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1、 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級1Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式第11章 光電式傳感器 11.1 光電效應光電效應 11.2光的吸收系數(shù)光的吸收系數(shù) 11.3光傳感器的特性表示法光傳感器的特性表示法 11.4光電傳感器光電傳感器 11.5 CCD圖像傳感器圖像傳感器 11.6應用光路應用光路 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式11.1 光電效應
2、11.1.1 外光電效應 在光照射下,電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應,亦稱光電發(fā)射效應。它是在1887年由德國科學家赫茲發(fā)現(xiàn)的?；谶@種效應的光電器件有光電管、光電倍培管等。眾所周知,每個光子具有的能量為Qh 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級3Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 逸出功A也稱功函數(shù),是一個電子從金屬或半導體表面逸出時克服表面勢壘所需作的功,其值與材料有關,還和材料的表面狀態(tài)有關。若逸出電子的動能為 ,則由能量守恒定律有2012mv2012hvmvA 式中,m為
3、電子的靜止質(zhì)量,m=9.109110-31 kg;v0為電子逸出物體時的初速。上式即為愛因斯坦光電效應方程式。由該式可知:單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級4Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 (1)光電效應能否產(chǎn)生,取決于光子的能量是否大于該物質(zhì)表面的電子逸出功。這意味著每一種物質(zhì)都有一個對應的光頻閥值,稱為紅限頻率（對應的光波長稱為臨界波長）。光的頻率小于紅限頻率,光子的能量不足以使物體的電子逸出,因而小于紅限頻率的光,光強再大也不會產(chǎn)生光電發(fā)射。反之,入射光頻率高于紅限頻率,即使光強微
4、弱也會有電子發(fā)射出來。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級5Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 (2)若入射光的光頻為v,光功率為P,則每秒鐘到達的光子數(shù)為p/h。假設這些光子中只有一部分()能激發(fā)電子,則入射光在光電面激發(fā)的光電流密度為 pePihv(11.1)式中,是量子效率,定義為光強生成的載流子數(shù)與入射光子數(shù)之比,它是波長的函數(shù),并與光電面的反射率、吸收系數(shù)、發(fā)射電子的深度、表面的親和力等因素有關;e為電子電荷量。(3)光電子逸出物體表面具有初始動能。因此光電管即使未加陽極電壓,也會有
5、光電流產(chǎn)生。為使光電流為零,必須加負的截止電壓,而截止電壓與入射光的頻率成正比。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級6Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 h普朗克常數(shù),其值為6.62610-34Js；光的頻率（s-1）;光的波長。這樣,單色光的輻射功率就可寫為P（）=A ip h 式中：ip光子流密度（單位時間通過單位面積的光子數(shù)）；A光子流通過的面積.單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級7Anhui Science and Technology University 理學
6、院理學院單擊此處編輯母版標題樣式量子力學指出,光的發(fā)射和吸收是與量子態(tài)間的躍遷過程相聯(lián)系的,在此過程中,光表現(xiàn)出其粒子性。在發(fā)射時,光源系統(tǒng)由高能態(tài)E2向低能態(tài)E1躍遷,同時按能量守恒定律發(fā)射光子：h=E2-E1在吸收時,介質(zhì)吸收光子h后就從低能態(tài)E1躍遷到高能態(tài)E2。按能量守恒定律,介質(zhì)系統(tǒng)躍遷前后的能量差應為 E2-E1=h 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級8Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 即根據(jù)能量守恒定律,光源只能發(fā)出描述滿足上式的光子,只有符合式的光子才能被介質(zhì)吸收。吸收和發(fā)
7、射只有在計及光子動量并服從準動量守恒定則（選擇定則）時才能發(fā)生。光在半導體中傳播時的衰減,是半導體內(nèi)電子吸收光子后從低能態(tài)向高能態(tài)躍遷的結(jié)果。在其諸多吸收過程中,本征吸收是光敏器件的工作基礎。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級9Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 11.1.2內(nèi)光電效應 內(nèi)光電效應分為兩類,光電導效應和光生伏特效應。1.光電導效應 入射光強改變物質(zhì)導電率的物理現(xiàn)象,叫光電導效應。這種效應幾乎所有高電阻率半導體都有。這是由于,在入射光作用下,電子吸收光子能量,從價帶激發(fā)到導帶,
8、過渡到自由狀態(tài),同時價帶也因此形成自由空穴,致使導帶的電子和價帶的空穴濃度增大,引起材料電阻率減小。為使電子從價帶激發(fā)到導帶,入射光子的能量E0應大于禁帶寬度Eg,如圖11.1所示,即光的波長應小于某一臨界波長0。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級10Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 本征吸收又稱基本吸收,其相應的躍遷過程是：價帶電子吸收了能量大于或等于禁帶寬度的光子后,躍至導帶,產(chǎn)生自由電子,并在價帶留下自由空穴。因此,在本征吸收時,每吸收一個光子,就產(chǎn)生一個電子-空穴對。由于在本征吸收
9、過程中被吸收的光子要滿足的條件是h=Eg 且導帶是由一系列能量間隔很小的能級組成的,所以本征吸收譜是連續(xù)譜。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級11Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 式 中,Eg以 電 子 伏(e V)為 單 位(1eV=1.601019J),c為光速(m/s)。0也稱為截止波長。根據(jù)半導體材料不同的禁帶寬度可得相應的臨界波長。012390gghcAEE。圖11.1 能帶圖 導 帶禁 帶價 帶Eg 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級12Anhui Sci
10、ence and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 圖11.2 光電導元件工作示意圖光導元件URL電極電極入射光 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級13Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 圖11.2為光電導元件工作示意圖。圖中光電導元件與偏置電源及負載電阻RL串聯(lián)。當光電導元件在一定強度的光的連續(xù)照射下,元件達到平衡狀態(tài)時,輸出的短路電流密度為02ccePUid hc(11.2)式中,為內(nèi)光量子效率(為光強生成的載流子數(shù)與入射光子數(shù)之比),c為
11、多數(shù)載流子的遷移率,c為多數(shù)載流子壽命,d為兩電極間距。其它符號含義見(11.1)式?？梢钥闯?i0在波長決定之后與P成正比,在P一定時,與光波長成正比。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級14Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 2.光生伏特效應 光生伏特效應就是半導體材料吸收光能后,在PN結(jié)上產(chǎn)生電動勢的效應。若在N型硅片摻入P型雜質(zhì)可形成一PN結(jié),如圖11.3所示。P型半導體內(nèi)有許多多余的空穴,N型半導體內(nèi)有許多過剩的電子,當N型半導體和P型半導體結(jié)合在一起時,由于熱運動,N型半導體中的電
12、子越過交界面填補了P型半導體中的空穴,也可以說P型半導體中的空穴越過交界面復合了N型半導體中的電子。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級15Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式圖11.3 PN結(jié)產(chǎn)生光生伏特效應 PN光光生電子空穴對 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級16Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 PN結(jié)用作整流時,其電壓電流特性如圖11.4中的曲線(1)所示。這時外加電壓U(以正方向
13、為正)與電流Id的關系為(exp1)dseUIIkT(11.3)式中,Id為沒有光照時的暗電流,Is為反向飽和暗電流,k為玻耳茲曼常數(shù),T為絕對溫度。當光照射到PN結(jié)上時,由于光生伏特效應產(chǎn)生的短路電流I0與光電導效應(11.1)式相類似,即0PIehc 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級17Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式圖11.4 PN結(jié)的電壓電流特性 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級18Anhui Science and Technology Universi
14、ty 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 這個電流與(11.3)式所示電流方向相反,所以流經(jīng)結(jié)點的電流是二者之差,即0(exp1)seUIIIkT 由此可見,當有光照射時,電壓-電流特性向下方平行移動,如圖11.4中的曲線(2)所示。當I=0時,對U求解,得開路電壓為00ln(1)skTIUeI如果入射光較弱,I0Is,則有 0skT PUI hc 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級19Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式11.2 光的吸收系數(shù) 光在半導體材料中傳播時會產(chǎn)生衰減,即產(chǎn)生光吸收
15、。半導體材料通常能強烈地吸收光能,對光的吸收作用常用吸收系數(shù)來描述。光的吸收系數(shù)與光波的波長有很大的關系,圖11.5示出了幾種常用半導體材料光的吸收系數(shù)曲線。下面定量討論某一種光波長在硅中傳播的平均深度,為設計和制造光電三極管和二極管,提供理論依據(jù)。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級20Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式圖11.6 光的吸收系數(shù)與光波波長的關系1061051041031021010.20.40.811.21.41.61.80.610310210110 110 2300 k77
16、 kGeGaAsSi吸收系數(shù)/cm 1穿透深度 /m1波長/m 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級21Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 以(x)表示硅片內(nèi)距表面x處的光強。由于光的吸收作用,從x到x+dx間光強減弱了d,則吸收系數(shù)的定義為ddx 它的量綱是長度的倒數(shù)cm-1。對上式積分可以得到光強在半導體內(nèi)的分布為 0()xxe 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級22Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編
17、輯母版標題樣式 其中0是硅片表面(x=0)處入射光的強度,單位為光子數(shù)/scm2?？梢姽庠谶M入硅片后按指數(shù)規(guī)律衰減,它的平均透入深度為0011()xxdx 由上式可知,欲求一定波長的光在硅中傳播的平均深度,只要從圖11.6中查出對應此波長的吸收系數(shù),再取其倒數(shù)就可以了。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級23Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式11.3 光傳感器的特性表示法 11.3.1 靈敏度 光電器件對輻射通量的反應稱為靈敏度,也稱為響應。反應用電壓或電流表示。對可見光常用的有流明靈敏度和勒
18、克斯靈敏度。流明靈敏度1mS光電流（A）光通量（lm）單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級24Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 式中,輻射通量是指在單位時間內(nèi)通過某一面積輻射的能量,由下式定義:dWdt 輻射通量的單位為W。目前對可見光波段的傳感器也用輻射靈敏度表示。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級25Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 投射到傳感器的光通量即使相同,如果光譜能量分布不同
19、時,靈敏度也不同。因此,在測定靈敏度時規(guī)定光源是色溫度為2856K的標準鎢絲燈。對紫外線或紅外波段的傳感器,常用輻射靈敏度勒克斯靈敏度1xS光電流（A）受光面照度（lx）S光電流（A）輻射通量（W）單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級26Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 11.3.2 光譜靈敏度S()與峰值波長 大多數(shù)接收器對所感受的波長是有選擇性的。接收器對不同波長光(電磁輻射)的反應程度稱為光譜響應或光譜靈敏度。光譜靈敏度為光電器件對單色輻射通量的反應與入射的單色輻射通量之比,即()()
20、()US 式中,()為入射的單色輻射通量,U()為光電器件的反應。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級27Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 11.3.3 相對光譜靈敏度Sr()光譜靈敏度與最大光譜靈敏度之比稱為相對光譜靈敏度,即()()()rmSSS式中,Sr()是一無量綱函數(shù),也稱光譜特性。光譜特性是指相對光譜靈敏度與入射光波長之間的關系,不同敏感材料的光譜特性曲線如圖11.6所示。從材料的光譜特性曲線可以判斷哪種輻射源與哪種光電器件配合使用,可以獲得較高的靈敏度。單擊此處編輯母版文本樣式
21、 第二級 第三級 第四級 第五級28Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 單色輻射是指光線波長在0的狹窄范圍內(nèi)的輻射,其通量稱為單色輻射通量。光電器件的S()隨波長而變化,且在某個波長m處有最大值S(m)。波長m稱為峰值波長,即光譜靈敏度最大時的波長。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級29Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式圖11.6 不同敏感材料的光譜特性曲線 ZnSCdSSiGePbSPbTe PbSe1008
22、060402000.30.51.02.010.05.0Sr/%/m 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級30Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 11.3.4 積分靈敏度S 光電器件對連續(xù)輻射通量的反應程度稱為積分靈敏度。定義為,反應U與入射到光電器件上的輻射通量之比,即US 當反映為光電流時,積分靈敏度即為輻射靈敏度。在光電器件說明書中列出的積分靈敏度值都是依據(jù)標準輻射源的輻射來測定的,光電器件類型不同所用標準輻射源也不同。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級31Anhui
23、 Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 11.3.5 通量閥H 在光電器件輸出端產(chǎn)生的電信號與固有噪聲電平相等的最小輻射通量稱為通量閥H。若把對應于H的光電器件的反應以等效噪聲的均方根值 代入上式,則有 22U22HUS 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級32Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 光電器件的通量閥可以根據(jù)特定輻射源來測定,而且同積分靈敏度一樣,它和輻射源的輻射特性有關。單色通量閥由下式定義22()()HUS 單
24、色通量閥反映光電器件本身的固有特性，而通量閥不僅反映光電器件本身的固有特性，而且還反映輻射特性。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級33Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 11.3.6 歸一化探測率D*由于通量閥與光電器件靈敏面的面積的平方根成正比,在窄帶情況下通量閥與帶寬的平方根成正比。對光電器件性能進行比較,應當在靈敏面的尺寸和帶寬一定的條件下進行,因而引進一個新的特性參數(shù),即歸一化探測率。歸一化探測率可由下式定義:22HA fSA fDU 式中,A為靈敏面面積，f為帶寬。由上式可見,D*
25、實質(zhì)上就是光電器件在具有單位靈敏面積、單位帶寬(1Hz)及單位輻射通量時所獲的信噪比。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級34Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 11.3.7 轉(zhuǎn)換特性Sz(t)和響應時間 當入射輻射通量很小時,可以把光電器件看作線性系統(tǒng),并用轉(zhuǎn)換特性的時間常數(shù)來描述光電器件的動態(tài)特性。轉(zhuǎn)換特性Sz(t)是輻射通量(t)為階躍信號時光電器件的響應,如圖11.7所示。對線性傳感器,其輻射通量與輸出電壓之間的關系可以用以下微分方程描述 0()()dUU tStdt 單擊此處編輯母版
26、文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級35Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式圖11.7 光電器件的轉(zhuǎn)換特性(t),Sz(t)(t)Sz(t)1.00.63S0t0 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級36Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 輻射通量為階躍函數(shù)時,微分方程解為(假定t=0時,U(t)=0)實際上轉(zhuǎn)換過程要經(jīng)過23的時間才能結(jié)束。因此,將光電器件輸出端電壓達到最大值0.63倍時所對應的時間（即t=）
27、稱為光電器件的響應時間。它反映了光電器件響應時間的快慢,調(diào)制頻率上限受響應時間的限制。)1()(0teStU 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級37Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 11.3.8 光電器件的頻率特性 光電器件相對光譜靈敏度(輸出端電壓(電流)的振幅)隨入射輻射通量的調(diào)制頻率的變化關系稱為光電器件的頻率特性。由于光電器件有一定的惰性,在一定幅度的正弦調(diào)制光照射下,當頻率較低時,靈敏度與頻率無關;若頻率增高,靈敏度就會逐漸降低。多數(shù)光電器件靈敏度與調(diào)制頻率的關系為 0222()
28、(14)rrSSff 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級38Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 式中,Sr0為調(diào)制頻率f=0時的靈敏度,f為調(diào)制頻率,為響應時間。圖11.8示出了一些光電器件的頻率特性。圖11.8光電器件的頻率特性 100806040200101001000100002硫化鉈1硫化鉛f/HzSr /%單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級39Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式
29、3.4.9 光照特性 光照特性表示光電器件的積分或光譜靈敏度與其入射輻射通量的關系。有時光電器件輸出端的電壓或電流與入射輻射通量間的關系也稱為光照特性。圖11.9為某種光電池的光照特性。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級40Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式圖11.9 光電器件的光照特性 0.50.40.30.20.1020004000600080001000048121620U/VI0/mA cm2開路電壓短路電流E0/lx 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級41An
30、hui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 11.3.10 溫度特性 光電器件的靈敏度、暗電流或光電流與溫度的關系稱為溫度特性,通常由曲線表示或由溫度系數(shù)給出。溫度系數(shù)表示在給定的溫度區(qū)間,溫度變化1時,光電流的相對平均增量或靈敏度的變化或光敏電阻阻值的平均變化。溫度變化不僅影響光電器件的靈敏度,同時對光譜特性也有較大的影響。由于光電器件的靈敏度隨溫度變化,在高精度檢測時,要進行溫度補償或要求在恒溫條件下工作。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級42Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 11.3.11 伏安特性 在保持入射光頻譜成分不變的條件下,光電器所加電壓與光電流之間的關系稱為光電器件的伏安特性,如圖11.10所示。它是傳感器設計時選擇電參數(shù)的依據(jù)。單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級43Anhui Science and Technology University 理學院理學院單擊此處編輯母版標題樣式 圖11.10 光電器件的伏安特性 I/mA54321050100100 lx無光照U/V
傳感器技術及其應用
