第九章半导体式传感器

1、2021-8-21 9.1 9.1 气敏传感器气敏传感器 9.29.2 热热敏传感器敏传感器 9.39.3 湿敏传感器湿敏传感器 9.49.4 色敏传感器色敏传感器 9.59.5半导体式传感器的应用半导体式传感器的应用 第九章第九章 半导体传感器半导体传感器 2021-8-22 2021-8-23 2021-8-24 N N型半导体与气体接触型半导体与气体接触 时的氧化还原反映时的氧化还原反映 2021-8-25 2021-8-26 2021-8-27 2021-8-28 气敏传感器测量电路气敏传感器测量电路 2021-8-29 例如例如, , 用氧化锡制成的气敏元件用氧化锡制成的气敏元件,

2、, 在常温下吸附某种在常温下吸附某种 气体后气体后, , 其电导率变化不大其电导率变化不大, , 若保持这种气体浓度不变若保持这种气体浓度不变, , 该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加, , 尤其在尤其在100100 300300范围内电导率变化很大。显然范围内电导率变化很大。显然, , 半导体电导率的增半导体电导率的增 加是由于多数载流子浓度增加的结果。加是由于多数载流子浓度增加的结果。 氧化锡、氧化锡、 氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系 如图如图9 - 19 - 1（b b）所示。）所示。 由上述分析

3、可以看出由上述分析可以看出, , 气敏元件工作时需要本身的温气敏元件工作时需要本身的温 度比环境温度高很多。因此度比环境温度高很多。因此, , 气敏元件结构上气敏元件结构上, , 有电阻丝有电阻丝 加热加热, , 结构如图结构如图9 - 29 - 2所示所示, 1, 1和和2 2是加热电极是加热电极, 3, 3和和4 4是气敏是气敏 电电阻的一对电极。阻的一对电极。 2021-8-210 2021-8-211 2021-8-212 2021-8-213 2021-8-214 2021-8-215 MOSMOS二极管气敏元件结构和等效电路二极管气敏元件结构和等效电路 2021-8-216 2 2

4、）MOSFETMOSFET气敏元件气敏元件 PdPd对对H2H2吸附性很强，吸附性很强，H2H2吸附在吸附在PdPd栅上引起的栅上引起的Pd Pd 功函数降低。当栅极（功函数降低。当栅极（G G）源极（）源极（S S）间加正向偏）间加正向偏 压压UGSUTUGSUT阀值时，栅极氧化层下的硅从阀值时，栅极氧化层下的硅从P P变为变为N N型，型， N N型区将型区将S S（源）和（源）和 D D（漏）连接起来，（漏）连接起来， 形成导电通道（形成导电通道（N N型型 沟道）此时沟道）此时MOSFET MOSFET 进入工作状态。进入工作状态。 钯钯Pd Pd MOSFETMOSFET管结构 管结

5、构 2021-8-217 在在S S D D间加电压间加电压U UDSDS，S S D D间有电流间有电流I IDS DS 流过，流过，I IDSDS随随U UDSDS、U UGSGS变化。当变化。当U UGSGSUUT T时，沟时，沟 道没形成，无漏源电流道没形成，无漏源电流I IDS DS = 0= 0。 U UT T（阀值）电压大小与金属与半导体间的功（阀值）电压大小与金属与半导体间的功 函数有关。函数有关。 Pd Pd MOSFET MOSFET器件就是利用器件就是利用H H2 2在钯栅极吸附在钯栅极吸附 后改变功函数使后改变功函数使U UT T下降，检测下降，检测H H2 2浓度。浓

6、度。 2021-8-218 3 3）肖特基二极管）肖特基二极管 金属和半导体接触的界面形成肖金属和半导体接触的界面形成肖 特基势垒，构成金属半导体二极管。特基势垒，构成金属半导体二极管。 管子加正偏压，半导体金属的电子管子加正偏压，半导体金属的电子 流增加，加负偏压，几乎无电流。流增加，加负偏压，几乎无电流。 当金属与半导体界面有气体时，势当金属与半导体界面有气体时，势 垒降低，电流变化。垒降低，电流变化。 非电阻型半导体气敏传感器主要非电阻型半导体气敏传感器主要 用于氢气浓度测量。用于氢气浓度测量。 2021-8-219 接触燃烧式气敏元件的检测电路接触燃烧式气敏元件的检测电路 F1F1是气

7、敏元件，是气敏元件，F2F2是补偿元件，当是补偿元件，当F1F1与气体接触时，产生氧与气体接触时，产生氧 化作用，释放热量，使气敏元件温度上升，电阻增大，电桥化作用，释放热量，使气敏元件温度上升，电阻增大，电桥 不再平衡，不再平衡，A A、B B间产生电位差间产生电位差E E。 2021-8-220 气体浓度检测气体浓度检测 2021-8-221 防酒后驾车汽车点火电路防酒后驾车汽车点火电路 2021-8-222 一些常用的气体传感器一些常用的气体传感器 2021-8-223 贴片式贴片式 薄膜式薄膜式 大功率大功率 2021-8-224 -200-200OO +0+0850850 23 0

8、1100 t RRtbtc tt 2 0 1 t RRtbt 式中：式中： 0 R t R为温度为温度 0 0 C和和 0 tC 时的电阻值。时的电阻值。 温度温度 时，时， 0 R的公称值是的公称值是 100。 0 0 C 2021-8-225 2021-8-226 2021-8-227 热敏电阻符号热敏电阻符号 2021-8-228 PTC PTC 正温度系数型；正温度系数型； NTC NTC 负温度系数型负温度系数型； 负温度系数型热敏电阻特性曲线负温度系数型热敏电阻特性曲线 1 exp T B RA T T T R A A ， 与材料和形状有关；与材料和形状有关； B B ， 常数；常

9、数； ， 温度为温度为T T时的电阻值；时的电阻值； 2021-8-229 2021-8-230 0 R 图是一恒温电路，图是一恒温电路，A A为比较为比较 器，当环境温度达到器，当环境温度达到TT时，时， 输出信号实现自动调温控制。输出信号实现自动调温控制。 同相端输入有同相端输入有RP1RP1、R2R2、R3R3 分压确定作比较电平，分压确定作比较电平，RPRP可调可调 节比较器的比较电平，从而调节比较器的比较电平，从而调 节所需控制温度。节所需控制温度。 热敏电阻的恒温控制电路热敏电阻的恒温控制电路 2021-8-231 湿度：空气中水汽的含量湿度：空气中水汽的含量 应用领域：应用领域：

10、 工农业工农业 气象气象 环保环保 国防国防 科研科研 航空航天航空航天 2021-8-232 绝对湿度绝对湿度(Absolute humidity)(Absolute humidity) 绝对湿度是指单位体积的湿空气中所包含的绝对湿度是指单位体积的湿空气中所包含的 水蒸汽的质量，也就是空气中水蒸汽的密度。水蒸汽的质量，也就是空气中水蒸汽的密度。 一般用一般用kg/m3kg/m3或或g/m3g/m3作单位，即一立方米湿空气作单位，即一立方米湿空气 中所含水蒸汽的千克数或克数。中所含水蒸汽的千克数或克数。 基本概念基本概念: : 干空气与湿空气：干空气与湿空气： （Dry air and Wet

11、 airDry air and Wet air） 通常把不包含水汽的空气称为干空气，把通常把不包含水汽的空气称为干空气，把 包含干空气与水蒸汽的混合气体称为湿空气。包含干空气与水蒸汽的混合气体称为湿空气。 2021-8-233 道尔顿部分压力定律道尔顿部分压力定律 (Daltons partial pressure law)(Daltons partial pressure law) 在常温常压下，一定体积混合气体的压力，在常温常压下，一定体积混合气体的压力， 等于其各组成成分分别单独在相同体积内产生等于其各组成成分分别单独在相同体积内产生 的部分压力之和。的部分压力之和。 饱和蒸汽压饱和蒸汽

12、压 （Saturation pressure of water vaporSaturation pressure of water vapor） 由饱和蒸汽产生的部分压力，称为该温度下由饱和蒸汽产生的部分压力，称为该温度下 的饱和蒸汽压。饱和蒸汽压仅与空气的温度有的饱和蒸汽压。饱和蒸汽压仅与空气的温度有 关，不受压力影响关，不受压力影响. . 2021-8-234 饱和蒸汽压计算的经验公式饱和蒸汽压计算的经验公式 2021-8-235 2021-8-236 露点与霜点露点与霜点: : （Dew Point and Frost PointDew Point and Frost Point） 湿空

13、气在气压不变条件下使其所含水蒸汽达湿空气在气压不变条件下使其所含水蒸汽达 到饱和状态时所必须冷却到的温度称为露点温到饱和状态时所必须冷却到的温度称为露点温 度或露点。若露点温度低于度或露点。若露点温度低于00，水汽实际将凝，水汽实际将凝 结成霜，结成霜， 称为霜点温度或霜点。称为霜点温度或霜点。 湿度计湿度计（HygrometerHygrometer）: : 湿度计是用来测量湿度的仪器或装置。由湿度计是用来测量湿度的仪器或装置。由 于湿度受温度的影响很大，湿度的测量常常伴于湿度受温度的影响很大，湿度的测量常常伴 随着对温度的测量。同时测量温度和湿度的装随着对温度的测量。同时测量温度和湿度的装

14、置叫温湿度计。置叫温湿度计。 2021-8-237 最最 新新 湿湿 度度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 为什么要测量湿度为什么要测量湿度? ? 温温湿度变送器湿度变送器 h, T x 室室 内内 空空 气气 质质 量量 100% rH 贮贮 存存 / / 催催 熟熟 生生 产产 空空 气气 质质 量量 烘烘 干干 过过 程程 - 耗费最低的能量耗费最低的能量 - 达到达到 / 保持成品的最佳品质保持成品的最佳品质 - 让设备高效率地进行生产让设备高效率地进行生产 - 更舒适更舒适 - 更高的工作效率更高的工作效率 - 使产品或原材料达到最佳品质使产品或原材料达到最佳品质 2021-8-

15、238 LiCl LiCl是易吸潮的物质，吸潮后电阻变小，在干燥是易吸潮的物质，吸潮后电阻变小，在干燥 环境中又会脱潮而电阻增大。利用这一特性，用两根环境中又会脱潮而电阻增大。利用这一特性，用两根 钯丝作为电极按相等间距平行绕在聚苯乙烯筒上，钯丝作为电极按相等间距平行绕在聚苯乙烯筒上， 再以水溶液与皂化聚乙烯醋酸涂敷后制成敏感元件。再以水溶液与皂化聚乙烯醋酸涂敷后制成敏感元件。 不同浓度的不同浓度的LiClLiCl涂料适合不同的相对湿度范围，如涂料适合不同的相对湿度范围，如 图所示。多个这样的湿敏元件依次切换，便可扩大相图所示。多个这样的湿敏元件依次切换，便可扩大相 对湿度的测量范围、对湿度的

16、测量范围、 这种测湿原理是这种测湿原理是19381938年由年由顿蒙顿蒙 (Dunmon(Dunmon) )发明的，故有顿蒙传感器之称。发明的，故有顿蒙传感器之称。 2021-8-239 RH 030%60% 90% R/ 0.01 0.1 1 10 0.25% 0.5% 2.2% 1% LiClLiCl 湿敏元件特性湿敏元件特性 后来出现玻璃基板后来出现玻璃基板( (多孔无碱破璃多孔无碱破璃) )两端嵌以金箔，再两端嵌以金箔，再 浸以浸以Lic1Lic1溶液，干燥后成为湿敏元件。这种传感器误差可溶液，干燥后成为湿敏元件。这种传感器误差可 在在+ +5 5以内。以内。 2021-8-240 氯

17、化锂湿敏电阻属电解质湿敏电阻，利用物质吸氯化锂湿敏电阻属电解质湿敏电阻，利用物质吸 收水分子而导电率发生变化检测湿度。收水分子而导电率发生变化检测湿度。 在氯化锂（在氯化锂（LiClLiCl）溶液中，）溶液中，LiLi和和ClCl以正负离子的以正负离子的 形式存在，锂离子（形式存在，锂离子（Li+Li+）对水分子的吸收力强，）对水分子的吸收力强， 离子水合成度高，溶液中的离子导电能力与溶液离子水合成度高，溶液中的离子导电能力与溶液 的离子数目成正比，当溶液置于一定湿度场中，的离子数目成正比，当溶液置于一定湿度场中， 若环境若环境RHRH上升，溶液吸收水分子使导电上升，溶液吸收水分子使导电离子数

18、目离子数目 增多，电阻率增多，电阻率下降。反之环境下降。反之环境RHRH下降，电阻率下降，电阻率 上升。上升。 2021-8-241 v 氯化锂湿敏元件的优点是滞后小氯化锂湿敏元件的优点是滞后小, , 不受测试环境风速影响不受测试环境风速影响, , 检测精度高达检测精度高达%, %, 但其耐热性差但其耐热性差, , 不能用于不能用于露点露点以下测以下测 量量, ,否则否则LiclLicl会流失。会流失。器件性能的重复性不理想器件性能的重复性不理想, , 使用寿命使用寿命 短。短。 v LiclLicl元件的电源必须用交流电，以免出现极化。应防尘防油元件的电源必须用交流电，以免出现极化。应防尘防

19、油 污。污。 氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻 2021-8-242 半导体陶瓷湿敏电阻通常用两种以上的金属半导体陶瓷湿敏电阻通常用两种以上的金属 氧化物氧化物半导体烧结成多孔陶瓷，材料有正半导体烧结成多孔陶瓷，材料有正湿湿度度 系数和负系数和负湿湿度系数两种。度系数两种。 陶瓷的化学稳定性最好且耐高温，便于陶瓷的化学稳定性最好且耐高温，便于 采用加热法去除油污。多孔陶瓷的表面面积大，采用加热法去除油污。多孔陶瓷的表面面积大， 易于吸湿和去湿，响应时间短。易于吸湿和去湿，响应时间短。 2021-8-243 1. 1. 负特性湿敏半导瓷负特性湿敏半导瓷 负湿敏特性负湿敏特性半导体瓷湿敏半导体瓷湿敏

20、电阻，电阻随湿度增加而电阻，电阻随湿度增加而 下降。由于水分子中氢原下降。由于水分子中氢原 子具有很强的正电场，当子具有很强的正电场，当 水分子在半导体瓷表面吸水分子在半导体瓷表面吸 附时可能从半导体瓷表面附时可能从半导体瓷表面 俘获电子，使半导体表面俘获电子，使半导体表面 带负电，相当于表面电势带负电，相当于表面电势 变负，电阻率随湿度增加变负，电阻率随湿度增加 而下降。而下降。 2021-8-244 正湿敏特性正湿敏特性半导体半导体陶陶瓷湿瓷湿 敏电阻（例：敏电阻（例：FeFe3 3O O4 4），材料），材料 结构、电子能量状态与负特结构、电子能量状态与负特 性不同，性不同，电阻值升高没

21、有负电阻值升高没有负 特性湿敏电阻阻值下降的明特性湿敏电阻阻值下降的明 显。显。 2. 2. 正特性湿敏半导瓷的导电机理正特性湿敏半导瓷的导电机理 2021-8-245 3. 3. 典型半导瓷湿敏元件典型半导瓷湿敏元件 （1 1）MgCr2O4-TiO2MgCr2O4-TiO2湿敏元件：湿敏元件： 氧化镁复合氧化物氧化镁复合氧化物- -二氧化钛二氧化钛湿敏材湿敏材 料通常制成多孔陶瓷型料通常制成多孔陶瓷型“湿湿- -电电”转换器转换器 件件, , 它是负特性半导瓷它是负特性半导瓷, MgCr2O4, MgCr2O4为型为型 半导体半导体, , 它的电阻率低它的电阻率低, , 阻值温度特性阻值温

22、度特性 好好, , 结构如图结构如图9 - 79 - 7所示所示, , 在在MgCr2O4-MgCr2O4- TiO2TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极。陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极。 2021-8-246 2021-8-247 2021-8-248 （2 2） ZnO-Cr2O3ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件陶瓷湿敏元件 ZnO-Cr2O3ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料湿敏元件的结构是将多孔材料 的电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上的电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上, , 并并 焊上铂引线焊上铂引线, , 然后将敏感元件装入有网眼过然后将敏感元件装入有网眼过 滤的方形塑料盒中用

23、树脂固定而做成的，滤的方形塑料盒中用树脂固定而做成的， 其其 结构如图结构如图9 - 99 - 9所示。所示。 ZnO-Cr2O3ZnO-Cr2O3传感器传感器能连续稳定地测量湿度能连续稳定地测量湿度, , 而无需加热除污装置而无需加热除污装置, , 因此功耗低于因此功耗低于0.5 0.5 , , 体积小体积小, , 成本低成本低, , 是一种常用测湿传感器。是一种常用测湿传感器。 2021-8-249 2021-8-250 半导体色敏传感器是半导体光敏感器件中的一种。半导体色敏传感器是半导体光敏感器件中的一种。 它是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器它是基于内光电效应将光信号转

24、换为电信号的光辐射探测器 件。件。 但不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它们检测但不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它们检测 的都是在一定波长范围内光的强度的都是在一定波长范围内光的强度, , 或者说光子的数目。而或者说光子的数目。而 半导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到近红外波段内半导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到近红外波段内 单色辐射的波长。这是近年来出现的一种新型光敏器件。单色辐射的波长。这是近年来出现的一种新型光敏器件。 一、一、 半导体色敏传感器的基本原理半导体色敏传感器的基本原理 半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电

25、二极 管的组合管的组合, , 故又称光电双结二极管。故又称光电双结二极管。 其结构原理及等效电路其结构原理及等效电路 如图如图9 - 109 - 10所示。所示。 为了说明色敏传感器的工作原理为了说明色敏传感器的工作原理, , 有必要有必要 了解光电二极管的工作机理。了解光电二极管的工作机理。 2021-8-251 2021-8-252 1. 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理 对于用半导体硅制造的光电二极管对于用半导体硅制造的光电二极管, 在受光照射时在受光照射时, 若入若入 射光子的能量射光子的能量h大于硅的禁带宽度大于硅的禁带宽度Eg, 则光子就激发价带中则光子就激发价带中 的电子

26、跃迁到导带而产生一对电子的电子跃迁到导带而产生一对电子-空穴。空穴。 这些由光子激发而产生的电子这些由光子激发而产生的电子空穴统称为光生载流子。空穴统称为光生载流子。 光电二极管的基本部分是一个光电二极管的基本部分是一个-结结, 产生的光生载流子只产生的光生载流子只 要能扩散到势垒区的边界要能扩散到势垒区的边界, 其中少数载流子（专指其中少数载流子（专指P区中的电区中的电 子和子和N区的空穴）就受势垒区强电场的吸引而被拉向对面区区的空穴）就受势垒区强电场的吸引而被拉向对面区 域域, 这部分少数载流子对电流作出贡献。这部分少数载流子对电流作出贡献。 多数载流子多数载流子（P区区 中的空穴或中的空

27、穴或N区中的电子）则受势垒区电场的排斥而留在势区中的电子）则受势垒区电场的排斥而留在势 垒区的边缘。垒区的边缘。 2021-8-253 在势垒区内产生的光生电子和光生空穴在势垒区内产生的光生电子和光生空穴, 则分别被电场则分别被电场 扫向扫向N区和区和P区区, 它们对电流也有贡献。它们对电流也有贡献。 用能带图来表示上用能带图来表示上 述过程如图述过程如图9 - 11（a）所示。）所示。 图中图中Ec表示导带底能量表示导带底能量; Ev表表 示价带顶能量。示价带顶能量。 “”表示带正电荷的空穴表示带正电荷的空穴; “ ”表示电子。表示电子。 IL表示光电流表示光电流, 它由势垒区两边能运动到势

28、垒边缘的少数载它由势垒区两边能运动到势垒边缘的少数载 流子和势垒区中产生的电子流子和势垒区中产生的电子-空穴对构成空穴对构成, 其方向是由其方向是由N区流区流 向向P区区, 即与无光照射即与无光照射P-N结的反向饱和电流方向相同。结的反向饱和电流方向相同。 当当P-N结外电路短路时结外电路短路时, 这个光电流将全部流过短接回路这个光电流将全部流过短接回路, 即即 从从P区和势垒区流入区和势垒区流入N区的光生电子将通过外短接回路全部区的光生电子将通过外短接回路全部 流到流到P区电极处区电极处, 与与P区流出的光生空穴复合。因此区流出的光生空穴复合。因此, 短接时短接时 外回路中的电流是外回路中的

29、电流是L, 方向由方向由P端经外接回路流向端经外接回路流向N端端 。 2021-8-254 2021-8-255 这时这时, P-N结中的载流子浓度保持平衡值结中的载流子浓度保持平衡值, 势垒高度（图势垒高度（图9 - 11（a）中的）中的q(UD-U)）亦无变化。）亦无变化。 当当P-N结开路或接有负载时结开路或接有负载时, 势垒区电场收集的光生载流势垒区电场收集的光生载流 子便要在势垒区两边积累子便要在势垒区两边积累, 从而使从而使P区电位升高区电位升高, N区电位降低区电位降低, 造成一个光生电动势造成一个光生电动势, 如图如图9 - 11（b）所示。该电动势使原）所示。该电动势使原P-

30、N 结的势垒高度下降为结的势垒高度下降为q（U -U）。其中 ）。其中V即光生电动势即光生电动势,它相当它相当 于在于在P-N结上加了正向偏压。只不过这是光照形成的结上加了正向偏压。只不过这是光照形成的, 而不是而不是 电源馈送的电源馈送的, 这称为光生电压这称为光生电压, 这种现象就是光生伏特效应。这种现象就是光生伏特效应。 2021-8-256 光在半导体中传播时的衰减是由于价带电子吸收光子而光在半导体中传播时的衰减是由于价带电子吸收光子而 从价带跃迁到导带的结果从价带跃迁到导带的结果, 这种吸收光子的过程称为本征吸收。这种吸收光子的过程称为本征吸收。 硅的本征吸收系数随入射光波长变化的曲

31、线如图硅的本征吸收系数随入射光波长变化的曲线如图9 - 12所示。所示。 由图可见由图可见, 在红外部分吸收系数小在红外部分吸收系数小, 紫外部分吸收系数大。紫外部分吸收系数大。 这这 就表明就表明, 波长短的光子波长短的光子衰减快衰减快, 穿透深度较浅穿透深度较浅, 而波长长的光子而波长长的光子 则能进入硅的较深区域。则能进入硅的较深区域。 对于光电器件而言对于光电器件而言, 还常用量子效率来表征光生电子流与还常用量子效率来表征光生电子流与 入射光子流的比值大小。入射光子流的比值大小。 其物理意义是指单位时间内每入射其物理意义是指单位时间内每入射 一个光子所引起的流动电子数。一个光子所引起的

32、流动电子数。 根据理论计算可以得到根据理论计算可以得到, P区区 在不同结深时量子效率随波长变化的曲线如图在不同结深时量子效率随波长变化的曲线如图9 - 13所示。图所示。图 中中xj即表示结深。浅的即表示结深。浅的P-N结有较好的蓝紫光灵敏度结有较好的蓝紫光灵敏度, 深的深的P-N 结则有利于红外灵敏度的提高结则有利于红外灵敏度的提高, 半导体色敏器件正是半导体色敏器件正是利用了这利用了这 一特性。一特性。 2021-8-257 2021-8-258 2021-8-259 2. 半导体色敏传感器工作原理半导体色敏传感器工作原理 在图在图9 - 10中所表示的中所表示的P-N-P不是晶体管不是

33、晶体管, 而是结深不而是结深不 同的两个同的两个P-N结二极管结二极管, 浅结的二极管是浅结的二极管是P-N结结; 深结的二深结的二 极管是极管是P-N结。结。 当有入射光照射时当有入射光照射时, P、N、P三个区域及三个区域及 其间的势垒区中都有光子吸收其间的势垒区中都有光子吸收, 但效果不同。如上所述但效果不同。如上所述, 紫外紫外 光部分吸收系数大光部分吸收系数大, 经过很短距离已基本吸收完毕。在此经过很短距离已基本吸收完毕。在此, 浅浅 结的即是光电二极管对紫外光的灵敏度高结的即是光电二极管对紫外光的灵敏度高, 而红外部分吸收而红外部分吸收 系数较小系数较小, 这类波长的光子则主要在深

34、结区被吸收。这类波长的光子则主要在深结区被吸收。 因此因此, 深深 结的那只光电二极管对红外光的灵敏度较高。结的那只光电二极管对红外光的灵敏度较高。 2021-8-260 这就是说这就是说, 在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有 不同的灵敏度。这一特性给我们提供了将这种器件用于颜色识不同的灵敏度。这一特性给我们提供了将这种器件用于颜色识 别的可能性别的可能性, 也就是可以用来测量入射光的波长也就是可以用来测量入射光的波长。将两只结深。将两只结深 不同的光电二极管组合不同的光电二极管组合, 图图 9 - 14硅色敏管中硅色敏管中VD 和 和VD 的光谱

35、 的光谱 响应曲线就构成了可以测定波长的半导体色敏传感器。响应曲线就构成了可以测定波长的半导体色敏传感器。 在具在具 体应用时体应用时, 应先对该色敏器件进行标定。也就是说，测定不同应先对该色敏器件进行标定。也就是说，测定不同 波长的光照射下波长的光照射下, 该器件中两只光电二极管短路电流的比值该器件中两只光电二极管短路电流的比值 SD2 SD1, SD1是浅结二极管的短路电流是浅结二极管的短路电流, 它在短波区较大。它在短波区较大。 SD2是深结二极管的短路电流是深结二极管的短路电流, 它在长波区较大它在长波区较大, 因而二者因而二者 的比值与入射单色光波长的关系就可以确定。根据标定的曲线的

36、比值与入射单色光波长的关系就可以确定。根据标定的曲线, 实测出某一单色光时的短路电流比值实测出某一单色光时的短路电流比值, 即可确定该单色光的波即可确定该单色光的波 长。长。 图图9 - 14表示了不同结深二极管的光谱响应曲线。表示了不同结深二极管的光谱响应曲线。 图中图中 VD 代表浅结二极管 代表浅结二极管,VD 代表深结二极管。 代表深结二极管。 2021-8-261 2021-8-262 二、二、 半导体色敏传感器的基本特征半导体色敏传感器的基本特征 1. 光谱特性光谱特性 半导体色敏器件的光谱特性是表示它所能检测的波长范半导体色敏器件的光谱特性是表示它所能检测的波长范 围围, 不同型

37、号之间略有差别。不同型号之间略有差别。 图图9 - 15（a）给出了国产）给出了国产CS 型半导体色敏器件的光谱特性型半导体色敏器件的光谱特性, 其波长范围是其波长范围是4001000 nm。 2. 短路电流比短路电流比波长特性波长特性 短路电流比短路电流比波长特性是表征半导体色敏器件对波长的波长特性是表征半导体色敏器件对波长的 识别能力识别能力, 是赖以确定被测波长的基本特性。图是赖以确定被测波长的基本特性。图9 - 15（b）表）表 示上述示上述CS-型半导体色敏器件的短路电流比型半导体色敏器件的短路电流比波长特性曲线。波长特性曲线。 3. 温度特性温度特性 由于半导体色敏器件测定的是两只

38、光电二极管短路电流由于半导体色敏器件测定的是两只光电二极管短路电流 之比之比, 而这两只光电二极管是做在同一块材料上的而这两只光电二极管是做在同一块材料上的, 具有相同具有相同 的温度系数的温度系数, 这种内部补偿作用使半导体色敏器件的短路电流这种内部补偿作用使半导体色敏器件的短路电流 比对温度不十分敏感比对温度不十分敏感, 所以通常可不考虑温度的影响。所以通常可不考虑温度的影响。 2021-8-263 2021-8-264 一、一、 实用酒精测试仪实用酒精测试仪 图图9 - 16 所示为实用酒精测试仪的电路。所示为实用酒精测试仪的电路。 该测试仪只要该测试仪只要 被试者向传感器吹一口气被试者向传感器吹一口气, 便可显示出醉酒的程度便可显示出醉酒的程度, 确定被试确定被试 者是否还适宜驾驶车辆。者是否还适宜驾驶车辆。 气体传感器选用二氧化锡气敏元件。气体传感器选用二氧