第7章光电式传感器

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1、传感器原理与应用传感器原理与应用第第7章章 光电式传感器光电式传感器第第7章章 光电式传感器光电式传感器 光电式传感器是光电式传感器是先把被测量的变化转换成光信先把被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电器件将光信号的变化转换为号的变化，再通过光电器件将光信号的变化转换为电量变化电量变化的装置。的装置。 光电式传感器可以用于检测直接引起光量变化光电式传感器可以用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度和气体成分等，也可以的非电量，如光强、光照度和气体成分等，也可以用于检测能间接转换成光量变化的非电量，如几何用于检测能间接转换成光量变化的非电量，如几何尺寸、位移、振动、速度等。尺寸、位移

2、、振动、速度等。第第7章章 光电式传感器光电式传感器 光电式传感器的光电式传感器的主要特点主要特点是能实现非接触测量、是能实现非接触测量、精度高、响应快、性能可靠，广泛用于军事、通讯、精度高、响应快、性能可靠，广泛用于军事、通讯、检测和工业自动化等领域。检测和工业自动化等领域。第第7章章 光电式传感器光电式传感器 被测量可能直接作用于光源，使它发出的光发生被测量可能直接作用于光源，使它发出的光发生变化，也可能作用在光通过的路径上，使通过后的光变化，也可能作用在光通过的路径上，使通过后的光发生变化。发生变化。被测量被测量被测量被测量光源光源光电光电器件器件第第7章章 光电式传感器光电式传感器光电

3、式位移传感器光电式位移传感器第第7章章 光电式传感器光电式传感器光电式扭矩传感器光电式扭矩传感器第第7章章 光电式传感器光电式传感器光电式水浸开关传感器光电式水浸开关传感器第第7章章 光电式传感器光电式传感器光电式转速传感器光电式转速传感器第第7章章 光电式传感器光电式传感器光电式烟雾探测器光电式烟雾探测器第第7章章 光电式传感器光电式传感器7. .1 光电效应和光电器件光电效应和光电器件7. .2 新型光电器件新型光电器件7. .3 光栅式传感器光栅式传感器7. .4 激光式传感器激光式传感器 7. .5 光电式传感器应用举例光电式传感器应用举例7. .1 光电效应和光电器件光电效应和光电器

4、件 光电器件的物理基础是光电器件的物理基础是光电效应光电效应。光电效应是。光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应通常分为量而产生的电效应。光电效应通常分为外光电效应外光电效应和和内光电效应内光电效应两大类。两大类。7. .1. .1 外光电效应外光电效应7. .1. .2 内光电效应内光电效应7. .1. .3 外光电效应器件外光电效应器件7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性7. .1 光电效应和光电器件光电效应和光电器件7. .1. .1 外光电效

5、应外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外发射的现象称为外光电效应外光电效应。向外发射的电子称。向外发射的电子称为为光电子光电子。它是。它是1887年由德国科学家赫兹发现的。年由德国科学家赫兹发现的。 光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体。的光子轰击物体。每个光子的能量等于每个光子的能量等于hn n。 根据爱因斯坦假设，一个光子的能量只能给一根据爱因斯坦假设，一个光子的能量只能给一个电子。而要使电子逸出物体表面，至少需对其做个电子。而要使电子逸出物体表面，至少需对其做

6、功功A0，以克服物体对电子的约束，以克服物体对电子的约束，A0称为称为逸出功逸出功，也称也称功函数功函数，其值与材料有关，还和材料的表面状，其值与材料有关，还和材料的表面状态有关。态有关。于是，按照能量守恒与转换定律，有：于是，按照能量守恒与转换定律，有：) 1 . 7(2102AmhEn上式称为上式称为爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程。7. .1. .1 外光电效应外光电效应 由上式可知：由上式可知： ( (1) )光电效应能否产生，取决于光子的能量是否光电效应能否产生，取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子逸出功大于该物质表面的电子逸出功 这意味着每一种物质这意味着每一种物质都有

7、一个对应的光频阈值，称为都有一个对应的光频阈值，称为红限频率红限频率( (对应的光对应的光波长称为波长称为临界波长临界波长) )，用，用n n0表示。根据上式得：表示。根据上式得：)2 . 7(/00hAn 若若n nn n0，入射光，入射光强再大也不会产生光电发射；强再大也不会产生光电发射；若若n nn n0，即使光强微弱也会，即使光强微弱也会产生产生光电发射。光电发射。) 1 . 7(2102AmhEn7. .1. .1 外光电效应外光电效应 ( (2) )当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强度成正比与光强度成正比 光愈强，意味着入射的光子数目

8、越光愈强，意味着入射的光子数目越多，逸出的光电子数也就越多多，逸出的光电子数也就越多。 ( (3) )光电子逸出物体表面时的初动能决定于入射光电子逸出物体表面时的初动能决定于入射光的频率光的频率 对于一定的物质，对于一定的物质，A0是一定的，光子的能是一定的，光子的能量量hn n越大，电子的初动能越大。越大，电子的初动能越大。 另外，另外，从光开始照射到金属释放光电子几乎在瞬从光开始照射到金属释放光电子几乎在瞬时发生，所需时间不超过时发生，所需时间不超过109 s。) 1 . 7(2102AmhEn7. .1. .1 外光电效应外光电效应7. .1 光电效应和光电器件光电效应和光电器件7. .

9、1. .1 外光电效应外光电效应7. .1. .2 内光电效应内光电效应7. .1. .3 外光电效应器件外光电效应器件7. .1. .4 内光电效应器件内光电效应器件7. .1. .5 光电器件的特性光电器件的特性7. .1. .2 内光电效应内光电效应 当光照射到半导体材料上时，处于价带的电子将当光照射到半导体材料上时，处于价带的电子将吸收光子能量跃入导带，使导带内电子浓度和价带内吸收光子能量跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴浓度增加，即激发出空穴浓度增加，即激发出光生电子光生电子空穴对空穴对，从而使，从而使半导体材料产生电效应，这种光电效应称为半导体材料产生电效应，这种光电效应称为内

10、光电效内光电效应应。显然，光子能量必须大于材料的禁带宽度。显然，光子能量必须大于材料的禁带宽度D DEg才才能产生内光电效应。产生内光电效应的临界波长为：能产生内光电效应。产生内光电效应的临界波长为：)3 . 7(nm1240/gg00EhEccDDn例如，锗例如，锗D DEg0.75 eV，硅，硅D DEg1.2 eV。 内光电效应按其工作原理可分为：内光电效应按其工作原理可分为：光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应。 1. .光电导效应光电导效应 在光照射下，半导体材料的电子吸收光子能量，在光照射下，半导体材料的电子吸收光子能量，从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料载流子浓从

11、键合状态过渡到自由状态，从而引起材料载流子浓度增加、电阻率变小，这种现象称为度增加、电阻率变小，这种现象称为光电导效应光电导效应。 2. .光生伏特效应光生伏特效应 在光照射下，能够使物体产生一定方向电动势的在光照射下，能够使物体产生一定方向电动势的现象称为现象称为光生伏特效应光生伏特效应。7. .1. .2 内光电效应内光电效应 以以PN结为例，没有光照射时，在过渡区会形成结为例，没有光照射时，在过渡区会形成阻挡层阻挡层，阻止孔穴和电子的进一步扩散。当光线照射，阻止孔穴和电子的进一步扩散。当光线照射PN结产生电子结产生电子空穴对时，在阻挡层内电场的作用空穴对时，在阻挡层内电场的作用下，被光激