生物医学传感光电课件

生物医学传感光电2024/6/281生物医学传感光电2023/8/111一、一、概述概述二、二、外光电效应器件外光电效应器件三、三、内光电效应器件内光电效应器件四、四、几种特殊光电器件几种特殊光电器件五、五、光电传感器的应用光电传感器的应用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，它是把光光信信号号（红红外外、可可见见及及紫外光辐射）转变成为电信号的器件紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电式传感器光电式传感器2024/6/282一、概述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一、光谱一、光谱 光波：波长为10106nm的电磁波 可见光 紫外线 红外线10-1 10-1 概概 述述可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/m=31010cm/s2024/6/283一、光谱10-1概述可见光近红外远红外极远紫外0二、光源（发光器件）二、光源（发光器件）1 1、钨丝白炽灯、钨丝白炽灯2 2、气体放电灯、气体放电灯3 3、发光二极管、发光二极管LED（Light Emitting Diode）材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400630SiC480ZnxCd1-xTe590830GaP565,680GaAs1-xPx550900GaAs900InPxAs1-x9103150InP920InxGa1-xAs85013502024/6/284二、光源（发光器件）1、钨丝白炽灯2、气体放电灯3、发光二极06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs发光二极管的光谱特性/nm相对灵敏度2024/6/28506007008009001000GaAsPp=64 4、激光器、激光器u固体激光器（如红宝石激光器）u气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）u半导体激光器（如砷化镓激光器）u液体激光器。2024/6/2864、激光器2023/8/116什么是光电效应什么是光电效应?光照射在某些物质上时,物质的电子吸收光子的能量而发生电效应现象，如导导电电率率变变化化、释释放放电电子子和产生电动势和产生电动势等。释放的电子叫光光电电子子，能产生光效应的物质叫光光电材料电材料。光电效应按其作用原理分为以下光电效应按其作用原理分为以下两大类型两大类型：外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应三、光电效应三、光电效应2024/6/287什么是光电效应?光照射在某些物质上时,物质的电子吸收(二)光敏电阻的主要参数10-2外光电效应及器件（1）产生光电变换的部位不同；光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：10-2外光电效应及器件IF（P）F（A）五、光电传感器的应用p0A（3）光电导器件驰豫时间较大，结型器件驰豫时间相应较小，因此响应速度较快；释放的电子叫光电子，能产生光效应的物质叫光电材料。光电转换部分是在集-基结区内进行，而集电极、基极、发射极构成了一个有放大作用的晶体管。光敏三极管的主要特性：一、一、外光电效应外光电效应10-210-2 外光电效应及器件外光电效应及器件外光电效应遵循以下两个定律：外光电效应遵循以下两个定律：（1 1）斯斯托托列列夫夫定定律律-当入射光的频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目的饱和值）与入射光的强度成正比。（2 2）爱爱因因斯斯坦坦定定律律-光电子的最大动能与入射光的频率成线性关系，而与入射光的强度无关。在光照的作用下，物体表面和内部电子吸收光能后逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，亦称光电发射效应光电发射效应。2024/6/288(二)光敏电阻的主要参数一、外光电效应10-2光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E E=hh h普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程式中：m电子质量；v0电子逸出速度；Ao金属的逸出功2024/6/289光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hh普朗克常(一一)光电管光电管1.1.结构与工作原理结构与工作原理二、外光电效应器件二、外光电效应器件光电管的结构示意图光电管的结构示意图光光光电阴极光电阴极阳极阳极2024/6/2810(一)光电管1.结构与工作原理二、外光电效应器件光电管的结2.2.2.2.主要性能主要性能主要性能主要性能光电管的伏安特性光电管的伏安特性电压电压/V5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012IA/A（1 1）光电管的伏安特性光电管的伏安特性2024/6/28112.主要性能光电管的伏安特性电压/V5020lm40l光电管的光电特性光电管的光电特性255075100200.51.52.0/1mIA/A1.02.51（2 2）光电管的光电特性光电管的光电特性（3 3）光电管光谱特性）光电管光谱特性2024/6/2812光电管的光电特性255075100200.51.52.0(二二)光电倍增管光电倍增管入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极1.1.结构和工作原理：结构和工作原理：二次电子发射二次电子发射电子倍增现象电子倍增现象2024/6/2813(二)光电倍增管入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极1.2024/6/28142023/8/11142.2.主要参数主要参数（1 1）倍增系数）倍增系数M M103104105106255075100125极间电压极间电压/V放大倍数放大倍数光电倍增管的特性曲线光电倍增管的特性曲线2024/6/28152.主要参数（1）倍增系数M10310410510（2 2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度（3 3）暗电流和本底脉冲）暗电流和本底脉冲（4 4）光电倍增管的光电特性）光电倍增管的光电特性光电倍增管的光电特性与直线最大偏离是3%10131010109107105103101在 45mA处饱和10141010106102光通量/1m阳极电流/A2024/6/2816（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度（3）暗电流和本底脉u当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应内光电效应，它多发生于半导体内。u根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效光电导效应应和光生伏特效应光生伏特效应两类：10-3 10-3 内光电效应及器件内光电效应及器件1 1、光电导效应、光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻光敏电阻。2024/6/2817当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势导带价带禁带自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带Eg2024/6/2818导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带 材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光光波长限波长限0 0，只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。式中式中、分别为入射光的频率和波长。分别为入射光的频率和波长。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即2024/6/2819材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总 在在光光线线作作用用下下能能够够使使物物体体产产生生一一定定方方向向的的电电动动势的现象叫做势的现象叫做光生伏特效应光生伏特效应。基基于于该该效效应应的的光光电电器器件件有有光光电电池池和和光光敏敏二二极极管管、三极管。三极管。结型光电效应结型光电效应 接触的半导体和接触的半导体和PNPN结中，当光线照射其接触区结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是域时，便引起光电动势，这就是结型光电效应结型光电效应。2 2、光生伏特效应、光生伏特效应2024/6/2820在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做2024/6/28212023/8/1121结型光电器件与光电导器件的区别：结型光电器件与光电导器件的区别：（1）产生光电变换的部位不同；（2）光电导器件没有极性，而结型光电器件有确定的正负极性；（3）光电导器件驰豫时间较大，结型器件驰豫时间相应较小，因此响应速度较快；（4）有些结型光电器件灵敏较高，可以通过较大的电流。2024/6/2822结型光电器件与光电导器件的区别：（1）产生光电变换的部位不 当当半半导导体体光光电电器器件件受受光光照照不不均均匀匀时时，有有载载流流子子浓浓度梯度将会产生度梯度将会产生侧向光电效应侧向光电效应。基基于于该该效效应应的的光光电电器器件件如如半半导导体体光光电电位位置置敏敏感感器器件件（PSDPSD）。）。侧向光电效应侧向光电效应侧向光电效应侧向光电效应2024/6/2823当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会 利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称势的光电器件称内光电效应器件内光电效应器件，常见的有，常见的有光敏电阻、光敏电阻、光电池光电池和和光敏晶体管光敏晶体管等。等。一、光敏电阻一、光敏电阻 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原工作原理是基于光电导效应理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。，其阻值随光照增强而减小。优点优点：不足不足：3 3、内光电效应器件、内光电效应器件2024/6/2824利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器(一一)光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理2024/6/2825(一)光敏电阻的结构与工作原理2023/8/1125 (二二)光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数 1 1暗电阻暗电阻 光敏电阻在不受光时的光敏电阻在不受光时的阻值称为阻值称为暗电阻暗电阻，此时流过，此时流过的电流称为的电流称为暗电流暗电流。2 2亮电阻亮电阻 光敏电阻在受光照射时光敏电阻在受光照射时的电阻称为的电阻称为亮电阻亮电阻，此时流，此时流过的电流称为过的电流称为亮电流亮电流。3 3光电流光电流 亮电流与暗电流之差亮电流与暗电流之差称为称为光电流光电流。2024/6/2826(二)光敏电阻的主要参数1暗电阻2亮电阻3光电流2 (三三)光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性1 1伏安特性伏安特性2024/6/2827(三)光敏电阻的基本特性1伏安特性2023/8/1127 2 2光谱特性光谱特性0.65um1.05um2.3um2024/6/28282光谱特性0.65um1.05um2.3um202 3 3温度特性温度特性2024/6/28293温度特性2023/8/1129二、光电池二、光电池 按光电池的用途可分为两类：按光电池的用途可分为两类：即即太阳能光电池太阳能光电池和和测量光电池测量光电池。1、硒光电池硒光电池2、氧化亚铜光电池、氧化亚铜光电池3、硫化铊光电池、硫化铊光电池4、硫化镉光电池、硫化镉光电池5、锗光电池、锗光电池6、硅光电池硅光电池7、砷化镓光电池、砷化镓光电池光电池的种类光电池的种类：能用可见光作光源能用可见光作光源能用可见光作光源能用可见光作光源2024/6/2830二、光电池按光电池的用途可分为两类：1、硒光电池2、氧1.1.光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理光电池的示意图光电池的示意图+光光PNSiO2RL(a)光电池的结构图I光(b)光电池的工作原理示意图P N2024/6/28311.光电池的结构和工作原理光电池的示意图+光PNSiO2（1 1）光）光电特性特性 开路开路电压曲曲线：短路短路电流曲流曲线：2.2.基本特性基本特性L/klxL/klx5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc/V0.10.20.30.40.50.30.1012345Uoc/VIsc/mAIsc/mA(a)硅光电池(b)硒光电池开路电压短路电流短路电流2024/6/2832（1）光电特性2.基本特性L/klxL/klx543210 02 24 46 68 810100.10.10.20.20.30.30.40.40.50.5I I/mA/mAL L/k klxlx50 50 1001001000100050005000R RL L=0=02024/6/283302468100.10.20.30.40.5I/mAL/kl204060801000.40.60.81.01.20.2I /%12/m(2)(2)光谱特性光谱特性1 1硒光电池硒光电池2 2硅光电池硅光电池2024/6/2834204060801000.40.60.81.01.20.2I（1）提高了PIN光电二极管的频率响应。=31010cm/s光电转换部分是在集-基结区内进行，而集电极、基极、发射极构成了一个有放大作用的晶体管。(二)光敏电阻的主要参数光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。IF（P）F（A）10-2外光电效应及器件吸收式烟尘浊度检测系统原理图（3）暗电流和本底脉冲10-1概述它广泛应用于光纤通信、弱信号检测、激光测距等领域。吸收式烟尘浊度检测系统原理图(一)光敏电阻的结构与工作原理五、光电传感器的应用(a)光电池的结构图光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。P光敏元件所接收的光通量(3)(3)频率特性频率特性204060801000I/%1234512f/kHz1硅光电池2硒光电池2024/6/2835（1）提高了PIN光电二极管的频率响应。(3)频率特性20（4 4）温度特性）温度特性2004060904060UOC/mVT T/CISCUOCISC/A600400200U UOCOC开路电压开路电压I ISC SC 短路电流短路电流硅光电池在硅光电池在1000lx1000lx照照度下的温度特性曲线度下的温度特性曲线2024/6/2836（4）温度特性2004060904060UOC/mVT/三、光敏晶体管三、光敏晶体管光敏二极管光敏二极管光敏三极管光敏三极管2024/6/2837三、光敏晶体管光敏二极管光敏三极管2023/8/1137 1.1.光敏二极管光敏二极管光敏二极管符号光敏二极管符号光敏二极管接线光敏二极管接线RL 光PNPN光2024/6/28381.光敏二极管光敏二极管符号光敏二极管接线RL光PN工作原理工作原理 光电流与照度之间呈线性关系，即光照特性是线光电流与照度之间呈线性关系，即光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。性的，所以适合检测等方面的应用。2024/6/2839工作原理光电流与照度之间呈线性关系，即光照特性是线性2.2.光敏三极管光敏三极管PPNNNPe b bc RL Eec2024/6/28402.光敏三极管PPNNNPebbcRLEe工作时要保证集电极反偏，发射极正偏。RL E 光敏三极管的工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流放大。光电转换部分是在集-基结区内进行，而集电极、基极、发射极构成了一个有放大作用的晶体管。2024/6/2841工作时要保证集电极反偏，发射极正偏。RLE光敏三极管的主要特性：光敏三极管的主要特性：相对灵敏度/%硅锗入射光/400080001200016000100806040200（1 1）光）光谱特性特性 光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。2024/6/2842光敏三极管的主要特性：硅锗入射光/40008000120光敏三极管的伏安特性光敏三极管的伏安特性（2 2）伏安特性）伏安特性光光敏敏三三极极管管能能把把光光信信号号变变成成电电信信号号，而而且且输输出出的的电信号较大。电信号较大。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080U/V2024/6/2843光敏三极管的伏安特性（2）伏安特性光敏三极管能把光信号变成电光敏晶体管的光照特性光敏晶体管的光照特性I/AL/lx200400600800100001.02.03.0光敏三极管既可作光敏三极管既可作线性性转换元件，也可作开关元件元件，也可作开关元件。（3 3）光电特性）光电特性2024/6/2844光敏晶体管的光照特性I/AL/lx2004006008暗电流/mA光电流/mA10 20 3040 50 60 70T/C2505010002003004001020304050607080T/C光敏晶体管的温度特性光敏晶体管的温度特性（4 4）温度特性）温度特性2024/6/2845暗电流/mA光电流/mA10203040506070T/光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应载电阻可以提高频率响应。入射光调制频率/HZ0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k相对灵敏度/%光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性（5 5）频率特性）频率特性2024/6/2846光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻 1 1、PINPIN光电二极管光电二极管10-4 10-4 几种特殊光电器件几种特殊光电器件（1 1）提高了）提高了PINPIN光电二极管的频率响应。光电二极管的频率响应。（2 2）提高了对光的吸收和光电变化区域，使量子效率提高。）提高了对光的吸收和光电变化区域，使量子效率提高。（3 3）提高了长波灵敏度。）提高了长波灵敏度。（4 4）使线性输出范围变宽。）使线性输出范围变宽。2024/6/28471、PIN光电二极管10-4几种特殊光电器件（1）提 2 2、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APDAPD）APDAPD是借助是借助强电场作用产生载流子雪崩倍增效应强电场作用产生载流子雪崩倍增效应的一种的一种高速、高灵敏度高速、高灵敏度的光电器件。它广泛应用于光的光电器件。它广泛应用于光纤通信、弱信号检测、激光测距等领域。纤通信、弱信号检测、激光测距等领域。2024/6/28482、雪崩光电二极管（APD）APD是借助强电场作 3 3、色敏光电器件、色敏光电器件2024/6/28493、色敏光电器件2023/8/1149 用双结光电二极管测量颜色时，通常测量两个光用双结光电二极管测量颜色时，通常测量两个光电二极管的短路电流比（电二极管的短路电流比（I ISC2SC2/I/ISC1SC1）与入射波长的关）与入射波长的关系，每一种波长的光都对应于一个短路电流比值，根系，每一种波长的光都对应于一个短路电流比值，根据短路电流比值判别入射光的波长，达到识别颜色的据短路电流比值判别入射光的波长，达到识别颜色的目的。目的。2024/6/2850用双结光电二极管测量颜色时，通常测量两个光电二极管的（一）光电式传感器的基本组成和类型（一）光电式传感器的基本组成和类型光源光源光学光学通路通路光电光电器件器件测量测量电路电路1 12 2I IX X1 1被测量被测量X X2 2被测量被测量把光电器件输出电信号把光电器件输出电信号转换成电路的可用信号转换成电路的可用信号1 1、基本组成、基本组成10-5 10-5 光电式传感器的应用光电式传感器的应用2024/6/2851（一）光电式传感器的基本组成和类型光源光学通路光电器件测量电2 2、基本类型、基本类型（1 1）透射式透射式p p0 0 A A A A被测对象被测对象A A所吸收的光通量所吸收的光通量 P P光敏元件所接收的光通量光敏元件所接收的光通量 0 0光源发出一定的光通量光源发出一定的光通量I IF(F(P P)F F(A A)测量液体、气体和固体的透明度和混浊度。测量液体、气体和固体的透明度和混浊度。A AA A光敏光敏元件元件p pI I被测对象被测对象0 02024/6/28522、基本类型（1）透射式p0AIF(2)(2)反射式反射式测量表面粗糙度测量表面粗糙度p p0 0 A AA A被测对象损失光通量被测对象损失光通量(3)(3)辐射式辐射式I IF(F(P P)F(F(0 0)F F(T)(T)如光电高温计和炉子燃烧监视装置如光电高温计和炉子燃烧监视装置p p0 02024/6/2853(2)反射式测量表面粗糙度p0AA被测对象损(4)(4)遮挡式遮挡式I IF F（P P）F F（A A）光敏光敏元件元件(5)(5)开关式开关式，光路，光路“通通”与与“不通不通”用于开关，计数，编码等。用于开关，计数，编码等。2024/6/2854(4)遮挡式IF（P）F（A）光敏(5)开关式，光1、烟尘浊度监测仪（二）光电传感器的应用举例（二）光电传感器的应用举例平行平行光源光源光电光电探测探测放大放大显示显示刻度刻度 校正校正报警器报警器吸收式烟尘浊度检测系统原理图吸收式烟尘浊度检测系统原理图烟道烟道2024/6/28551、烟尘浊度监测仪（二）光电传感器的应用举例平行光电刻度吸收2024/6/28562023/8/11562 2、光电转速传感器、光电转速传感器231光电数字式转速表工作原理图光电数字式转速表工作原理图2024/6/28572、光电转速传感器231光电数字式转速表工作原理图2023/2024/6/28582023/8/1158 光电池主要有两大类型的应用：光电池主要有两大类型的应用：将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。将光电池作光电转换器件应用，主要用于光电检测和自动控制系统中。3 3、光电池应用、光电池应用2024/6/2859光电池主要有两大类型的应用：3、光电池应用2023（1 1）太阳电池电源）太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。太阳能电池电源系统太阳能电池电源系统调节控制器逆变器交流负载太阳电池方阵直流负载阻塞二极管2024/6/2860（1）太阳电池电源太阳能电池电源系统逆变器交流负载太阳2024/6/28612023/8/1161（2 2）在光电检测和自动控制方面的应用）在光电检测和自动控制方面的应用 由于光电池工作时不不需需要要外外加加电电压压；光光电电转转换换效效率率高高，光光谱谱范范围围宽宽，频频率率特特性性好好，噪噪声声低低等等，它已广泛地用于光光电电读读出出、光光电电耦耦合合、光光栅栅测测距距、激激光光准准直直、电电影影还还音音、紫紫外外光光监监视视器器和和燃燃气气轮轮机机的的熄熄火保护装置火保护装置等。2024/6/2862（2）在光电检测和自动控制方面的应用2023/8/1162谢谢观看谢谢观看谢谢观看63谢谢观看谢谢观看谢谢观看64