传感器原理及应用技术第8章

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1、第8章光电传感器　第8章光电传感器8.1光电传感器的基本效应8.2外光电效应光电器件8.3光电导效应及光电元件8.4光电伏特效应及光电元件8.5CCD图像传感器8.6应用光路思考题与习题第8章光电传感器　8.1光电传感器的基本效应　8.1.1半导体的粒子特性　光敏器件所探测的光,包括可见光、紫外线和红外光,在整个电磁辐射的频谱中只占很小一部分。光具有波粒二象性,光的粒子性可用光子的概念描述。　沿r方向传播的频率为ν的单色光,可视为一束光子流,其中每个光子具有的能量E和动能P分别为E=hν(8.1)hrP(8.2)第8章光

2、电传感器　式中：h——普朗克常数,其值为6.626×10-34J·s；　-1ν——光的频率（s）;λ——光的波长。　这样,单色光的辐射功率就可写为P（ν）=A·F·hν(8.3)式中：F——光子流密度（单位时间通过单位面积的光子数）；　A——光子流通过的面积。　量子力学指出,光的发射和吸收是与量子态间的跃迁过程相联系的,在此过程中,光表现出其粒子性。在发射时,光源系统由高能态E向低能态E跃迁,同时按能量守恒定律发21射光子：hν=E-E(8.4)21第8章光电传感器　在吸收时,介质吸收光子hν后就从低能态E跃迁到1高能态E。

3、按能量守恒定律,介质系统跃迁前后的能量2差应为E-E=hν(8.5)21即根据能量守恒定律,光源只能发出由式（8.4)描述的光子,也只有符合式（8.5）的光子才能被介质吸收。吸收和发射只有在计及光子动量并服从准动量守恒定则（选择定则）时才能发生。　光在半导体中传播时的衰减,是半导体内电子吸收光子后从低能态向高能态跃迁的结果。在其诸多吸收过程中,本征吸收是光敏器件的工作基础。第8章光电传感器　本征吸收又称基本吸收,其相应的跃迁过程是：价带电子吸收了能量大于或等于禁带宽度的光子后,跃至导带,产生自由电子,并在价带留下自由空穴。因

4、此,在本征吸收时,每吸收一个光子,就产生一个电子-空穴对。由于在本征吸收过程中被吸收的光子要满足的条件是hν=E(8.6)g且导带是由一系列能量间隔很小的能级组成的,所以本征吸收谱是连续谱。　第8章光电传感器　8.1.2光电效应　半导体光电效应是半导体中束缚电子在吸收光子后所产生的电学效应,它是各类光敏器件工作的基本原理。　半导体光电效应可分为内光电效应和外光电效应两大类。半导体内的电子在吸收光子后,如能克服表面势垒逸出半导体表面,就会产生外光电效应。光电管、光电倍增管等就是基于外光电效应制成的光电器件。　半导体内的电子吸收

5、光子后不能跃出半导体,则所产生的电学效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理可分为光电导效应和光生伏特效应。内光电效应的种类很多,可据此制成不同的光敏器件。　第8章光电传感器　8.2外光电效应光电器件　8.2.1光电管　光电管的结构如图8.1所示。在一个抽成真空的玻璃泡内装有两个电极：阳极和光电阴极（简称阴极）。当阴极受到适当波长的光线照射时便发射光电子,光电子被带正电位的阳极所吸引,这样在光电管内就有电子流,在外电路中便产生了电子流,输出电压。光电流的大小与照射在光电阴极上的光强度成正比,并与光电阴极的材料有关。当光通量

6、一定时,真空光电管阳极电压与阳极电流的伏安特性曲线见图8.2。　第8章光电传感器　3322111—阳极；2—光电阴极；3—玻璃泡图8.1光电管的结构第8章光电传感器　光电管除真空光电管外,还有充气光电管。这两种光电管的结构基本相同,所不同的只是在充气光电管玻璃泡内充有少量的惰性气体,如氩或氖。当光电极被光照射而发射电子时,光电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的原子,使其电离,从而使阳极电流急速增加,提高了光电管的灵敏度。但其稳定性、频率特性等都比真空光电管的差。图8.3给出了充气光电管的伏安特性曲线。　第8章光电传感器　光通量

7、阳极电流阳极电压图8.2真空光电管的伏安特性曲线第8章光电传感器　阳极电流阳极电压图8.3充气光电管的伏安特性曲线第8章光电传感器　8.2.2光电倍增管　光电倍增管的结构如图8.4所示。它是在玻璃管4内由光电阴极1（K）、若干个倍增极2(Dn,n=4～14）和阳极3（A）三部分组成。由一定材料制成的光电阴极K受入射光Φ照射时,可发射出光电子,形成光电流i。Φ因倍增极和阳极上加有一定的电位（图中经分压电阻获得）,光电阴极发射的光电子被第一倍增极D的正电1压所加速,而轰击第一倍增极D,打击出二次电子；同样,1二次电子又被第二倍增

8、极D的正电压所加速,而轰击第2二倍增极D,打击出更多的二次电子。依次下去,最后全2部二次电子被带正电位的阳极　A　所收集,形成光电流i。第8章光电传感器　23(A)4UscR1(K)DDDD4321RRRRR54321－E1—光电阴极；2—倍增极；3—阳极；4—玻璃管图8.4光电倍增管的结