光电传感技术讲义

1、光电传感技术基于光电效应原理工作的光电传感器，在检测和控制中应用非常广泛。本章主要介绍光敏电阻、硅光电池、光敏二极管、光敏晶体管等典型光电器件的光谱响应、频率响应、时间响应等主要参数与基本特性，特别介绍了光电位置传感器PSD。电磁波谱辐射的定义n “辐射”的本质是原子中电子的能级跃迁.低能级电子受某种外界能量激发,可跃迁至高能级,当处于非稳态的受激电子落入较低能级时,就会以“辐射”的形式向外传播能量.辐射源特性及其度量辐射源特性 （1）光谱特性 :辐射源强度随波长分布.据此,辐射源可 分为X线源、紫外光源、可见光源和红外辐源等. 根据辐射光谱分布的形状,可分为连续光谱和带状光谱等.（2）能量特性 : 能量的大小,分别以辐射功率、辐射强度和辐射亮度等参量来度量.（3）角度特性 :辐射源强度沿空间的角度分布. 可将辐射源分为:点光源(如太阳,星体等) ;.朗伯辐射源(其强度遵循余弦定律I= cos,如荧光屏,电影荧屏等;辐射强度定义为: 在单位时间,单位立体角内从点光源辐射出的能量.激光光源.辐射源特性辐射源的度量有两种：光度量制和辐射度量制。光度量制以人眼或经视见函数校正过的照度计作为探

2、测器；辐射度量制以无光谱选择性的真空热电偶作为探测器.辐射源的度量光电效应n光电效应是指因光照而引起物体电学特性改变的现象。n电学特性变化是指光照射物体时，物体发射电子、电导率发生变化或产生光电动势等。光电效应大致可归纳为两大类：n外光电效应物质受到光照后向外发射电子的 现象，这种效应多发生于金属和金属氧化物；n内光电效应物质受到光照后所产生的光电子 只在物质内部运动，而不会逸出物质外部的现象 ，这种效应多发生于半导体内。n内光电效应又可以分为光电导效应和光生伏特效 应。光电导效应n 光电导效应是指物体受光照射后，其内部产生光生载流子，使物体中载流子数显著增加而电阻减小的现象。这种效应在大多数半导体和绝缘体中都存在。而金属的电子能态与半导体和绝缘体不同，在光照下电阻没有改变，因此不产生光电导效应。 光电导体的灵敏度灵敏度通常指的是在一定条件下,单位照度所产生的光电流. 由于各种器件使用的范围及条件不一致,因此,灵敏度有各种不同的表示法.光电导体的灵敏度表示在一定的光强下光电导的强弱.光电导体的非平衡载流子寿命越长,迁移率越大,光电导体的灵敏度(光电流或光电增益)就越高.而且,光电导体的

3、灵敏度与电极间距L的平方成反比,这在光敏电阻器件等电极设计时有很大的参考意义.表征光电导体 最重要的参数为光电导的弛豫光电导是非平衡载流子效应,因此,有一定的弛豫现象: 光照射样品后,样品的光电导逐渐增加,最后达到定态;光照停止,样品的光电导在一定时间内逐渐消失.这种弛豫现象表现了光电导对光强变化反应的快慢.光电导上升或下降的时间就是弛豫时间,或称为响应时间(惯性).显然,弛豫时间长,表示光电导反应慢,称为惯性大;弛豫时间短,光电导反应快,称为惯性小. 光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下,一个光电器件能否有效工作的问题.表征光电导体 最重要的参数为在较低的光强下产生线性光电导,即光电导与光强呈线性关系,如Si,Ge等材料;在较高的光强下产生抛物线性光电导,即光电导与光强的平方根成正比.光电导与光强的关系:表征光电导体 最重要的参数为光电导的光谱分布光谱分布问题首先是光生载流子的激发问题,即某种波长的光能否激发出非平衡载流子以及效率如何的问题.n 由本征激发产生的光电导称为本征光电导,由杂质激发产生的光电导称为杂质光电导. 典型的本征光电导的光谱分布曲线.由图看出,不同的半导体光电导材

4、料,由于有不同的禁带宽度,对应有不同的光谱响应曲线.每条曲线都有一个峰值,峰值的长波部分曲线迅速下降.这是因为只有光子能量大于材料禁带宽度,才能激发产生电子-空穴对,引起本征光电导.在长波部分,一旦光子能量小于材料禁带宽度,就不足以将电子从价带激发到导带,这时光电导就迅速下降.因此,光谱分布存在长波限.光生伏特效应n 光生伏特效应是指，光照使不均匀半导体或均匀半导体中光电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象，是把光能变为电能的一种效应。n 因此光照在半导体PN结或金属半导体接触面上时，在PN结或金属半导体接触的两侧会产生光生电动势。丹倍效应: 在均匀半导体中没有内建电场,但当光照 这种半导体某一部分时, 光生载流子浓度剃度会引起载流子的扩散运动.电子和空穴的迁移率不相等,使得在这种不均匀光照下,两种电荷会由于载流子扩散速度 的不同而分开,从而产生光生电动势.这种现象称为丹 倍效应.光磁电效应: 如果存在磁场,也可使得扩散中的两 种载流子向相反方向偏转,从而产生光电动势,称为光 磁电效应.丹倍效应和光磁电效应光电发射效应n 光敏物质吸收光子后，电子从基态被激发到高能 态而脱离原子核的束缚

5、，从而在外电场作用下参与 导电，即发生内光电效应。n 如果被激发的电子能逸出光敏物质的表面而在外 电场作用下形成光电子流，这就是外光电效应或称 光电发射效应。n 在光电器件中，光电管、光电倍增管等光电器件 ，都是基于外光电效应理论的。1.斯托列托夫定律（光电发射第一定律）；当入射光频谱成分不变时,光电阴极的饱和光电发射电流Ik.与被阴极所吸收的光通量k(有时也用Fk表示)成正比,即Ik=Sk k式中,Sk为光电发射灵敏度的系数.2.爱因斯坦（Einstein）定律 （光电发射第二定律）发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而 线性地增大,而与入射光的光强无关.光电子发射的能量 关系符合爱因斯坦公式:3.光电发射的红限在入射光频谱范围内,光阴极存在着临界波长.当光波 长等于临界波长时,光电子刚刚能从阴极逸出.这个波长 通常称为光电发射的”红限”,或称为光电发射的阈波长 (光电阴极的长波阈0)显然,在红限处光电子的初速(即动能)应该为零.因 此h0=0,临界频率0= 0/h,所以临界波长为:最短波长的可见光(380nm)可在表面逸出功不超过3.2ev 的阴极材料中产生光电发射.4.光电发

6、射的瞬时性光电发射的延迟时间不超过310-13s.因此,可以认为 光电发射是无惯性的.光电发射可瞬时完成是由于它不牵 涉到电子在原子内迁移到亚稳态能级的物理过程.光电发射包括3个基本阶段: 电子吸收光子以后产生激发,即得到能量;得到能量的电子(受激电子)从发射体内向真 空界面运动(电子传输);这种受激电子越过表面势垒向真空逸出.光电探测传感器件n 利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的 器件称为光电探测传感器件，有时也称光电探测 传感器件。n 根据对辐射的作用方式不同（或说工作机理的 不同），光电探测传感器件（光电探测传感器件 ）可分为q光子探测传感器件q热电探测传感器件光电探测传感器件光子探测 传感器件 （基于量 子效应）热电探测 传感器件 （基于热 效应）外光电 效应光电管光电倍增管内光电 效应光敏电阻 （基于光电导效应）光生伏特效应 （基于光生伏 特效应）光敏二极管 光敏晶体管 光 电 池 雪崩光电管单晶型多晶型合金型本征型掺杂型热电堆 热电偶 热释电探测器 热敏电阻光电探测传感器件特点：.响应波长无选择性,对从可见光 到远红外的各种波长的辐射同样敏感;.响应慢,吸收辐射产生信

7、号需要 的时间长,一般在几毫秒以上.响应波长有 选择性,这些器 件都存在某一 截止波长,若超 过此波长,器件 无响应.这类器件特点: . 响应快,响应时间一 般为几十纳秒到几 百微妙.光电探测传感器件的基本特性参数n1.响应度（或称为灵敏度）q响应度是用来衡量光电探测传感器件的光-电转换效能 ，定义为光电传感器输出电压 U0 或输出电流I0 与入 射光功率 Pi 或通量 ）之比。即 式中，Sv 和 SI 分别称为电压响应度和电流响应度。 由于光电传感器的响应度随入射光的波长而变化，因此 又有光谱响应度和积分响应度。光电探测传感器件的基本特性参数2.光谱响应度 光谱响应度 S()(单位为V/W或A/W)是光电传感器的输出 电压或输出电流与入射到传感器上的单色辐通量（光通量 ）之比。即式中, S() 为光谱响应度;() 为入射的单色辐通量或光通量。 从上面的公式可看出，传感器的输出电压（或电流）值愈大 意味 着传感器愈灵敏。光电探测传感器件的基本特性参数3.积分响应度积分响应度表示传感器对连续辐射通量的 反应程度。对包含有各种波长的辐射光源，总 光通量为 : ，光电传感器输出的电流或电压与

8、入射总光通量之 比称为积分响应度。由于光电传感器输出的光电流是由不同波长的 光辐射引起的，所以输出光电流应为积分响应度为:由于采用不同的辐射源，甚至具有不同色温的 同一辐射源所发生的光谱通量分布也不相同，因此 提供数据时应指明采用的辐射源及其色温。光电探测传感器件的基本特性参数-4.响应时间n 当入射光辐射到光电传感器 后或入射光遮断后，光电传感 器的输出上升到稳定值或下降 到照射前的值所需时间称为响 应时间。n 当用一个辐射脉冲照射光电 传感器，如果这个脉冲的上升 和下降时间很短（如方波）， 则光电传感器的输出由于器件 的惰性而有延迟，把从10%上 升到90%峰值处所需的时间称 为传感器的上升时间(如右图)，n 而把从90%下降到10%处所 需的时间称为下降时间.图 上升时间和下降时 间光电探测传感器件的基本特性参数n5.频率响应n由于光电传感器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所 以入射光辐射的频率对光电传感器的响应将会有较大的影响 。n光电传感器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为 频率响应。n利用时间常数可得到光电传感器响应度与入射调制频率的关 系，其表达式为:式中，

9、S(f) 为频率是f时的响应度； S0 为频率是零时的响应度； 为时间常数， 可得放大器的上限截止频率为:显然，时间常数决定了光电传感器频率响应的带宽。光电探测传感器件的基本特性参数噪声的分类n .热噪声:热噪声也称为约翰逊噪声,即载流子 无规则的运动产生的噪声.n 当温度高于绝对零度时,导体或半导体中每一 电子都携带1.5910-19C电量作随机运动,尽管其 平均值为零,但瞬时电流扰动在导体两端会产生 一个方均根电压,称为热噪声电压.n 热噪声存在于任何电阻中,且与温度成正比, 与频率无关.n 噪声是各种频率分量的组成,就象白光是由各 种波长的光组成一样,所以热噪声可称为白噪声.噪声的分类n.散粒噪声n 散粒噪声也称散弹噪声,即穿越势垒的载流子的随机涨落(统计起伏)所造成的噪声.n 在每个时间间隔内,穿过势垒区的载流子数或从 阴极到阳极的电子数都围绕一平均值上下起伏.n散粒噪声也是白噪声.噪声的分类n.产生-复合噪声n 载流子的产生率与复合率在某个时间间隔也会在平均值上下起伏.这种起伏也会导致载流子浓度的起伏,从而产生方均噪声电流.1/f 噪声1/f 噪声也称闪烁噪声或低频噪声. 这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在,当电流经过时,在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲.频率越低,噪声越大,故也称低频噪声.噪声的分类（1）信噪比（S/N）:它是在负载电阻R上产生信号功率与噪声功率之比. （2）等效噪声输入（ENI）:器件在特定带宽内(1Hz)产生的方均根信号电流恰好等于方均根噪声电流值时的输入通量。（3）噪声等效功率（NEP）:也称最小可探测功率Pmin. 它定义为信号功率与噪声功率之比为1 (即 S/N =1) 时,入射到传感器件上的辐射通量.（4）探测率D与归一化探测率 D*:定义为噪声等效功率的倒数.（5）暗电流 Id : 是指光电探测传感器件在没有输入信号和背景

《光电传感技术讲义》由会员飞***分享，可在线阅读，更多相关《光电传感技术讲义》请在金锄头文库上搜索。