《半导体光传感器》PPT课件

1、半导体光学传感器,半导体光传感器的物理基础 光电导效应型光传感器 光生伏特效应型光传感器 电荷耦合器件（CCD）,光传感器是各种光电检测系统中实现光-电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。,半导体光传感器,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。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。 1、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，逸出物体表面向外发射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：,

2、E h,h普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）,半导体光传感器的物理基础,入射光子引起材料内部产生或感应出电子或空穴，这些载流子在材料内部引起电学性质的变化，称之为内光电效应，又叫内量子效应。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的现象，基于这种效应的光电器件以半导体光敏电阻为代表。,2、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，这种现象称为光生伏特

3、效应。 基于该效应的光电器件有光电池、半导体光敏二极管、三极管、CCD图象传感器等。,光电导效应型光传感器的典型代表为光敏电阻。光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。在没有光照射时流过光敏电阻的电流称为暗电流，当有光照射在光敏电阻上时，电流就会增加，增加的电流称为光电流。 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、抗过载能力强和寿命长等；但不足之处是需要外部电源，有电流时会发热。,光电导效应型光传感器,一、光敏电阻的工作原理和基本结构 工作原理：当光照射到光敏电阻上时，若光敏电阻为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，则材

4、料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴数目增加，致使光敏材料的电导率变大。 为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即 h= = Eg(eV) 式中和为入射光的频率和波长。因此，光敏电阻有长波限C。,以CdS光敏电阻为例，其结构如图2.1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。,1-光导层; 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

5、,4,5,6,7,(a)结构,(b)电极,(c)符号,它是在一定的掩模下向光电导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）是光敏电阻的代表符号。,CdS光敏电阻的结构和符号,光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。 光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。,RG,RL,E,I,光敏电

6、阻的工作电路,二、光敏电阻的特性 暗电阻和亮电阻的阻值 暗电阻：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。 亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。,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超过1M,甚至达100M，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,下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这

7、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,CdS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。（三个特点）,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,CdS光敏电阻的光谱特性,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。图中

8、曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度（光强）较大，光电流也越大，仍满足欧姆定律。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。,50,100,150,200,1,2,U/V,0,20,40,但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。,I/ A,CdS光敏电阻的伏安特性,频率响应特性 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

9、,100,I / %,f / Hz,0,10,102,103,104,由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，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,硫化镉,CdS光敏电阻的频率响应特性,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

10、%为止所经历的时间）。 影响光敏电阻响应特性的因素有很多，我们可以注意以下三个方面：在暗处放置的时间长短；光照的强弱；负载的影响。,稳定性 图中曲线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。,CdS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

11、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。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。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。,I / A,100,150,200,-50,-10,30,50,10,-30,T / C,20,40,60,80,100,0,1.0,2.0,3.0,4.0,/m,I/mA,+20 C,-20 C,CdS光敏电阻的温度特性,光生伏特效应型光传感器,光电二极管的基本结构也是一个PN结，和普通二极管相比结面积小，因此它的频率特性特别好，光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几A到几十A。

12、按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。,一、PN结的光生伏特效应,有光照时，若光子能量大于禁带宽度，耗尽区、扩散区和扩散区外都可能产生电子-空穴对。其中耗尽区的光生载流子在内建电场作用下产生定向移动，电子向N区移动，空穴向P区移动；扩散区的光生载流子先向耗尽区扩散，进入耗尽区后如同耗尽区的光生载流子一样也进行定向移动；扩散区以外的区域，光生载流子会在扩散的过程中复合掉，所以对光电流并无太大作用。,无光照时，在反向偏压下流过PN结的电流称为暗电流IS；在光照下光生载流子的定向移动形成的PN结反向电流称为光电流

13、IL；光照下将PN结的两端电极之间开路时的电压称为开路电压VCO；光照下将PN结的两端电极短路时，在PN结中流过的电流称为短路电流ICO。,硅光敏二极管的工作原理 简单来说，硅光敏二极管在反向偏压下的反向电流随光照强度的变化而变化。,具体而言：光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通

14、过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光电流的大小随光照强度不同而变化，因此可通过光电流的强弱来判断光照的大小。,1. 普通光敏二极管 光敏二极管符号如图2.10，结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图2.11所示。,P,N,光,光敏二极管符号,RL,光,P,N,光敏二极管工作电路,二、典型的光生伏特效应型半导体光传感器,硅光敏二极管的特性描述： 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。 光谱特性 特点是：存在长、短波限，存在峰值波长；p

15、n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。 暗电流的影响 在实际应用中，我们期望暗电流越小越好，管芯的受光面积大、所加电压高和环境温度高都会使暗电流增大，从而影响光电二极管的性能。,2. PIN型光电二极管 PIN管是光电二极管中的一种。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。这样，PN结的耗尽区就基本上全集中于 I 层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。由式 = CjRL与 f = 1/2知，Cj小，则小，频带将变宽，响应速度快。,P-Si,N-Si,I-Si,PIN管结构示意图

16、,最大优点：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，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。 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型光电二极管的特性：,3. 雪崩式光电二极管(APD) 雪崩式光电二极管是利用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

17、，如下图所示。,N-Si,P-Si,P -Si,+,APD管结构示意图,雪崩式光电二极管的特性： 优点：这种管子有很高的内增益（电流放大功能），可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩，此时反向电流大大提高。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电二极管。 缺点：噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。,4. 光敏晶体三极管 光敏三极管有PNP

18、型和NPN型两种，如图2.14所示。其结构与一般三极管很相似，只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。以NPN型光敏三极管为例，当集电极加上正电压,基极开路时,集电结处于反向偏置状态。,P,P,N,N,N,P,e,b,b,c,RL,E,e,c,光敏晶体管结构示意图、符号及工作电路,光敏晶体管的工作原理：当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高处于正偏状态,同时由于大量的电子流向集电极,形成集电极电流，为光电流的倍，具有电流放大作用。,光敏三极管的基本工作模型,光敏三极管的主要特性：

19、,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2.16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

20、行探测时,则采用锗管较合适。,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,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2.17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,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

21、特性 光敏三极管的光照特性如图2.18所示。它给出了光敏三极管的输出电流I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；当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，因此光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。,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,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

22、大所以电子线路中需要对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。,（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/%,光敏晶体管的频率特性,电荷耦合器件（CCD） 常见的摄像器件主要分为摄像管和固体摄像器两大类,它们都是利用某种光电效

23、应，通过光学系统将输入的光信号转换成电荷并储存在像素点中,每个像素点上的电荷量反映了该点光照的强度，最后利用不同的扫描方式读取这些电荷而形成图象信号。摄像管采用的是电子扫描方式读取，而固体摄像器则采用固体扫描方式读取。 常用摄像管有Sb2S3光导管、PbO光导管、CdSe光导管等，固态摄像器的典型代表有固态图象传感器CCD（Charge Coupled Device，又称电荷耦合器件）。在本小节中，我们将对这两种不同的图象传感器进行认识。,像素： 在图象处理系统中，组成画面的细小单元称为像素。对尺寸一定的画面，像素越小则单位面积上的像素点越多，构成的图象就越清晰。 扫描： 将组成一帧图象的像素

24、，按某种顺序转换成电信号的过程称为扫描。行扫描是指从左向右的扫描方式；帧扫描是指自上而下的扫描方式。,一、光电导型摄像管 光电导型摄像管的基本结构,电子透镜和聚焦线圈将电子束聚焦成一点，垂直打在光电敏感膜上；偏转线圈控制电子束能按从左到右或自上而下的顺序依次扫描光电敏感膜上的各个像素点。,光电导型摄像管的 基本结构图,摄像管的工作原理电荷储能原理（Charge Storage Priciple）,假设物体成像在光电敏感膜上，出现三种亮度的像素暗、灰、亮。由光电导效应的原理知，暗像素点电阻灰像素点电阻亮像素点电阻。,把光电敏感膜划分为无数个小的像素单元，每个像素单元可以看作如下图所示的一个等效电

25、路，图中的R代表该像素点的等效电阻，它的大小由照在该像素上的入射光的强度决定；C代表储能电容。,当电子束扫过某个像素点瞬间，电容C充电；当电子束离开该像素点，电容C通过等效电阻R放电，放电的速度和放电电荷量的大小由R阻值决定。由于暗、灰、亮三种程度时像素的阻值不同，导致每个像素点的放电情况也不同，则在电子束扫描的过程中，流过负载RL的电流也不同，即输出不同的电信号。这样，根据电子束扫描到各个像素点时输出的电信号，就可以知道光电敏感膜上感受到的图象。,摄像管的等效工作电路,二、电荷耦合器件CCD 电荷耦合器件CCD的工作过程是：首先由光学系统将被测物体成象在CCD的受光面上，受光面下的光敏单元形

26、成了许多像素点，这些像素点将投射到它的光强转换成电荷信号并存储。然后在时钟脉冲信号控制下，将反映光象的被存储的电荷信号读取并顺序输出，从而完成了从光图象到电信号的转化过程。,1CCD的基本结构 CCD图象传感器一般分为光敏区和电荷转移区两部分，是由若干个小单元（像素）组成，该单元的基本结构是MOS电容器。CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的SiO2，再在SiO2层上依次沉积铝电极而构成MOS电容器。将MOS阵列加上输入、输出端，便构成了CCD。,P型Si,耗尽区,电荷转移方向,1,2,3,输出栅,输入栅,输入二极管,输出二极管,SiO2,图2.23 CCD的M

27、OS结构,CCD器件的工作原理 MOS电容器形成的电子陷阱 以P型MOS结构为例，当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。当正电压大于开启电压时，由于表面势为正值，电子被吸引到最高正偏压电极下的区域内（如图中2极下），形成电子势阱（又称电荷包），MOS结构进入了少子反型状态。对于N型硅衬底的CCD器件，电极加负偏压时，少数载流子为空穴。,CCD是由若干个电荷耦合单元组成，该单元的结构如上图所示。CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的SiO2，再在SiO2层上依次沉积铝电极而构成MOS电容器。将MOS阵列加

28、上输入、输出端，便构成了CCD。 CCD器件的工作原理 MOS电容器形成的电子陷阱 以P型MOS结构为例，当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。当正电压大于开启电压时，由于表面势为正值，电子被吸引到最高正偏压电极下的区域内（如图中2极下），形成电子势阱（又称电荷包），MOS结构进入了少子反型状态。对于N型硅衬底的CCD器件，电极加负偏压时，少数载流子为空穴。,少子的反型状态,空间电荷区内能带进一步向下弯曲使费米能级位置高于禁带中线，意味着表面处出现了一个与衬底导电类型相反的一层，叫做反型层。反型层发生在紧靠在半导体表面处，从反型层到半

29、导体内部之间还夹着一个耗尽层。此时，空间电荷区由两部分组成，一部分是耗尽层中的电离受主，另一部分是反型层中的电子，后者主要堆积在近表面区。,P型衬底的MOS结构反型状态,光生电荷的产生和存储,MOS结构进入反型状态后，反型层下是载流子浓度很低的耗尽区。当光信号照射到CCD硅片表面时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对。这时在栅极电压 的作用下，其中空穴被排斥出耗尽区而电子则被收集在势阱中，形成信号电荷存储起来。如果栅极电压持续时间不是很长，则在各个MOS电容器的电子势阱中蓄积的电荷量取决于照射到该点的光强。因此，每个MOS电容器电子势阱中蓄积的电荷量，可作为照射到该点的光强的度量。,电

30、荷的转移过程 电荷转移的控制方法，也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程，如下图所示。,P1,P1,P2,P2,P3,P3,P1,P1,P2,P2,P3,P3,P1,P1,P2,P2,P3,P3,P1,P1,P2,P2,P3,P3,(a),1,2,3,t0,t1,t2,t3,t,(b),CCD器件的电荷转移过程,t=t0,t=t1,t=t2,t=t3,0,三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲1，2，3，见图（b）。CCD电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图(b)采用电注入方式。当

31、P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包（t=t0）；当P2极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布（t=t1）；当P1回到低电位时，电荷包全部流入P2下的势阱中（t=t2）。然后，p3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到P3下的势阱（t=t3），以此控制，使P1下的电荷转移到P3下。随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷传输。（演示）,常见的CCD图象传感器 线型CCD图像传感器 线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD电荷转移单元并行且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅,如下图（a）所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,由一个P型沟阻使其在电器上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。