）玻璃泡内装两个电极：光电阴极 和阳极，阳极加正电位。如图7-1所示。 原理：当光电阴极受到适当波长的光线照射时发射光电 子，在中央带正电的阳极吸引下，光电子在光电管内形成 电子流，在外电路中便产生光电流。 (6) 图7-1光电管的结构和工作原理
7.2 光电器件 7.2.1 光电管 7.2.1.1 光电管的结构和工作原理 结构：真空（或充气）玻璃泡内装两个电极：光电阴极 和阳极，阳极加正电位。如图7-1所示。 原理：当光电阴极受到适当波长的光线照射时发射光电 子，在中央带正电的阳极吸引下，光电子在光电管内形成 电子流，在外电路中便产生光电流I。 图7-1 光电管的结构和工作原理
7.2 光电器件 7.2.1.2光电管的特性 1.伏一安特性 当入射光的频谱和光通量一定时，阳极电压与与阳极电流之间的关系 称为伏一安特性。如图7-2(a)、(b)所示。 2.光电特性 当光电管的阳极与阴极间所加电压和入射光谱一定时，阳极电流与 入射光在光电阴极上的光通量Φ之间的关系。如图解7-2(c)所示。 I(RA) 16 电离导电 光通m) 阳极电压 (6) 阳极电压 0.20.40.60.81.0 (a) (c) 图7-2光电管的特性 (a)真空光电管伏安特性； (b)充气光电管伏安特性；(c)光电管的光电特性
7.2 光电器件 7.2.1.2 光电管的特性 1．伏—安特性 当入射光的频谱和光通量一定时，阳极电压与与阳极电流之间的关系 称为伏—安特性。如图7-2（a）、（b）所示。 2．光电特性 当光电管的阳极与阴极间所加电压和入射光谱一定时，阳极电流I与 入射光在光电阴极上的光通量Φ之间的关系。如图解7-2（c）所示。 图7-2 光电管的特性 （a）真空光电管伏安特性；（b）充气光电管伏安特性；（c）光电管的光电特性
7.2光电器件 3. 光谱特性 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。 锑铯(Cs3Sb)材料阴极，红限波长入=0.7m，对可见 光的灵敏度较高，转换效率可达20%~30%； 银-氧-铯光电阴极，构成红外探测器，其红限波长 2=1.2μm,在近红外区（0.750.80μm)的灵敏度有极大 值，灵敏度较低，但对红外较敏感； 锑钾钠铯阴极光谱范围较宽（0.30.85μm)灵敏度也 较高，与人眼的光谱特性很接近，是一种新型光电阴极； 对紫外光源，常采用锑铯阴极和镁镉阴极。 光谱特性用量子效率表示。对一定波长入射光的光子 射到物体表面上，该表面所发射的光电子平均数，称为量 子效率，用百分数表示，它直接反映物体对这种波长的光 的光电效应的灵敏度
7.2 光电器件 3．光谱特性 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。 锑铯（Cs 3Sb）材料阴极，红限波长 λ 0=0.7 μm ，对可见 光的灵敏度较高，转换效率可达20%~30%； 银 - 氧 -铯光电阴极，构成红外探测器，其红限波长 λ 0=1.2 μ m，在近红外区（0.75~0.80 μ m）的灵敏度有极大 值，灵敏度较低，但对红外较敏感； 锑钾钠铯阴极光谱范围较宽（0.3~0.85 μm ）灵敏度也 较高，与人眼的光谱特性很接近，是一种新型光电阴极； 对紫外光源，常采用锑铯阴极和镁镉阴极。 光谱特性用量子效率表示。对一定波长入射光的光子 射到物体表面上，该表面所发射的光电子平均数，称为量 子效率，用百分数表示，它直接反映物体对这种波长的光 的光电效应的灵敏度
7.2光电器件 7.2.2光电倍增管 7.2.2.1光电倍增管的结构和工作原理 结构：由光电阴极、若干倍增极和阳极组成，如图7-3。 原理：光电倍增管工作时，各倍增极（D1、D2、D3.) 和阳极均加上电压，并依次升高，阴极K电位最低，阳极A 电位最高。入射光照射在阴极上，打出光电子，经倍增极加 速后，在各倍增极上打出更多的“二次电子”。如果一个电 子在一个倍增极上一次能打出σ个二次电子，那么一个光电 子经个倍增极后，最后在阳极会收集到σ个电子而在外电 路形成电流。一般o=36,n为10左右，所以，光电倍增管的 放大倍数很高。 光电倍增管工作的直流电源电压在700~3000V之间，相 邻倍增极间电压为50~100V
7.2 光电器件 7.2.2 光电倍增管 7.2.2.1 光电倍增管的结构和工作原理 结构：由光电阴极、若干倍增极和阳极组成，如图7-3。 原理：光电倍增管工作时，各倍增极（D1、D2、D3.） 和阳极均加上电压，并依次升高，阴极K电位最低，阳极A 电位最高。入射光照射在阴极上，打出光电子，经倍增极加 速后，在各倍增极上打出更多的“二次电子”。如果一个电 子在一个倍增极上一次能打出σ个二次电子，那么一个光电 子经n个倍增极后，最后在阳极会收集到σn个电子而在外电 路形成电流。一般σ=3~6，n为10左右，所以，光电倍增管的 放大倍数很高。 光电倍增管工作的直流电源电压在700~3000V之间，相 邻倍增极间电压为50~100V
7.2光电器件 聚焦电极 D:DDD Di DD D.D D (a) D D 6 KD:D:D D.Ds DD D.D 66架 o-lkV (c) 图7-3光电倍增管 (a)结构图；(b)原理图；(c)供电电路
7.2 光电器件 图7-3 光电倍增管 (a)结构图；(b)原理图；(c)供电电路