第四章光电式传感器 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转 换的关键元件,它是把光信号(红外、可见及 紫外光辐射)转变成为电信号的器件 第一节概迷 第二节外光电放应蚤件 第三节内光电就应资件 第四节新克电传感蛋 第亞节光敏传惑骺的应用举例
第四章 光电式传感器 第一节 概述 第二节 外光电效应器件 第三节 内光电效应器件 第四节 新型光电传感器 第五节 光敏传感器的应用举例 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转 换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及 紫外光辐射）转变成为电信号的器件
第一节述 光谱 光波:波长为10106nm的电磁波 可见光:波长380780nm 紫外线:波长10—380nm, 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线, 红外线:波长780—106m 波长3um(即3000nm)以下的称近红外线 波长超过3um的红外线称为远红外线 光谱分布如图所示
一 、光谱 光波：波长为10—106nm的电磁波 可见光：波长380—780nm 紫外线：波长10—380nm， 波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线， 红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。 第一节 概 述
0.01 0.1 0.05 0.5 波长/m 极远紫外 远近同见光近红外远红外 紫紫 外外 f6 10 10 5×105 5×104 5×103 波数/cm1 3×1018 1065×1015 1025×1014 1014 5×1013 频率/Hz 100 10 50 0.5 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 299793×1010cm/s,通常C3×1010cm/s。光的波长 和频率v关系为 V=3×1010cm/s v的单位为Hz,的单位为cm
远 紫 外 近 紫 外 极远紫外 可见光 近红外 远红外 0.01 0.1 1 10 0.05 0.5 5 波长/μm 波数/cm -1 频率/Hz 光子能量/eV 106 105 104 103 5×105 5×104 5×103 1015 5×1014 1014 5×1013 100 10 1 50 5 0.5 5×10 10 15 16 3×1018 光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速 c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波长 λ和频率ν的关系为 ν的单位为Hz，λ的单位为cm。 νλ=3×1010cm / s
二、光源(发光景件) 1、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
二、光源（发光器件） 1、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
2、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254nm,钠灯的辐射波长为589nm,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1/2-1/3
2、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254nm，钠灯的辐射波长为589nm，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1/2—1/3
3、发光二极管LED( Light Emitting Diode) 由半导体FN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
3、发光二极管LED（Light Emitting Diode） 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E等于PN结的禁 带宽度(即能量间隙)。所放出的光子能量用hv表示, h为普朗克常数,ν为光的频率。则 E的单位为电子伏(eV),1eV=1.6×10京/N hv=e →h E 普朗克常数h=66×1034Js;光速c=3×108m/ hc=198×1026mW·s=12.4×10meV。 可见光的波长λ近似地认为在7×107m以下,所以制 作发光二极管的材料,其禁带宽度至少应大于 hcn=l. 8eV 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067eV和1.12eV,显然不能使用
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 Eg hc = Eg c h = h = Eg 普朗克常数h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s； Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.6╳10-19J。 hc=19.8×10-26m•W•s=12.4×10-7m•eV。 可见光的波长λ近似地认为在7×10-7m以下，所以制 作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于 h c /λ=1.8 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0.67eV和1.12eV，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 GaAs1P,x代表磷化镓的比例,当x>0.35时,可得 到g≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长,使 入在550~900nm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4.1-1LED材料 材料 波长mm 材料 波长mm Zns 340 CuSe-ZnSe 400~630 SIC 480 ZnCd1、Te 590~830 GaP 565.680 GaAs1、P 550~900 GaAs 900 InPXAs 910~3150 Inp 920 In ga, As 850~1350
通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体 ，写作 GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x＞0.35时，可得 到Eg≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使 λ在550～900nm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。 材料 波长/nm 材料 波长/nm ZnS 340 CuSe-ZnSe 400～630 SiC 480 ZnxCd1-xTe 590～830 GaP 565,680 GaAs1-x Px 550～900 GaAs 900 InPxAs1-x 910～3150 InP 920 InxGa1-xAs 850～1350 表4.1-1 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17V 开启,绿色约为22V 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5V,为了安全 起见,使用时反向电压应在5V以下 I /mA GaasP(红 GaAsP(绿) 2 U/V
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1.7V 开启，绿色约为2.2V。 U/V I/mA 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5V，为了安全 起见，使用时反向电压应在5V以下。 -10 -5 0 1 2 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λ。除峰值波长λ决定发光颜色之外,峰的 宽度(用△λ描述)决定光的色彩纯度,△越小,其光色 越纯。 GaP GaAsP 入p=565nm x p=67Onm GaAs 入p=950nm 1.0 相对灵敏度 0.8 GaAsh 0.6 Ap=655nm 0.4 0.2 0 600 700 800 900 100 nm 发光二极管的光谱特性
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。 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 600 700 800 900 1000 GaAsP λp=670nm λp=655nm GaAsP λp=565nm GaP λp=950nm GaAs 发光二极管的光谱特性 λ/nm 相 对 灵 敏 度