光電傳感原理

光電傳感原理第一頁，共二十八頁，2022年，8月28日光電傳感技術2.1電磁波譜2.2輻射源特性及其度量2.3光電效應2.4光電探測傳感器件第二頁，共二十八頁，2022年，8月28日電磁波譜圖2-1電磁波譜第三頁，共二十八頁，2022年，8月28日光的特性光是電磁波譜中的一員，不同波長光的分布如圖4-2所示，這些光的頻率（波長）各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。

第四頁，共二十八頁，2022年，8月28日由光的粒子說可知，光是以光速運動著的粒子（光子）流，一種頻率的光由能量相同的光子所組成，每個光子的能量為式中h-普郎克常數(shù)，h＝6.626×10－34J?s

可見，光的頻率愈高（即波長愈短），光子的能量愈大。

對于光的計量有兩種描述方法：一種是測量其客觀物理實質(zhì)的輻射度學量，另一種是測量其對人眼生理作用的光度學量。第五頁，共二十八頁，2022年，8月28日輻射源特性及其度量輻射源特性（1）光譜特性：輻射源的輻射強度隨波長分布。（2）能量特性：能量大小。輻射光功率通量，光強度，光亮度（3）角度特性：輻射源的強度沿空間角度分布。第六頁，共二十八頁，2022年，8月28日輻射源的度量對輻射源的度量有兩種：光度量制和輻射度量制。光度量制以人眼或經(jīng)視見函數(shù)校正過的照度計作為探測器；輻射度量制以無光譜選擇性的真空熱電偶作為探測器

第七頁，共二十八頁，2022年，8月28日名稱（中英文）符號單位名稱單位代號輻射能（Radiantenergy）Q焦耳J輻射通量（Radiantflux）Φ瓦特W輻射強度(Radiantintensity)I瓦/球面度W/sr輻射度（Radiantexintence）M瓦/米2W/m2輻射亮度（Radiance）L瓦/米2·球面度W/m2·sr輻照度（Irradiane）E瓦/米2W/m2輻射度學量單位第八頁，共二十八頁，2022年，8月28日名稱（中英文）符號單位名稱單位代號光能量（Luminousenergy）Q流明·秒lm·s光通量（Luminousflux）Φ流明lm光強度（Luminousintensity）I坎德拉流明/球面度cdlm/sr發(fā)光度（Luminousexintence）M流明/米2·球面度lm/m2光亮度（Luminance）L坎德拉/米2（尼特）流明/米2·球面度cd/m2（nit）lm/m2·sr光照度（Illuminance）E流明/米2（勒克斯）lm/m2（lx）光度學量單位第九頁，共二十八頁，2022年，8月28日光電效應光電效應是指因光照而引起物體電學特性改變的現(xiàn)象。電學特性變化是指光照射物體時，物體發(fā)射電子、電導率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢等。光電效應大致可歸納為兩大類：外光電效應——物質(zhì)受到光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象，這種效應多發(fā)生于金屬和金屬氧化物；內(nèi)光電效應——物質(zhì)受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運動，而不會逸出物質(zhì)外部的現(xiàn)象，這種效應多發(fā)生于半導體內(nèi)。內(nèi)光電效應又可以分為光電導效應和光生伏特效應。第十頁，共二十八頁，2022年，8月28日光電導效應光電導效應是指物體受光照射后，其內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使物體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。這種效應在很多半導體和絕緣體中都存在。而金屬的電子能態(tài)與半導體和絕緣體不同，在光照下電阻沒有改變，因此不產(chǎn)生光電導效應。表征光電導體器件，最重要的參數(shù)為1、靈敏度：指在一定條件下，單位照度所產(chǎn)生的電流。2、弛豫時間（惰性）：非平衡載流子效應，表示光電導上升或者下降的時間，稱馳豫時間。光照射樣品后，樣品的光電導逐漸增加，最后達到定態(tài)；光照停止，樣品的光電導在一段時間內(nèi)逐漸消失。表征了光電導對光強變化反應的快慢。第十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日3光譜特性指光電導的大小與照射光的波長有密切關系。光電導器件（光敏電阻）的光譜特性

存在長波波限：由半導體材料的禁帶寬度決定。第十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日光生伏特效應光生伏特效應是指，光照使不均勻半導體或均勻半導體中光電子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象，是把光能變?yōu)殡娔艿囊环N效應。因此光照在半導體PN結(jié)或金屬半導體接觸面上時，在PN結(jié)或金屬半導體接觸的兩側(cè)會產(chǎn)生光生電動勢。第十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日光電發(fā)射效應光敏物質(zhì)吸收光子后，電子從基態(tài)被激發(fā)到高能態(tài)而脫離原子核的束縛，從而在外電場作用下參與導電，即發(fā)生內(nèi)光電效應。如果被激發(fā)的電子能逸出光敏物質(zhì)的表面而在外電場作用下形成光電子流，這就是外光電效應或稱光電發(fā)射效應。在光電器件中，光電管、光電倍增管等光電器件，都是基于外光電效應理論的。1.斯托列托夫定律（光電發(fā)射第一定律）；2.愛因斯坦（Einstein）定律（光電發(fā)射第二定律）第十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日3.光電發(fā)射的紅限

一個電子只能接受一個光子的能量.

要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子能量ε大于該物體的表面逸出功A。各種不同的材料具有不同的逸出功A，因此對某特定材料而言，將有一個頻率限νo(或波長限λo)，稱為“紅限”:第十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日(externalphotoelectriceffect)紅限波長可用下式求得：

當入射光的頻率低于νo時(或波長大于λo)，不論入射光有多強，也不能激發(fā)電子；當入射頻率高于νo時，不管它多么微弱也會使被照射的物體激發(fā)電子，光越強則激發(fā)出的電子數(shù)目越多。

式中c——光速第十六頁，共二十八頁，2022年，8月28日4.光電發(fā)射的瞬時性光電發(fā)射延遲時間不超過3*10E-13S，包括三個階段：（1）電子吸收光子，產(chǎn)生激變（2）受激電子從發(fā)射體內(nèi)向真空面運動（3）受激電子越過表面勢壘向真空逸出。第十七頁，共二十八頁，2022年，8月28日光電探測傳感器件利用物質(zhì)的光電效應把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件稱為光電探測傳感器件，有時也稱光電探測傳感器件。根據(jù)對輻射的作用方式不同（或說工作機理的不同），光電探測傳感器件（光電探測傳感器件）可分為光子探測傳感器件熱電探測傳感器件第十八頁，共二十八頁，2022年，8月28日光電探測傳感器件

光電管外光電效應光電倍增管本征型單晶型光子探測傳感器件摻雜型（基于量子效應）光敏電阻多晶型（基于光電導效應）合金型內(nèi)光電效應 光敏二極管光電探測傳感器件光生伏特效應 光敏晶體管 （基于光生伏特效應） 光電池 雪崩光電管 熱電堆 熱電偶熱電探測傳感器件熱釋電探測器（基于熱效應）熱敏電阻表2?4各類光電效應及其相應器件第十九頁，共二十八頁，2022年，8月28日光電探測傳感器件光電探測傳感器件的基本特性參數(shù)響應度響應時間頻率響應參數(shù)描述噪聲的基本參數(shù)半導體光電探測傳感器件光電探測傳感器件主要特性比較與選用原則第二十頁，共二十八頁，2022年，8月28日光電探測傳感器件的基本特性參數(shù)1.響應度（或稱為靈敏度）響應度是用來衡量光電探測傳感器件的光-電轉(zhuǎn)換效能，定義為光電傳感器輸出電壓或輸出電流與入射光功率（或通量）之比。即

式中，和分別稱為電壓響應度和電流響應度。由于光電傳感器的響應度隨入射光的波長而變化，因此又有光譜響應度和積分響應度。（2-3）第二十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日光電探測傳感器件的基本特性參數(shù)2.光譜響應度光譜響應度（單位為V/W或A/W）是光電傳感器的輸出電壓或輸出電流與入射到傳感器上的單色輻通量（光通量）之比。

即

式中，為光譜響應度；為入射的單色輻通量或光通量。從式(2-4)可看出，傳感器的輸出電壓（或電流）值愈大意味著傳感器愈靈敏。（2-4）第二十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日光電探測傳感器件的基本特性參數(shù)3.積分響應度積分響應度表示傳感器對連續(xù)輻射通量的反應程度。對包含有各種波長

的輻射光源，總光通量為，光電傳感器輸出的電流或電

壓與入射總光通量之比稱為積分響應度。由于光電傳感器輸出的光電流是由不同的波長的光輻射引起的，所以輸出光電流應為積分響應度為

由于采用不同的輻射源，甚至具有不同色溫的同一輻射源所發(fā)生的光譜通量分布也不相同，因此提供數(shù)據(jù)時應指明采用的輻射源及其色溫。光電傳感器的長波限光電傳感器的短波限第二十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日光電探測傳感器件的基本特性參數(shù)4.響應時間響應時間是描述光電傳感器對入射輻射響應快慢的一個參數(shù)，即當入射輻射到光電傳感器后或入射輻射遮斷后，光電傳感器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應時間。常用時間常數(shù)的大小來表示。當用一個輻射脈沖照射光電傳感器，如果這個脈沖的上升和下降時間很短（如方波），則光電傳感器的輸出由于器件的惰性而有延遲，把從10%上升到90%峰值處所需的時間稱為傳感器的上升時間，而把從90%下降到10%處所需的時間稱為下降時間，如圖2-4所示。圖2-4上升時間和下降時間第二十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日光電探測傳感器件的基本特性參數(shù)5.頻率響應由于光電傳感器信號的產(chǎn)生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光輻射的頻率對光電傳感器的響應將會有較大的影響。光電傳感器的響應隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應。利用時間常數(shù)可得到光電傳感器響應度與入射調(diào)制頻率的關系，其表達式為

式中，為頻率是f時的響應度；為頻率是零時的響應度；為時間常數(shù)，。當時，可得放大器的上限截止頻率為顯然，時間常數(shù)決定了光電傳感器頻率響應的帶寬。tt=RC第二十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日描述噪聲的基本參數(shù)1.熱噪聲2.散粒噪聲3.產(chǎn)生-復合噪聲4