《传感器原理与应用》课程教学资源（PPT课件讲稿）第八章 光电式传感器

光电式传感

1 第八章 光电式传感器

8.1概述 811光的特性 光波是波长为10~10nm的电磁波。其中可 见光的波长范围在380~780mm,紫外线的波 长范围是10~380nm,红外线的波长范围是 780~106nm

2 8.1 概 述 8.1.1 光的特性 光波是波长为10~106nm的电磁波。其中可 见光的波长范围在380~780nm，紫外线的波 长范围是10~380nm，红外线的波长范围是 780~106nm

光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉 和吸收等性质。由光的粒子说可知,光是 以光速运动着的粒子(光子)流,一束频 率为y的光由能量相同的光子所组成,每个 光子的能量为E=hv h—普朗克常数,6626×10-34Js; u光的频率(单位s1)。 可见,光的频率愈高(即波长愈短),光 子的能量愈大

3 光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉 和吸收等性质。由光的粒子说可知，光是 以光速运动着的粒子（光子）流，一束频 率为ν的光由能量相同的光子所组成，每个 光子的能量为 h——普朗克常数，6.626×10-34J·s； ν——光的频率（单位s -1）。 可见，光的频率愈高（即波长愈短），光 子的能量愈大。 E = h

82.2光源(发光器件) 1.白炽光源 用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通, 般自炽灯的辐射光谱是连续的。 发光范围:可见光、大量红外线和紫外线 ,所以任何光敏元件都能和它配合接收到 光信号。 特点:寿命短而且发热大、效率低、动态 特性差,但对接收光敏元件的光谱特性要 求不高,是可取之处

4 8.2.2 光源（发光器件） 1. 白炽光源 用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通， 一般白炽灯的辐射光谱是连续的。 发光范围：可见光、大量红外线和紫外线 ，所以任何光敏元件都能和它配合接收到 光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态 特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要 求不高，是可取之处

2.气体放电光源 定义:利用电流通过气体产生发光现象制 成的灯。 气体放电灯的光谱是不连续的,光谱与气 体的种类及放电条件有关。改变气体的成 分、压力、阴极材料和放电电流大小,可 得到主要在某一光谱范围的辐射

5 2. 气体放电光源 定义：利用电流通过气体产生发光现象制 成的灯。 气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气 体的种类及放电条件有关。改变气体的成 分、压力、阴极材料和放电电流大小，可 得到主要在某一光谱范围的辐射

低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光 谱仪器中常用的光源,统称为光谱灯。例 如低压汞灯的辐射波长为254nm,钠灯的 辐射波长为589nm,可被用作单色光源。 如果光谱灯涂以荧光剂,由于光线与涂层 材料的作用,荧光剂可以将气体放电谱线 转化为更长的波长,通过对荧光剂的选择 可以使气体放电发出某一范围的波长,如 照明日光灯。 气 体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/36

6 低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光 谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例 如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的 辐射波长为589nm，可被用作单色光源。 如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层 材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线 转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择 可以使气体放电发出某一范围的波长，如 照明日光灯。 气 体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3

3.发光二极管( LED-Light Emitting Diode) 由半导体PN结构成,其工作电压低、响应 速度快、寿命长、体积小、重量轻,因此 获得了广泛的应用

7 由半导体PN结构成，其工作电压低、响应 速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此 获得了广泛的应用。 3. 发光二极管（LED——Light Emitting Diode）

半导体中,由于空穴和电子的扩散,在PN 结处形成势垒,从而抑制了空穴和电子的 继续扩散。当PN结上加有正向电压时,势 垒降低,电子由N区注入到P区,空穴则由 P区注入到N区,称为少数载流子注入。所 注入到P区里的电子和P区里的空穴复合 注入到N区里的空穴和N区里的电子复合, 这种复合同时伴随着以光子形式放出能量 ,因而有发光现象

8 半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN 结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的 继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势 垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由 P区注入到N区，称为少数载流子注入。所 注入到P区里的电子和P区里的空穴复合， 注入到N区里的空穴和N区里的电子复合， 这种复合同时伴随着以光子形式放出能量 ，因而有发光现象

电子和空穴复合,所释放的能量E等 于PN结的禁带宽度(即能量间隙)。所放 出的光子能量用h表示,h为普朗克常数 光的频率。则 hv=e E B乡 普朗克常数h=66×1034J; 光速c=3×108m/s; E的单位为电子伏(eV), 1eV=16×1019J

9 电子和空穴复合，所释放的能量Eg等 于PN结的禁带宽度（即能量间隙）。所放 出的光子能量用hν表示，h为普朗克常数， ν为光的频率。则 Eg hc  = Eg c h =  h = Eg 普朗克常数h=6.6╳10-34J.s； 光速c=3╳108m/s； Eg的单位为电子伏（eV）， 1eV=1.6╳10-19J

hc=198×1026mWs=124×107mev 可见光的波长近似地认为在7×107m以下, 所以制作发光二极管的材料,其禁带宽度至 少应大于hc/=18eV 普通二极管是用锗或硅制造的,这两种材料 的禁带宽度分别为067eV和1.12eV, 显然不能使用。 10

10 hc=19.8×10-26m•W•s=12.4×10-7m•eV 可见光的波长λ近似地认为在7×10-7m以下， 所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至 少应大于 h c /λ=1.8 eV 普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料 的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV， 显然不能使用