半导体传感器2014-2.ppt

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的光传感器，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成，这里我们主要考虑光电元件部分。常见的半导体光电传感器有光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管等器件。,第二章半导体光电传感器,光电传感器的物理基础是光电效应，是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。如果把光看做波群，则波群的能量E和频率之间的关系为：不同颜色的光子因其光波频率不同而能量不同，频率越高，光子能量越大。光照射在物体上，一系列能量为E的光子被电子吸收产生光电效应。光电效应分为两大类：外光电效应和内光电效应。,2.1光电传感器的物理效应,（h为普朗克常数）,一、外光电效应在光线的作用下，物体表面电子吸收光子的能量，逸出物体表面的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子，基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。,外光电效应要求入射光子的能量hW（电子的逸出功），所以利用外光电效应制作的光电器件，对入射光都有一个确定的频率限，称为“红限”。相应的入射光波长k为：,式中c光速：W逸出功。,光电管,光电管结构如图2.1所示，在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极K和光电阳极A。阴极通常用逸出功W小的光敏材料（如铯）涂覆在玻璃泡内壁上做成，感光面对准光的照射孔。,图2.1光电管的结构示意图,图2.2光电管测量电路,阳极电位高于阴极，光照下从阴极表面逸出的电子达到阳极形成光电流。光强越大，光电流也越大，在图2.2的测量电路中，电流和电阻上的电压及光强成函数关系，实现光电转换。阴极材料不同的光电管适用于不同的光谱范围，且对不同频率的入射光的灵敏度不相同，所以我们需要根据检测对象时紫外光、可见光还是红外光来选择阴极材料不同的光电管，以获得满意的灵敏度。,光电倍增管,为了提高光电感的灵敏度，研制了具有电流放大能力的光电倍增管，结构如图2.3所示。在阳极和阴极之间有若干倍增极，相邻电极之间保持电位差。阴极电位最低，阳极电位最高。光电子在倍增电极之间被加速，轰击倍增电极时，引起二次电子发射，一个光电子产生多个二次电子；再被加速，继续轰击产生新电子于是，电子数量迅速增加，最后达到阳极时，形成很大的阳极电流，所以光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内有良好的线性，适用于微光测量。,图2.3光电倍增管结构示意图,入射光引起材料内部产生新的电子或空穴，这些新载流子使材料的电学性质发生变化，称之为内光电效应。半导体光传感器多基于内光电效应，根据工作原理的不同，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应两类。1.光电导效应其特点为入射光能改变材料电导率。基于光电导效应的半导体光传感器以光敏电阻为代表，在光线的作用下，光敏电阻的阻值变小。附加电导率公式：,二、内光电效应,2.光生伏特效应在内部存在势垒的材料中，入射光子在势垒区产生电子-空穴对，光生电子和空穴在内建电场的作用下向相反的方向移动，从而产生感应电势，形成光电流，这种现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有半导体光敏二极管、三极管、光电池等。,光电导效应型光传感器的典型代表为光敏电阻。光敏电阻为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体，比如硫化镉光敏电阻、硒化铟光敏电阻等。该类光电传感器的优点是灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、寿命长等；但不足之处是需要外部电源，有电流时会发热，必须考虑耗散功率的问题。,2.2光电导效应型光电传感器,一、光敏电阻的工作原理工作原理：当光照射到光敏电阻上时，若发生光电导效应，则导带电子和价带空穴数目增加，使光敏材料的电阻率变小。光照越强，阻值越低。可以通过阻值的变化情况来检测光照情况。为实现光电导效应，对入射光的能量有一定要求。比如对本征光敏电阻，要求入射光波长c：式中Eg为光敏材料的禁带宽度（eV）。所以，这样的光敏电阻检测时有长波限C。,以CdS光敏电阻为例，其结构如图2.4所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。,由于光电导效应大多发生在接受光照的表面层，所以光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案。,二、光敏电阻的结构,1-光敏电阻薄膜;2-玻璃窗口;3-金属外壳;4-电极;5-陶瓷基座;6-黑色绝缘玻璃;7-电阻引线。,RG,1,2,3,4,5,6,7,(a)结构,(b)电极,(c)符号,它是在一定的掩模下向光敏材料薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种梳状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图（c）是光敏电阻的符号。,图2.5CdS光敏电阻的内部结构和符号,三、光敏电阻的特性暗电阻和亮电阻；暗电流、亮电流和光电流光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻，此时流过的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。,光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往在M以上，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。,光照特性,图2.6表示CdS光敏电阻的光照特性，即光电流和光照度之间的关系。光敏电阻的光照特性曲线呈非线性，因此不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处，常在自动控制系统中用作光电开关。,0,1,2,3,4,5,I/mA,L/lx,1000,2000,图2.6CdS光敏电阻的光照特性,光谱特性光敏电阻对波长不同的单色光的响应灵敏度不同，其光谱特性与光敏电阻的材料（比如材料的禁带宽度、掺杂情况）有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。,20,40,60,80,100,40,80,120,160,200,240,/m,3,1,2,相对灵敏度,1硫化镉2硒化镉3硫化铅,图2.7CdS光敏电阻的光谱特性,如何调整峰值位置？,伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。如图2.8所示，光敏电阻的伏安特性近似成直线，而且无饱和现象。,实际使用中，受耗散功率的限制，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许的功耗曲线，由此可以确定正常工作电压。,图2.8CdS光敏电阻的伏安特性,频率特性用脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性（弛豫特性）。,20,40,60,80,100,I/%,f/Hz,0,10,102,103,104,由于不同材料的光敏电阻频率特性不同，但随着频率增大灵敏度会下降，如图2.9所示。硫化铅的使用频率比硫化铊高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。,硫化铅,硫化铊,图2.9光敏电阻的频率特性,在阶跃脉冲光照射下，光敏电阻的光电流要经历一段时间才达到最大饱和值；光照停止后，光电流也要经历一段时间才下降到零，这称为光电导的驰豫现象，通常用响应时间来描述，响应时间又包括上升时间tr（从光照到光敏电阻的时刻开始，到光电流达到稳定值的63%为止所经历的时间）和衰减时间tf（从撤去光照时刻到光电流衰减到稳定值的37%为止所经历的时间）。影响光敏电阻响应特性的因素有很多，例如对CdS光敏电阻：在暗处放置的时间越长，其响应时间也相应延长；光照的越强，响应时间越短；增大负载电阻，光电流的上升时间缩短，衰减时间延长。,稳定性图2.10中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，可使其性能稳定。,I/%,40,80,120,160,2,1,T/h,0,400,800,1200,1600,光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。,图2.10CdS光敏电阻的稳定性,温度特性光敏电阻的性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光谱温度特性如图2.11所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。,20,40,60,80,100,0,1.0,2.0,3.0,4.0,/m,I/mA,+20C,-20C,图2.11CdS光敏电阻的光谱温度特性,2.3光生伏特效应型光电传感器,工作原理：光生伏特效应是在光线作用下，使敏感结构产生一定方向的电动势，或产生光电流的现象。光生电动势和光电流的大小与光照强度密切相关。利用光生伏特效应制作的半导体光电传感器有半导体光电池、光敏二极管、光敏三极管。,2.3.1半导体光电池,应用最广泛的半导体光电池是硅光电池，因为它有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、耐高温辐射等优点。此外，还有锗光电池、砷化镓光电池等。以下着重介绍硅光电池。,一、光电池的结构在N型硅片上用扩散的方法形成P型区域得到一个大面积的PN结。当光照射在PN结上产生光生伏特效应时，P区和N区之间形成光生电动势。用导线连接两个区，电路中有光电流流过。,图2.12光电池的结构及电路符号,1.结构示意图,2.电路符号,二、光电池的特性,1.光谱特性,图2.13光电池的光谱特性1-硅光电池2-硒光电池,光电池对不同波长的光，其灵敏度是不同的。图2.13是硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。可见，硅光电池的适用范围宽，对应的入射光波长可在0.451.1m之间，而硒光电池只能在0.340.57m波长范围，它适用于可见光检测。实际使用中应根据光源性质来选择光电池。但是，光电池的光谱峰值位置不仅和光电池的材料有关，也和制造工艺有关，而且随着温度不同会有所移动。,2.光照特性光电池在不同的光照度下，光生电动势和光电流是不同的，如图2.14所示。开路电压与光照度的关系式非线性的，而且在光照度为2000lx时就趋于饱和，而短路电流在很大范围内与光照度呈线性关系，负载电阻越小，线性越好，且线性范围越宽，在检测连续变化的光照度时，可作电流源来使用。,图2.14硅光电池的光电特性1-开路电压特性曲线2-短路电流特性曲线,3.温度特性温度特性是光电池的重要特性之一。如图2.15所示，硅光电池的开路电压随着温度的上升而明显下降，短路电流随温度上升确实缓慢增加。因此，光电池作为检测元件时，应考虑温度补偿的问题。,图2.15硅光电池温度特性1-开路电压2-短路电流,4.频率特性光电池的频率特性是指输出电流与入射光调制频率的关系。当入射光照度变化时，由于光生电子-空穴对的产生和复合都需要一定时间，因此入射光调制频率太高时，光电池输出电流的变化幅度将下降。硅光电池的频率特性较好，工作频率的上限约为数万赫兹，而硒光电池的频率特性较差。在调制频率较高的场合，应采用硅光电池，并选择面积较小的硅光电池和较小的负载电阻，可进一步减小响应时间，改善频率特性。,2.3.2光敏二极管（光电二极管）,一、光敏二极管的结构光敏二极管的基本结构和普通二极管相似，只是其PN结设置在透明管壳顶部的正下方，可以使光线集中照射在PN结上，图2.16是光敏二极管的结构、符号及基本电路。,图2.16光敏二极管,1.结构示意图和符号,2.基本电路,二、光敏二极管的工作原理光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，反向电流的大小取决于少数载流子的浓度。无光照时，少数载流子数目很少，所以反向电流很小。当光照产生光生伏特效应时，光生电子-空穴对分别定向运动形成光电流，使反向电流明显增大。如果入射光的照度变化，光生载流子浓度相应变动，光电流也会随之变动，于是光敏二极管将光信号转换成了电信号。,简单来说，光敏二极管在反向偏压下的反向电流（主要是光电流）随光照强度的变化而变化。,三、光敏二极管的特性1.光照特性光敏二极管的光电流与光照度之间呈线性关系，其光照特性是线性的，所以适合定量检测等方面的应用。2.光谱特性特点是：存在长、短波限，存在峰值波长；pn结靠近硅片表面可提高短波响应灵敏度；使用高阻单晶硅材料，可使耗尽区在反偏压时加宽，提高长波响应灵敏度。3.暗电流的影响在实际应用中，我们期望暗电流越小越好，管芯的受光面积小、所加电压低和环境温度降低都会使暗电流减小，从而影响光敏二极管的性能。此外，硅管的暗电流要比锗管小几个数量级。,四、PIN光敏二极管PIN管是光敏二极管的改进模式。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体I层，使PN结结电容变小，从而频带将变宽，响应速度快。,P-Si,N-Si,I-Si,图2.17PIN管结构示意图,图2.18PIN光敏二极管外形,优点：频带宽，可达10GHz，提高了响应速度。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，光电转换效率高，暗电流小，线性输出范围宽。不足：I层电阻很大，PIN管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。PIN光敏二极管可用于各种数字与模拟光纤传输系统、各种家电遥控器的接收管（红外波段）等。,PIN型光电二极管的特性：,五、APD光敏二极管(雪崩式光敏二极管)APD光敏二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。其结构为，如图2.19所示。,N-Si,P-Si,P-Si,+,图2.19APD管结构示意图,图2.20APD光敏二极管外形,雪崩式光敏二极管的特性：优点：这种管子有很高的内增益（电流放大功能），具有高响应度。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光敏二极管。APD光敏二极管可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。,六、光敏二极管的应用电路1.光敏二极管与反相器的连接,图2.21光敏二极管与反相器连接电路,考虑：当光照增加，输出会怎么变化？,2.光敏二极管与晶体管组合应用电路,图2.22光敏二极管与晶体管组合应用电路,a图适用于脉冲入射光电路，输出信号与输入信号的相位相反，输出信号一般较大。b图适用于模拟信号电路，电阻RB可以减小暗电流，输出信号与输入信号的相位相同，输出信号一般较小。,a集电极输出,b发射极输出,3.光敏二极管在路灯控制器中的应用,图2.23路灯控制电路,整个电路由感光器件（光敏二极管）、整形电路、放大电路和继电器控制电路等几部分组成。其中IC1为40106起整形作用；VT1为驱动三极管，实现对继电器的控制。VR1可以调节起控亮度；VD2为续流二极管，对继电器K起保护作用。,电路原理：VD1为光敏二极管，反向偏置。光线较暗时，VD1产生的光电流很小，IC1输入电压较小，IC1输出高电平，VT1导通，继电器K得电，常开触点闭合，被控电路导通工作。当光线逐渐增强时，VD1中光电流逐渐增大，当IC1输入电压超过3V时，其输出电压变为低电平，VT1截止，继电器K失电，常开触点断开，被控电路停止工作。,2.3.3光敏三极管（光电三极管、光敏晶体管）一、光敏三极管的结构光敏三极管与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，在外型上与光敏二极管很像。其外形和结构如图2.24.,图2.24光敏三极管内部结构及符号,二、光敏三极管的工作原理当光线照射在集电结的势垒区时，产生电子-空穴对，在内电场的作用下，光生电子被拉到集电极，光生空穴流向基区形成基极电流IL（主要是光电流），于是基极与发射极间的电压差升高使发射结处于正偏状态，光敏三极管导通。当三极管处于放大状态时，集电极电流IC为光电流IL的倍，具有电流放大作用。,图2.25光敏三极管的工作电路,三、光敏三极管的特性,光敏晶体三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长，并且与具体的三极管材料有关。在图2.26中，当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。,1.光谱特性,相对灵敏度/%,硅,锗,入射光,/,4000,8000,12000,16000,100,80,60,40,20,0,硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为15000。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。,图2.26光敏三极管的光谱特性,0,500lx,1000lx,1500lx,2000lx,2500lx,I/mA,2,4,6,20,40,60,80,图2.27光敏晶体管的伏安特性,2.伏安特性,光敏三极管的伏安特性曲线如图2.27所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只要把不同光照下所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。,U/V,图2.28光敏晶体管的光照特性,I/A,L/lx,200,400,600,800,1000,0,1.0,2.0,3.0,3.光照特性光敏三极管的光照特性如图2.28所示。它给出了光敏三极管的输出电流I（如集电极电流）和照度之间的关系。在很大的光照范围内，它们之间呈现了近似线性关系；在小照度时，光电流随照度增加较小，当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，这是由于光敏三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都下降的缘故。,暗电流/mA,光电流/mA,10,20,30,40,50,60,70,T/C,25,0,50,100,0,200,300,400,10,20,30,40,50,60,70,80,T/C,图2.29光敏晶体管的温度特性,4.温度特性光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响较小，而对暗电流的影响很大。所以低照度时，暗电流的温度特性严重。改善：硅管；温度补偿；对输出交流放大，隔直电容隔断暗电流。,5.光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性曲线如图2.30所示。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。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。,0,100,1000,500,5000,10000,20,40,60,100,80,RL=1k,RL=10k,RL=100k,入射光调制频率/HZ,相对灵敏度/%,图2.30光敏晶体管的频率特性,三、光敏三极管的应用电路,图2.31中光敏三极管的工作原理主要也是考虑光电流的作用。VD和继电器这样的组合应用主要是为了保护继电器，VD为续流二极管，可以应用该电路继电器的吸合和释放去控制后续的执行机构。,1.光敏三极管光控继电器电路,图2.31光敏三极管光控继电器电路,达林顿连接法可以得到较大的输出电流，放大倍数可以达到12。b图中的光电流可以直接驱动小型继电器，c图能获得较大的输出电压。,2.光电达林顿晶体管电路,图2.32光敏三极管的达林顿电路,发光二极管或红外发射管发出光线，照射到对面的光电三极管上，输出低电平；当遮挡物插入凹槽时光线被折断，光电三极管阻值很大，输出高电平。如果把遮挡物设计成带孔的转盘，可以用来检测转速。宾馆客房的插卡式电源开关就可以采用该光电断路器。,3.光敏三极管构成的光电断路器,图2.33光敏三极管构成的光电断路器,黑色线条吸收发光二极管发出的光线，白色间隔发射光线，于是光敏三极管接收到与黑白线的位置对应的不同光信号，并输出高低电平脉冲列。这样的脉冲列经过放大、整形后就是一串01代码，然后调动原先数据库中的商品存储信息，就能找到对应产品。,4.条形码扫描笔,图2.34条形码扫描笔笔头结构,图2.35扫描笔输出的脉冲列,2.4CCD图像传感器,一、图像传感器简介,图像传感器的功能是将拍摄的图像转换成电信号，整个“摄影”的过程可以用图2.36来表示。,图2.36摄像的概念图,1.受光产生电荷,图像传感器的摄影面接受光线进行光电转换，不同位置的像素上接受的光能不同，就在该像素上对应转换成数目不同的电荷，这一过程中利用了光电效应原理。摄像管的摄影面是由在云母或玻璃灯绝缘板上涂覆光导电膜构成；而CCD图像传感器的摄影面可由大量的光敏二极管构成。,2.光生电荷的扫描,将摄影面上产生的电荷读取出来，这个过程就是扫描过程。常见的扫描方式有两种：摄像管采用的是电子扫描方式读取，而CCD图像传感器则采用固体扫描方式读取。,图2.37摄像管的扫描,摄像管扫描时，电子束一旦打中摄影面的目标位置，则该处的光生电荷形成信号电流流出。,图2.38CC