第8章 半导体光敏传感器基础ppt课件.ppt

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1、第8章光敏传感器光电信号8．1光电效应8．2光电器件8．3光源及光学元件光学术语名词：流明，光通量的单位。发光强度为1坎德拉(cd)的点光源，在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为“1流明”，英文缩写(lm)。照度：从同一方向看，在给定方向上的任何表面的每单位投影面积上的光照强度（光度）。单位为英尺朗伯。照度(Luminosity)指物体被照亮的程度，采用单位面积所接受的光通量来表示，表示单位为勒克斯(Lux,lx)，即lm/m2。1勒克斯等于1流明(lumen,lm)的光通量均匀分布于1m2面积上的光照度。照度是以垂直

2、面所接受的光通量为标准，若倾斜照射则照度下降。8.1光电效应8.1.1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=hJ∙s式中，h=普朗克常数，h=6.62610-34J∙s；—光的频率（s-1）。Einstein光电方程：h=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）。基本规律：红限频率0（又称光谱域值）

3、：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0（红限波长）为0=hc/A0（8-3）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。8.1光电效应8.1光电效应8.1.2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

4、导效应和光生伏特效应。8.1.2.1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0为0=hc/Eg(8-4)式中，h=普朗克常数；c—光速；Eg—半导体材料禁带宽度。8.1光电效应8.1.2.2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

5、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。8.2光电器件8.2.1光电管8.2.1.1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8-1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

6、子在光电管内形成电子流，在外电路中便产生光电流I。图8-1光电管的结构和工作原理8.2光电器件8.2.1.2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8-2（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8-2（c）所示。图8-2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8.2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

7、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0=0.7m，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0=1.2m，在近红外区（0.75~0.80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m）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

8、，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。8.2光电器件8.2.2光电倍增管8.2.2.1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8-3。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