生物醫(yī)學(xué)傳感光電課件

1、生物醫(yī)學(xué)傳感光電2022/10/71生物醫(yī)學(xué)傳感光電2022/10/31一、概述二、外光電效應(yīng)器件三、 內(nèi)光電效應(yīng)器件四、幾種特殊光電器件五、光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。 光電式傳感器2022/10/72一、概述光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元一、光譜 光波：波長為10106nm的電磁波 可見光 紫外線 紅外線10-1 概 述可見光近紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長/m=31010cm / s2022/10/73一、光譜10-1 概 述可見光近紅外遠(yuǎn)

2、紅外極遠(yuǎn)紫外0二、光源（發(fā)光器件）1、鎢絲白熾燈2、氣體放電燈3、發(fā)光二極管LED（Light Emitting Diode）材料波長/nm材料波長/nmZnS340CuSe-ZnSe400630SiC480ZnxCd1-xTe590830GaP565,680GaAs1-xPx550900GaAs900InPxAs1-x9103150InP920InxGa1-xAs85013502022/10/74二、光源（發(fā)光器件）1、鎢絲白熾燈2、氣體放電燈3、發(fā)光二極 06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs發(fā)光二極管的

3、光譜特性/nm相對靈敏度2022/10/75 06007008009001000GaAsPp=64、激光器固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器。2022/10/764、激光器2022/10/36什么是光電效應(yīng)? 光照射在某些物質(zhì)上時(shí),物質(zhì)的電子吸收光子的能量而發(fā)生電效應(yīng)現(xiàn)象，如導(dǎo)電率變化、釋放電子和產(chǎn)生電動勢等。 釋放的電子叫光電子，能產(chǎn)生光效應(yīng)的物質(zhì)叫光電材料。光電效應(yīng)按其作用原理分為以下兩大類型：外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)三、光電效應(yīng)2022/10/77什么是光電效應(yīng)? 光照射在某些物質(zhì)上時(shí),物質(zhì)的電子吸收(二)光敏

4、電阻的主要參數(shù)10-2 外光電效應(yīng)及器件（1） 產(chǎn)生光電變換的部位不同；光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量：10-2 外光電效應(yīng)及器件IF（P）F（A）五、光電傳感器的應(yīng)用p0 A（3） 光電導(dǎo)器件馳豫時(shí)間較大，結(jié)型器件馳豫時(shí)間相應(yīng)較小，因此響應(yīng)速度較快；釋放的電子叫光電子，能產(chǎn)生光效應(yīng)的物質(zhì)叫光電材料。光電轉(zhuǎn)換部分是在集-基結(jié)區(qū)內(nèi)進(jìn)行，而集電極、基極、發(fā)射極構(gòu)成了一個(gè)有放大作用的晶體管。光敏三極管的主要特性： 一、 外光電效應(yīng)10-2 外光電效應(yīng)及器件外光電效應(yīng)遵循以下兩個(gè)定律： （1）斯托列夫定律-當(dāng)入射光的頻率或頻譜成分不變時(shí)，飽和光電流（即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目的飽和值）與入射光

5、的強(qiáng)度成正比。 （2）愛因斯坦定律-光電子的最大動能與入射光的頻率成線性關(guān)系，而與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。 在光照的作用下，物體表面和內(nèi)部電子吸收光能后逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，亦稱光電發(fā)射效應(yīng)。2022/10/78(二)光敏電阻的主要參數(shù) 一、 外光電效應(yīng)10-2 光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量：E=h h普朗克常數(shù)，6.62610-34Js；光的頻率（s-1）愛因斯坦光電效應(yīng)方程式中：m電子質(zhì)量；v0電子逸出速度；Ao金屬的逸出功2022/10/79光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量：E=h h普朗克常(一)光電管1. 結(jié)構(gòu)與工作原理二、外光電效應(yīng)器件光電管的結(jié)構(gòu)示意圖光

6、光電陰極陽極2022/10/710(一)光電管1. 結(jié)構(gòu)與工作原理二、外光電效應(yīng)器件光電管的結(jié)2. 主要性能光電管的伏安特性電壓/V5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012IA/ A（1） 光電管的伏安特性2022/10/7112. 主要性能光電管的伏安特性電壓/V5020lm40l光電管的光電特性 25 5075100200.51.52.0/1mIA/ A1.02.51（2）光電管的光電特性（3）光電管光譜特性2022/10/712光電管的光電特性 25 5075100200.51.52.0(二)光電倍增管入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍

7、增極1. 結(jié)構(gòu)和工作原理：二次電子發(fā)射 電子倍增現(xiàn)象 2022/10/713(二)光電倍增管入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極1. 2022/10/7142022/10/3142. 主要參數(shù)（1）倍增系數(shù)M 103 104 105 106255075100125極間電壓/V 放大倍數(shù)光電倍增管的特性曲線2022/10/7152. 主要參數(shù)（1）倍增系數(shù)M 103 104 105 10（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度（3）暗電流和本底脈沖（4）光電倍增管的光電特性光電倍增管的光電特性與直線最大偏離是3%10131010109107105103101在45mA處飽和1014101010

8、6102光通量/1m陽極電流/ A2022/10/716（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度（3）暗電流和本底脈當(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)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類：10-3 內(nèi)光電效應(yīng)及器件1、光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。2022/10/717當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能

9、帶Eg2022/10/718導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶 材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個(gè)照射光波長限0，只有波長小于0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。式中、分別為入射光的頻率和波長。為了實(shí)現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即2022/10/719 材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導(dǎo)材料，總 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。 基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。 結(jié)型光電效應(yīng) 接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照

10、射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動勢，這就是結(jié)型光電效應(yīng)。 2、光生伏特效應(yīng)2022/10/720 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做2022/10/7212022/10/321結(jié)型光電器件與光電導(dǎo)器件的區(qū)別：（1） 產(chǎn)生光電變換的部位不同；（2） 光電導(dǎo)器件沒有極性，而結(jié)型光電器件有確定的正負(fù)極性；（3） 光電導(dǎo)器件馳豫時(shí)間較大，結(jié)型器件馳豫時(shí)間相應(yīng)較小，因此響應(yīng)速度較快；（4） 有些結(jié)型光電器件靈敏較高，可以通過較大的電流。2022/10/722結(jié)型光電器件與光電導(dǎo)器件的區(qū)別：（1） 產(chǎn)生光電變換的部位不 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。

11、基于該效應(yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）。側(cè)向光電效應(yīng)2022/10/723 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，有載流子濃度梯度將會 利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動勢的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。一、光敏電阻 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。 優(yōu)點(diǎn)： 不足：3、內(nèi)光電效應(yīng)器件2022/10/724 利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動勢的光電器(一)光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理2022/10/725(一)光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理2022/10/325 (二)光敏電阻的主要參數(shù)

12、1暗電阻 光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過的電流稱為暗電流。2亮電阻 光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。3光電流 亮電流與暗電流之差稱為光電流。2022/10/726 (二)光敏電阻的主要參數(shù) 1暗電阻2亮電阻3光電流2 (三)光敏電阻的基本特性1伏安特性2022/10/727 (三)光敏電阻的基本特性1伏安特性2022/10/327 2光譜特性0.65um1.05um2.3um2022/10/728 2光譜特性0.65um1.05um2.3um202 3溫度特性2022/10/729 3溫度特性2022/10/329二、光電池 按光電池的用途可分為兩

13、類： 即太陽能光電池和測量光電池。1、硒光電池2、氧化亞銅光電池3、硫化鉈光電池4、硫化鎘光電池5、鍺光電池6、硅光電池7、砷化鎵光電池光電池的種類：能用可見光作光源能用可見光作光源2022/10/730二、光電池 按光電池的用途可分為兩類：1、硒光電池2、氧1. 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理光電池的示意圖+光PNSiO2RL(a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖I光(b) 光電池的工作原理示意圖 P N2022/10/7311. 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理光電池的示意圖+光PNSiO2（1）光電特性 開路電壓曲線： 短路電流曲線：2. 基本特性L/klxL/klx5432100.10.20.30.40.5246810

14、開路電壓Uoc /V0.10.20.30.40.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) 硅光電池(b)硒光電池開路電壓短路電流短路電流2022/10/732（1）光電特性2. 基本特性L/klxL/klx5432102468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx50 10010005000RL=02022/10/73302468100.10.20.30.40.5I/mAL/kl204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m(2) 光譜特性1硒光電池2硅光電池2022/10/734204060801000.40.60.81

15、.01.20.2I（1）提高了PIN光電二極管的頻率響應(yīng)。=31010cm / s光電轉(zhuǎn)換部分是在集-基結(jié)區(qū)內(nèi)進(jìn)行，而集電極、基極、發(fā)射極構(gòu)成了一個(gè)有放大作用的晶體管。(二)光敏電阻的主要參數(shù)光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。IF（P）F（A）10-2 外光電效應(yīng)及器件吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖（3）暗電流和本底脈沖10-1 概 述它廣泛應(yīng)用于光纖通信、弱信號檢測、激光測距等領(lǐng)域。吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖(一)光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理五、光電傳感器的應(yīng)用(a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。P光敏元件所接收的光通量(3) 頻

16、率特性204060801000I / %1234512f / kHz1硅光電池2硒光電池2022/10/735（1）提高了PIN光電二極管的頻率響應(yīng)。(3) 頻率特性20（4）溫度特性2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200UOC開路電壓ISC 短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線2022/10/736（4）溫度特性2004060904060UOC/ mVT /三、光敏晶體管光敏二極管光敏三極管2022/10/737三、光敏晶體管光敏二極管光敏三極管2022/10/337 1. 光敏二極管光敏二極管符號光敏二極管接線RL 光P

17、NPN光2022/10/738 1. 光敏二極管光敏二極管符號光敏二極管接線RL 光PN工作原理 光電流與照度之間呈線性關(guān)系，即光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。2022/10/739工作原理 光電流與照度之間呈線性關(guān)系，即光照特性是線性2. 光敏三極管PPNNNPe b bc RL Eec2022/10/7402. 光敏三極管PPNNNPe b bc RL Ee工作時(shí)要保證集電極反偏，發(fā)射極正偏。 RL E 光敏三極管的工作原理分為兩個(gè)過程：一是光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放大。光電轉(zhuǎn)換部分是在集-基結(jié)區(qū)內(nèi)進(jìn)行，而集電極、基極、發(fā)射極構(gòu)成了一個(gè)有放大作用的晶體管。2022/10/741工作

18、時(shí)要保證集電極反偏，發(fā)射極正偏。 RL E 光敏三極管的主要特性：相對靈敏度/%硅鍺入射光/40008000120001600010080604020 0（1）光譜特性 光敏三極管存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長。2022/10/742光敏三極管的主要特性：硅鍺入射光/40008000120光敏三極管的伏安特性（2）伏安特性光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080U/V2022/10/743光敏三極管的伏安特性（2）伏安特性光敏三極管能把光信號變成電光敏晶體管的光照特性I / AL/lx2004

19、00600800100001.02.03.0光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。 （3）光電特性2022/10/744光敏晶體管的光照特性I / AL/lx2004006008暗電流/mA光電流/mA10 203040506070T /C25 050100 02003004001020304050607080T/C光敏晶體管的溫度特性（4）溫度特性2022/10/745暗電流/mA光電流/mA10 203040506070T / 光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。入射光調(diào)制頻率 / HZ0100100050050001000020406010080R

20、L=1kRL=10kRL=100k相對靈敏度/%光敏晶體管的頻率特性（5）頻率特性2022/10/746 光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻 1、PIN光電二極管10-4 幾種特殊光電器件（1）提高了PIN光電二極管的頻率響應(yīng)。（2）提高了對光的吸收和光電變化區(qū)域，使量子效率提高。（3）提高了長波靈敏度。（4）使線性輸出范圍變寬。2022/10/747 1、PIN光電二極管10-4 幾種特殊光電器件（1）提 2、雪崩光電二極管（APD） APD是借助強(qiáng)電場作用產(chǎn)生載流子雪崩倍增效應(yīng)的一種高速、高靈敏度的光電器件。它廣泛應(yīng)用于光纖通信、弱信號檢測、激光測距等領(lǐng)域。2022/10/

21、748 2、雪崩光電二極管（APD） APD是借助強(qiáng)電場作 3、色敏光電器件2022/10/749 3、色敏光電器件2022/10/349 用雙結(jié)光電二極管測量顏色時(shí)，通常測量兩個(gè)光電二極管的短路電流比（ISC2/ ISC1）與入射波長的關(guān)系，每一種波長的光都對應(yīng)于一個(gè)短路電流比值，根據(jù)短路電流比值判別入射光的波長，達(dá)到識別顏色的目的。 2022/10/750 用雙結(jié)光電二極管測量顏色時(shí)，通常測量兩個(gè)光電二極管的（一）光電式傳感器的基本組成和類型光源光學(xué)通路光電器件測量電路12IX1被測量X2被測量把光電器件輸出電信號轉(zhuǎn)換成電路的可用信號1、基本組成10-5 光電式傳感器的應(yīng)用2022/10/

22、751（一）光電式傳感器的基本組成和類型光源光學(xué)通路光電器件測量電2、基本類型（1） 透射式p0 A A被測對象A所吸收的光通量 P光敏元件所接收的光通量 0光源發(fā)出一定的光通量IF( P)F( A)測量液體、氣體和固體的透明度和混濁度。AA光敏元件pI被測對象02022/10/7522、基本類型（1） 透射式p0 A IF(2)反射式測量表面粗糙度p0 AA被測對象損失光通量(3)輻射式IF(P)F(0)F(T)如光電高溫計(jì)和爐子燃燒監(jiān)視裝置p02022/10/753(2)反射式測量表面粗糙度p0 AA被測對象損(4)遮擋式IF（P）F（A）光敏元件(5)開關(guān)式，光路“通”與“不通”用于開關(guān)，計(jì)