第8章 半導(dǎo)體光敏傳感器基礎(chǔ)ppt課件.ppt

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1、第8章光敏傳感器光電信號8．1光電效應(yīng)8．2光電器件8．3光源及光學(xué)元件光學(xué)術(shù)語名詞：流明，光通量的單位。發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉(cd)的點(diǎn)光源，在單位立體角（1球面度）內(nèi)發(fā)出的光通量為“1流明”，英文縮寫(lm)。照度：從同一方向看，在給定方向上的任何表面的每單位投影面積上的光照強(qiáng)度（光度）。單位為英尺朗伯。照度(Luminosity)指物體被照亮的程度，采用單位面積所接受的光通量來表示，表示單位為勒克斯(Lux,lx)，即lm/m2。1勒克斯等于1流明(lumen,lm)的光通量均勻分布于1m2面積上的光照度。照度是以垂直

2、面所接受的光通量為標(biāo)準(zhǔn)，若傾斜照射則照度下降。8.1光電效應(yīng)8.1.1外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：當(dāng)光線照射在某些物體上，使物體內(nèi)的電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱為光電發(fā)射，逸出的電子稱為光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有：光電管和光電倍增管。光子能量：E=h?J?s式中，h=普朗克常數(shù)，h=6.626?10-34J?s；?—光的頻率（s-1）。Einstein光電方程：h?=mv02/2+A0式中，m—電子質(zhì)量；v0—逸出電子的初速度；A0—物體的逸出功（或物體表面束縛能）?；疽?guī)律：?紅限頻率?0（又稱光譜域值）

3、：剛好從物體表面打出光電子的入射光波頻率，隨物體表面束縛能的不同而不同，與之對應(yīng)的光波波長?0（紅限波長）為?0=hc/A0（8-3）式中，h=普朗克常數(shù)；c—光速；A0—物體的逸出功。?當(dāng)入射光頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電子（或光電流）與光強(qiáng)成正比。?逸出光電子具有初始動能Ek=mv02/2，故外光電器件即使沒有加陽極電壓，也會產(chǎn)生光電流，為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓。8.1光電效應(yīng)8.1光電效應(yīng)8.1.2內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照射在物體上。使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電

4、導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。8.1.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，材料內(nèi)電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。入射光能導(dǎo)出光電導(dǎo)效應(yīng)的臨界波長?0為?0=hc/Eg(8-4)式中，h=普朗克常數(shù)；c—光速；Eg—半導(dǎo)體材料禁帶寬度。8.1光電效應(yīng)8.1.2.2光生伏特效應(yīng)在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；诠馍匦?yīng)的光電器件有光電池和光敏晶體管。1．勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)

5、域時(shí)，若光子能量大于其禁帶寬度Eg，使價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子—空穴對，由于阻擋層內(nèi)電場的作用，形成光電動勢的現(xiàn)象稱為結(jié)光電效應(yīng)。2．側(cè)向光電效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，由于載流子（光照產(chǎn)生的電子—空穴對）濃度梯度的存在將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。光照強(qiáng)的部分帶正電，光照弱的部分帶負(fù)電。8.2光電器件8.2.1光電管8.2.1.1光電管的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：真空（或充氣）玻璃泡內(nèi)裝兩個(gè)電極：光電陰極和陽極，陽極加正電位。如圖8-1所示。原理：當(dāng)光電陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)發(fā)射光電子，在中央帶正電的陽極吸引下，光電

6、子在光電管內(nèi)形成電子流，在外電路中便產(chǎn)生光電流I。圖8-1光電管的結(jié)構(gòu)和工作原理8.2光電器件8.2.1.2光電管的特性1．伏—安特性當(dāng)入射光的頻譜和光通量一定時(shí)，陽極電壓與與陽極電流之間的關(guān)系稱為伏—安特性。如圖8-2（a）、（b）所示。2．光電特性當(dāng)光電管的陽極與陰極間所加電壓和入射光譜一定時(shí)，陽極電流I與入射光在光電陰極上的光通量Φ之間的關(guān)系。如圖解8-2（c）所示。圖8-2光電管的特性（a）真空光電管伏安特性；（b）充氣光電管伏安特性；（c）光電管的光電特性8.2光電器件3．光譜特性同一光電管對于不同頻率的光的靈敏

7、度不同，這就是光電管的光譜特性。銻銫（Cs3Sb）材料陰極，紅限波長?0=0.7?m，對可見光的靈敏度較高，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20%~30%；銀-氧-銫光電陰極，構(gòu)成紅外探測器，其紅限波長?0=1.2?m，在近紅外區(qū)（0.75~0.80?m）的靈敏度有極大值，靈敏度較低，但對紅外較敏感；銻鉀鈉銫陰極光譜范圍較寬（0.3~0.85?m）靈敏度也較高，與人眼的光譜特性很接近，是一種新型光電陰極；對紫外光源，常采用銻銫陰極和鎂鎘陰極。光譜特性用量子效率表示。對一定波長入射光的光子射到物體表面上，該表面所發(fā)射的光電子平均數(shù)，稱為量子效率

8、，用百分?jǐn)?shù)表示，它直接反映物體對這種波長的光的光電效應(yīng)的靈敏度。8.2光電器件8.2.2光電倍增管8.2.2.1光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：由光電陰極、若干倍增極和陽極組成，如圖8-3。原理：光電倍增管工作時(shí)，各倍增極（D1、D2、D3…）和陽極均加上電壓，并依次升高，陰極K電位最低，陽極A電位最高