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1、第6章光敏傳感器本章課程安排6.1概述6.2光電效應傳感器6.3光生伏特效應器件6.4光敏二極管6.5光敏晶體管6.6色敏光電傳感器6.7光電耦合器件6.8紅外熱釋電光敏器件6.9固態(tài)圖像傳感器6.10光纖傳感器小結概述光敏傳感器就是將光能轉(zhuǎn)換為相應電能的裝置，又稱為光電式傳感器。從目的上講，它是探測光信號的器件，也可以稱為光電探測器。6.1.1光譜按通常定義，光指的是頻率為1011Hz（遠紅外線）～1017Hz（遠紫外線）范圍內(nèi)的電磁波譜，單個光子的能量E可由式（6-1）求出（h是普朗克常數(shù)，?是光的頻率
2、）E=h?（單位：J或eV）（6-1）波長與頻率的關系如下（c為光速，?是光的波長）?=c/?6.1可見，光是電磁波譜中人眼可以感知的部分。根據(jù)人眼對光的感應，把波長小于380nm的電磁波稱為紫外線，圖6-1各種波長的相對光強，在人眼而把波長大于650最敏感的波長555nm處歸一化nm的電磁波稱為紅外線，如圖6-1所示。光譜分布如圖6-2所示。圖6-2光譜分布圖6.1.2光學傳感器的相關計量單位輻射度學：測量純粹的、原始的能量流，與波長無關。單位W（瓦特）。光度學：測量人眼可視的波長范圍內(nèi)的能量流。單位lm
3、（流明）。光強：單位面積上的輻射度。單位W/m2。發(fā)光強度：1坎德拉（cd）是指，在給定方向上，相應于人眼系統(tǒng)敏感最高峰的光的強度，而且在此方向上的輻射強度為1/683瓦特每球面度。光通量：光源在單位時間內(nèi)向周圍空間輻射的、能引起視覺反應的能量，即可見光的能量。光的照度：在一個面上的光通密度，它是射入單位面積內(nèi)的光通量，單位是lx（勒克斯）。6.1.3光源一般而言，光電式傳感器對光源具有如下要求：①光源必須具有足夠的照度；②光源應保證均勻、無遮擋或陰影；③光源的照射方式應符合傳感器的測量要求；④光源的發(fā)熱量
4、應盡可能??；⑤光源發(fā)出的光必須具有合適的光譜范圍。光電效應傳感器6.2.1外光電效應及器件1．外光電效應光電傳感器的工作原理基于光電效應。光電效應分為外光電效應和內(nèi)光電效應兩大類。外光電效應是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應。在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。向外發(fā)射的電子叫做光電子。光子是具有能量的粒子，每個光子的能量為E=（6-4）6.2式中，h為普朗克常數(shù)，即6.626×10-34J·s；v為光的頻率（Hz）。根據(jù)愛因斯坦假設，一個電
5、子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。根據(jù)能量守恒定理有（6-5）式中，m為電子質(zhì)量；v0為電子逸出速度。該方程稱為愛因斯坦光電效應方程。圖6-3所示為測定逸出電子隨光的強度和光頻率變化的實驗，圖6-4是光電流隨光強變化的曲線。圖6-3光電發(fā)射檢測裝置圖6-4光電流隨光強的變化曲線2．光電發(fā)射二極管通常，人們把檢測裝置中發(fā)射電子的極板稱為陰極，吸收電子的極板稱為陽極，且將兩者封于同一殼內(nèi)，連上電極，就成為光電二極
6、管。按照光電發(fā)射二極管的原理可以分為真空光電二極管和充氣光電二極管兩類。（1）真空光電二極管將一個陽極和一個陰極同裝于一個真空玻璃內(nèi)，引出兩個電極就構成一個真空光電二極管。圖6-5是兩個典型的真空光電二極管結構示意圖。圖6-5真空光電二極管結構示意圖將真空光電二極管按照圖6-6所示的測量電路連接，測得其I-V特性曲線如圖6-7所示。由圖可以看出，同一光強下Ia-Va曲線中，在0～20V范圍內(nèi)，陽極電壓增大，光電子達到陽極的數(shù)目也增大，陽極電流急劇增大；當陽極電壓大于20V后，幾乎全部發(fā)圖6-6測量電路圖6-
7、7I-V特性曲線射電子都已到達陽極，電壓再增大，電流幾乎不變，曲線平坦，此部分稱為飽和區(qū)，一般工作電壓選擇在飽和區(qū)但要盡可能小一些。而隨著光強的增加，產(chǎn)生的光電子數(shù)就增多，所以光電流與光強成正比。（2）充氣光電二極管充氣光電二極管結構與真空管相似，只是管殼內(nèi)充有低壓惰性氣體（氬氣和氖氣）。充入惰性氣體可以起到電子倍增效應，使到達陽極的電子數(shù)目比真空二極管所產(chǎn)生的電子數(shù)目大得多，相當于具有一定的放大倍數(shù)，可達10倍左右。圖6-8是充氣光電二極管的伏安特性曲線。實用光電發(fā)射材料應該具備三個條件：①光吸收系數(shù)大；
8、②光電子在體內(nèi)傳輸?shù)襟w外的過程中能量損失小，使逸出深度大；③電子親和勢較低，使表面的逸出概率提高。一般金屬材料只適于做紫外靈敏的光電器件。半導體材料對可見光、紅外光都很敏感，所以半導體被廣泛用做光電陰極。表6-1是一些材料光電陰的主要性能。圖6-8充氣光電二極管伏安特性曲線表6-1材料光電陰極的主要性能3．光電倍增管（1）光電倍增管原理圖6-9光電倍增管的結構當具有足夠動能的電子轟擊倍增極時，該倍增極表面將有電子
