吉林大学：《传感器原理及检测技术》课程PPT教学课件（讲稿）第四章 光电式传感器 第一节 概述 第二节 外光电效应器件 第三节 内光电效应器件 第四节 新型光电传感器 第五节 光敏传感器的应用举例

第四章光电式传感器 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转 换的关键元件,它是把光信号(红外、可见及 紫外光辐射)转变成为电信号的器件 第一节概迷 第二节外光电放应蚤件 第三节内光电就应资件 第四节新克电传感蛋 第亞节光敏传惑骺的应用举例

第四章 光电式传感器 第一节 概述 第二节 外光电效应器件 第三节 内光电效应器件 第四节 新型光电传感器 第五节 光敏传感器的应用举例 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转 换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及 紫外光辐射）转变成为电信号的器件

第一节述 光谱 光波:波长为10106nm的电磁波 可见光:波长380780nm 紫外线:波长10—380nm, 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线, 红外线:波长780—106m 波长3um(即3000nm)以下的称近红外线 波长超过3um的红外线称为远红外线 光谱分布如图所示

一 、光谱 光波：波长为10—106nm的电磁波 可见光：波长380—780nm 紫外线：波长10—380nm， 波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线， 红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。 第一节 概 述

0.01 0.1 0.05 0.5 波长/m 极远紫外 远近同见光近红外远红外 紫紫 外外 f6 10 10 5×105 5×104 5×103 波数/cm1 3×1018 1065×1015 1025×1014 1014 5×1013 频率/Hz 100 10 50 0.5 光子能量ev 光的波长与频率的关系由光速确定,真空中的光速 299793×1010cm/s,通常C3×1010cm/s。光的波长 和频率v关系为 V=3×1010cm/s v的单位为Hz,的单位为cm

远 紫 外 近 紫 外 极远紫外 可见光 近红外 远红外 0.01 0.1 1 10 0.05 0.5 5 波长/μm 波数/cm -1 频率/Hz 光子能量/eV 106 105 104 103 5×105 5×104 5×103 1015 5×1014 1014 5×1013 100 10 1 50 5 0.5 5×10 10 15 16 3×1018 光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速 c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波长 λ和频率ν的关系为 ν的单位为Hz，λ的单位为cm。 νλ=3×1010cm / s

二、光源(发光景件) 1、钨丝白炽灯 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:可见光外、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 在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘 钨灯,其体积较小,光效高,寿命也较长

二、光源（发光器件） 1、钨丝白炽灯 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：可见光外、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。 在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘 钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长

2、气体放电灯 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,它们经常用 作光电检测仪器的单色光源。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,目前荧光剂的选择范围很广 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仅为白炽灯1/2-1/3

2、气体放电灯 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，它们经常用 作光电检测仪器的单色光源。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，目前荧光剂的选择范围很广， 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仅为白炽灯1/2—1/3

3、发光二极管LED( Light Emitting Diode) 由半导体FN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。 在半导体PN结中,P区的空穴由于扩散而移动到N 区,N区的电子则扩散到P区,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

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。 在半导体PN结中，P区的空穴由于扩散而移动到N 区，N区的电子则扩散到P区，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hv表示, h为普朗克常数,ν为光的频率。则 E的单位为电子伏(eV),1eV=1.6×10京/N hv=e →h E 普朗克常数h=66×1034Js;光速c=3×108m/ hc=198×1026mW·s=12.4×10meV。 可见光的波长λ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 hcn=l. 8eV 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067eV和1.12eV,显然不能使用

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=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

通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体,写作 GaAs1P,x代表磷化镓的比例,当x>0.35时,可得 到g≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长,使 入在550~900nm间变化,它已经进入红外区。 与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。 表4.1-1LED材料 材料 波长mm 材料 波长mm Zns 340 CuSe-ZnSe 400~630 SIC 480 ZnCd1、Te 590~830 GaP 565.680 GaAs1、P 550~900 GaAs 900 InPXAs 910~3150 Inp 920 In ga, As 850~1350

通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体 ，写作 GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x＞0.35时，可得 到Eg≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使 λ在550～900nm间变化，它已经进入红外区。 与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。 材料 波长/nm 材料 波长/nm ZnS 340 CuSe-ZnSe 400～630 SiC 480 ZnxCd1-xTe 590～830 GaP 565,680 GaAs1-x Px 550～900 GaAs 900 InPxAs1-x 910～3150 InP 920 InxGa1-xAs 850～1350 表4.1-1 LED材料

发光二极管的伏安特性与普通二极管相似,但随 材料禁带宽度的不同,开启(点燃)电压略有差异 图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线,红色约为17V 开启,绿色约为22V 注意,图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般 而言,发光二极管的反向击穿电压大于5V,为了安全 起见,使用时反向电压应在5V以下 I /mA GaasP(红 GaAsP(绿) 2 U/V

发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随 材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。 图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V 开启，绿色约为2.2V。 U/V I/mA 注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般 而言，发光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全 起见，使用时反向电压应在5V以下。 -10 -5 0 1 2 GaAsP(红) GaAsP(绿)

发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的 曲线有两根,这是因为其材质成分稍有差异而得到不同 的峰值波长λ。除峰值波长λ决定发光颜色之外,峰的 宽度(用△λ描述)决定光的色彩纯度,△越小,其光色 越纯。 GaP GaAsP 入p=565nm x p=67Onm GaAs 入p=950nm 1.0 相对灵敏度 0.8 GaAsh 0.6 Ap=655nm 0.4 0.2 0 600 700 800 900 100 nm 发光二极管的光谱特性

发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的 曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同 的峰值波长λp 。除峰值波长λp决定发光颜色之外，峰的 宽度（用Δλ描述）决定光的色彩纯度，Δλ越小，其光色 越纯。 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 600 700 800 900 1000 GaAsP λp=670nm λp=655nm GaAsP λp=565nm GaP λp=950nm GaAs 发光二极管的光谱特性 λ/nm 相 对 灵 敏 度