PSD原理及参数.doc

4。 PSD（1）PSD的工作原理PSD是一种基于非均匀半导体横向光电效应的、对入射光或粒子位置敏感的光电器件。它的PN结结构、工作状态、光电转换原理等与普通光敏二极管类似，但它的工作原理与普通光敏二极管完全不同。普通光敏二极管是基于P-N结或肖特基结的纵向光电效应，而PSD是基于P-N结或肖特基结的横向光电效应，事实上是纵向光电效应和横向光电效应的综合。普通光敏二极管通过光电流的大小反应入射光的强弱，是光电转换器件和控制器件。而位置敏感探测器（PSD）不仅是光电转换器，更重要的是光电流分配器件，通过合理设置分流层和收集电流的电极，根据各电极上收集到的电流信号的比例确定入射光的位置。从这个意义上说，PSD是普通光敏二极管进一步细化的产品。基于PIN二极管型的PSD相当于在P-N结构的P层与N层之间插入高阻本征层（I层），当加不太大的反偏电压时I层就己全部耗尽，于是势垒宽度大大增加。而在势垒区内有接近I的量子效率和饱和载流子运动，且势垒区宽度可减小势垒电容。因此，I层的引入可以显著地缩短器件的响应时间。另外，由于其红外光的吸收系数较小，所以PSD是理想的红外探测器。PSD可分为线型（一维）PSD和面型（二维）PSD，前者可检测光点在一维线上的位置，后者可检测光点在平面上的位置坐标。一维PSD在敏感面的两端设有电极，而二维PSD的四边均设有电极。当PSD敏感面受到光斑局部的非均匀照射时，在其敏感面上将建立起与光斑位置相关的平行于敏感面的横向电压，如果光斑持续照射，并在PSD的电极上外接电路，将形成向两极流动的电流，两极电流的大小与光斑的位置有关。因此，根据电极电流的大小即可算出光斑的位置。下面对一维PSD的计算公式做简要介绍。如图332所示，设在PSD表面的两平行电极上产生光电流I1、I2。设总的光生电流为I0，显然I0=I1+I2。I1和I2的大小与光束照射到PSD光敏面上的位置到两输出电极的距离成反比，即有下式存在：式中，L为PSD中点到电极的距离，X为入射光点距PSD中点的距离。将式I0=I1+I2代入式（327），得：（2）PSD的性能参数分析PSD的主要性能参数有：受光面积光谱响应范围位置检测误差位置分辨率线性度等1）受光面积理想情况下，PSD是检测光敏面上光点中心（照度中心）位置的光电检测元件。因此，通常在PSD前面设置聚光透镜，使受光面上的光点较小。选择受光面积合适的PSD，确保光点进入受光面。对于位移、距离等测量系统，当被测物移动时，光点在PSD上移动。所以，传感器的测量范围与PSD的长度密切相关。2）光谱响应范围在单位光功率的单色光照射下，PSD的输出电流随入射光波长变化而变化的关系称为光谱响应范围。不同波长的光源照射，PSD输出的电流大小不同。设计时为了达到最佳效果，通常选用峰值响应较高的光源。在外部有遮挡的情况下，由于周围的光不能进入PSD，在一定的敏感波长范围内采用任何光源都不会有问题。然而，对于有其它混合光源的场合，如：白炽光、荧光、水银光，太阳光等入射到PSD上，则信号光源的光就被淹没了。这时，PSD的窗口材料要采用可见光截止型的。3）位置检测误差位置检测误差是指光点的实际移动量与用PSD两极电流计算出的移动量之间的差值，即实际的光点位置与检测的光点位置的差值，最大约为全受光长的2%-3%。PSD的位置检测精度也就相当于此程度。若要求更高的检测精度时，可应用查表补偿或调整增益。一维PSD的位置测量误差（X是理论值，Xc是测量值）。如果是二维PSD，分为X方向误差X、Y方向误差Y和总误差r，4）位置分辨率位置分辨率是指PSD光敏面能检测到的最小位置变化，用受光面上的距离表示。由公式（328）得: (3-29)由微小变化X引起的位置计算变化量为：由式（331）可知，器件尺寸越大，即L越大。PSD的位置分辨率越高。现实中为了提高PSD的位置分辨率，就必须增大PSD的分流层电阻，减小暗电流，此外还需选择低噪声的运算放大器以及分辨率足够高的测试仪表。5）线性度位置误差是指PSD测量位置与实际位置之间的绝对误差，其中Xi为实际位置，Xn为测量位置。