微电子传感器与微执行器3-1

1、1,第三章 光敏传感器 第一节 光敏器件概述 第二节 光电导效应及光伏效 第三节 光敏器件的结构及工作原理 第四节 不同结构的光敏二极管 第五节 电荷耦合成像器件CCD,2,本章内容： 首先介绍半导体光敏器件的物理基础：光电效应和光生伏特效应。然后介绍各种光敏传感器结构和基本工作原理。,3,第一节 光敏器件概述 11 光敏传感器定义及类型 定义：光敏传感器是能够把入射光转换成对应电信号的电子器件。 光敏传感器类型：光电导器件、光敏二极管（包括PN结、PIN、肖特基势垒、异质结、雪崩光敏二极管等）、光敏晶体管（含异质结光敏晶体管）、光电耦合、集成光敏器件、特种光敏器件、电荷耦合器件及其阵列等等。

2、还有一个大类就是太阳电池。 基本原理：光敏传感器的基本工作原理主要是基于半导体内的光电效应和光生伏特效应。,4,1.1.1 光敏器件的发展历程 如果以1919年T.W.Case取得硫化铊TlS(Ta,Tuo)光电导探测器专利算起，半导体光敏器件出现至今已有90多年。但有较大发展是从60、70年代开始，随着半导体技术以及新材料、新器件、新工艺的发展，光敏器件也进入一个新的发展阶段。 1.出现了数十种可以用于制作光敏器件的半导体材料，它们的结构有单晶、多晶薄膜、非晶；有元素半导体和化合物半导体。如对紫外光敏感的CdS,ZnO,ZnS,CdSe（硒化镉）等，对可见光敏感的Se,TiS（硫化钛）,Bi

3、S（硫化铋bi）,CdS以及Si,Ge等。对红外光敏感的PbS,PbTe(碲化铅),InSb（锑化銦）等。其中，硅是研究得最深入最透彻的一种材料，原料丰富、工艺成熟、适合于制作多种光敏器件。,5,2.结合半导体光电效应和器件原理的研究，广泛地试验和发展了各种类型的光敏器件。可供实用的光敏器件就有光电导器件、光敏二极管、光敏晶体管、雪崩光敏二极管、场效应光敏管、光电耦合器件、电荷耦合光敏器件、组合型阵列型光敏器件等。 3.薄膜工艺的研究发展以及平面工艺、集成电路技术的发展，也使光敏器件向功能模块化、集成化发展提供了技术保证。CCD固体摄像技术、数码相机、高精度红外遥感、辐射测量、光纤通信等技术的

4、发展也反过来促进光敏器件继续不断发展。,6,1.1.2 半导体的光电效应 半导体吸收光子后会产生各种宏观可测的物理效应。例如：晶格振动在吸收光子后会使半导体的温度升高，产生光热效应。半导体光电效应则是半导体中束缚电子在吸收光子后所产生的电学效应，是各类光敏器件的基础。 半导体光电效应可以分成内光电效应和外光电效应两大类。 一、半导体内的电子在吸收光子后，如果能克服表面势垒逸出半导体表面，就会产生外光电效应或称为光电子发射效应。利用这一效应可以制作半导体阴极真空光电器件，如高质量光电倍增管的阴极就是用半导体砷化镓制成。,7,二、如果半导体内的电子吸收光子后不能跃出半导体，则所产生的电学效应称为内

5、光电子效应。它是光敏传感器的物理基础。 基本机理：半导体价（jie）带中束缚的电子在吸收光子后，若能够跃迁到导带，则会产生电子空穴对；若只能跃迁到杂质或缺陷的束缚能级，则会产生空穴。而杂质、缺陷能级上的束缚电子在吸收光子后也可以跃迁到导带，成为自由电子。所有这些由光辐射激发的载流子可统称为光生载流子。入射光在半导体内激发了载流子后，就会出现一些光电效应,它们对材料电特性的影响如下：,8,1。光生载流子将使半导体的电导率增大，这就是光电导效应。利用该效应可制造光电导器件。 2。若半导体样品沿光照方向足够厚，则光生载流子将沿此方向出现浓度梯度，在光照方向会出现电位差，使样品内出现一个电动势，该效应

6、为丹倍效应。 3。如果在上面的样品两侧加上磁场，则光生电子和光生空穴在沿光照方向扩散时，会受到洛伦兹力作用，向两个相反方向偏转。从而在样品的另外两侧产生电动势。即产生光电磁效应。该效应可以制作光电磁（PEM）探测器。,9,4。*在PN结、肖特基结等具有内建电场的半导体样品中，光生载流子将受到内建电场的作用，作反方向运动，产生光生电动势。这就是光伏效应。利用该效应可以制作多种光敏器件。这是本章重点内容之一。 5。自由载流子吸收相应于带内跃迁，不产生光生载流子，一般也不引起电学效应。但如果入射的光子密度足够强，使自由载流子在吸收了光子后明显地改变了按照动量的分布，产生了沿光子流方向的平均速度，则也

7、会产生沿光照方向的电动势，出现光压效应和光子牵引效应。光子牵引效应产生于自由载流子受光子推动所产生的运动，是入射光子与自由载流子间动量交换的结果。可望用于红外激光系统中作探测器。,10,12 半导体的光学性质 （一）光敏器件所探测的光谱范围：从红外光、可见光到紫外光。仅仅占电磁辐射频谱的极小范围，光的波长从几十nm到106nm范围。 图 电磁波的频谱及光敏传感器的响应范围,11,本征吸收过程：价带电子吸收了能量大于或等于禁带宽度的光子后，直接跃至导带，产生自由电子并在价带留下自由空穴。因此，本征吸收时每吸收一个光子就产生一个电子空穴对。 由于每个光子的具有的能量为 E=hv，本征吸收过程中被吸

8、收的光子要满足如下条件： h为普朗克常数6.631034 J/s，v为频率，Eg为介质材料的禁带宽度。 本征吸收谱是连续谱，因为导带是由一系列能量间隔很小的能级组成，并且本征吸收有低频限：,12,或者本征吸收长波限( )： （37） 频率低于v0或波长长于0的入射光，不能参与本征吸收。 硅材料 Eg(Si)=1.12eV,长波限01.1m；砷化镓材料的禁带宽度 Eg(GaAs)=1.43eV,长波限 0 0.867m。 对硅材料，波长限在近红外范围，长于1.1微米的光不能参与本征吸收；对砷化镓材料，长波吸收限在红外到近红外附近区域。,13,衡量半导体光传感器的性能参数 光敏器件能对入射光信息作

9、出电响应，输出光电流或光电压。衡量光敏器件输入输出性能的参数有响应度、线性度、量子效率、响应时间、噪声等效功率、探测度等，现简单介绍如下： 1。响应度R响应度R定义为均方根光电流IL或均方根光电压VL与入射光的均方根功率P之比， 其意义是投射于光敏器件上的单位辐射功率所产生的光电流或光电压。 2。线性度线性度表征入射光功率P()与响应量（IL或VL）在线性区内与实际响应曲线接近拟合直线的程度。许多器件都有线性度要求。,14,3。量子效率定义为流出器件的光生电子流与入射光子流之比。其意义是单位时间内每入射一个光子所引起的流动电子数。 4。响应速度 tr定义为输出信号从峰值的10上升到90所需的时

10、间。 其他光传感器的性能参数还有噪声等效功率和探测度。,15,图33 光敏器件线性区示意图,16,图34 光敏二极管和光敏三极管的脉冲响应时间,17,实际的半导体不是本征半导体，对N型和P型材料，其附加电导率实际上可以用上式中的第一项或第二项表示。电导率的相对变化率为：,第二节 光电导效应及光伏效应 半导体的光电导效应 定义：半导体吸收入射光子的能量通过本征激发产生电子空穴对，使载流子浓度增加引起电导率增大的现象称为光电导效应。,18,2.2 半导体PN结的光生伏特效应 定义：半导体材料吸收光能后，在P-N结 上产生电动势的现象称光生伏特效应。 照射的光子能量大于禁带宽度Eg时，PN结两侧会产

11、生光生电子空穴对，势垒区两边的光生载流子总有一部分能在复合前扩散到势垒边界，其中少子受势垒区电场吸引被扫向对面区域，多子受势垒区电场排斥而留在本区。势垒区内的光生载流子一经产生就受电场作用分别被扫向N区和P区，因此该区域的光生载流子对光生伏特效应有重要贡献。,19,第三节 光敏器件的结构及工作原理 31光敏二极管 光敏二极管是一种光伏器件。其基本工作 原理是受光照时，在光敏二极管的PN结会产生 一个光生电动势。 光敏二极管有PN结型，PIN型，雪崩型等多 种类型。 光敏二极管有两种工作模式，工作时不加 电压的为光伏模式，如光伏二极管或光伏式探 测器；工作时加反向偏压的称为光电导模式， 如光导式

12、二极管。,20,一。光敏二极管的基本结构： PN结光敏二极管与普通二极管一样，都是有两根引脚的非线性单向导电器件。但光敏管外壳上有一个光照窗口，上面还有玻璃透镜。此外，光敏管的管芯面积较大，电极面积较小，以增加受光面积；光敏管的PN结结深也较浅（一般小于100nm），以提高光电转换效率。为了减少暗电流和防止光的反射，器件表面往往采用减反射层结构。,21,22,二、光照下PN结的伏安特性曲线 光敏二极管无光照时加上反偏，PN结上会有称为暗 电流ID的反向电流流过。暗电流一般在50V时应小于 0.1A。 光照下，由于光激发产生光生电子空穴对，形成光 生电流IL，对于不同的光强度，激发的光生电流不同

13、， 理想伏安特性可以如式（318）所示： 式中V为外电压和光电压共同作用时的实际电压，式中 光电流IL正比于入射辐射功率。当无光照时，加反偏电 压PN结流过的反向电流称为暗电流ID,暗电流应越小越 好。光照时，由于光伏效应产生的光生电流IL与光照的 强度成正比。一般希望在同样的光强下IL越大越好。,23,I V ID VOC IL1 IL2 IL3 ISC3 IL4ISC4,IL,I j,24,工艺结构简述： 光敏二极管通常采用半导体N型Si材料，硅的禁带宽度为1.12EV。当入射光波长在0.8-0.9微米时，其量子效率达80。在轻掺杂N型硅衬底上用扩散或离子注入制作一层很薄的重掺杂P+层，形

14、成PN结。在P+结上直接制作电极。为减少接触电阻，衬底背面扩散一薄N+层，通过在N+层上作为下电极的引出。,25,3.2 PN结光敏二极管的量子效率 要设计一个良好的PN结光敏二极管，必须了解与器特性相关的机理、设计方法以及工艺结构。 对于PN结光敏二极管，入射光除了一部分被表面反射外，其余进入二极管的光子有可能激发出电子空穴对，形成光生电流。被PN结收集的光生载流子来自P区、N区和势垒区。因此回路中的光生电流密度可以写成三部分之和： JL = J1 + J2 + J3 J1、J2、J3分别代表P区、N区和势垒区贡献的光电流密度。,26,根据前面的讨论，光敏二极管的内量子效率 可以写成： 1、

15、2、3分别是P区、N区和势垒区的内量子效率，是反射比，F是入射在器件表面的光子流密度。 显然，光敏二极管的内量子效率是 P区、N区和势垒区的内量子效率之和。下面分别就不同条件下P区、N区和势垒区的量子效率随波长变化的关系曲线加以讨论：,27,（一）P区的内量子效率 考虑了P区内部的本征吸收、SiSiO2界面处的表面复合速度以及P区平均漂移电场的综合影响。 （1）P区表面复合速度S/Dn(硅与二氧化硅界面处复合速度S/电子扩散系数Dn)和电子扩散长度Ln不变时，浅的PN结有较好的蓝紫光灵敏度。深结则有利于红外灵敏度的提高。,28,（2）结深和电子扩散长度不变时，表面复合速度小则蓝紫光灵敏度好。反

16、之，随着表面复合速度加大，蓝紫光灵敏度迅速下降。 （3）在一定结深和表面复合速度下，短的电子扩散长度会使蓝紫光灵敏度大大下降。 此外可知，P区是决定光敏二极管篮紫光性能的主要区域，要提高蓝紫光灵敏度，必须同时做到浅结、减少表面复合和增加扩散长度。,29,（二）N区的内量子效率 近红外光的基本吸收区在十到几十微米的区 域之间，因此N区是决定近红外量子效率的主要 区域。 （1）N区宽度Xb较大时，N区收集光生空穴的 最大范围由扩散长度Lp决定。Lp大，红外量子 效率高；Lp减小，红外量子效率低。 （2）LpXb时，红外量子效率的大小主要由 Xb的大小决定。,30,（三）势垒区的内量子效率 一般光敏

17、二极管的衬底材料电阻率在数欧姆厘米以上，势垒区宽度至少宽1微米，常能与P区的宽度相比拟。反偏时势垒区宽度更宽，因此该区的光生电流不可忽略。 反偏时，势垒区的净热复合可以忽略，光生电子空穴对一经产生立即被结电场分开，分别漂向N区和P区，因而这里量子效率最高。 由于势垒区量子效率最高，人们便设法扩大该区，在P区和N区之间加入I区，制成PIN光敏管。PIN管的势垒区很宽，红光及近红外光的基本吸收均落在该区。因此PIN光敏管有很好的红光及近红外光量子效率。,31,3.3 光敏二极管的设计考虑 主要讨论如何控制光敏二极管的光谱特性，缩短 响应时间，降低噪声等。其中许多设计方法对光敏晶 体管等器件有同样的

18、效果。 一、 光谱特性 半导体材料的性质对光敏二极管有决定性影响。 图312给出锗Ge、硅Si、硒Se三种材料制成的结 型光敏器件的光谱响应范围。由图可见硒的主要光谱 响应范围约在0.40.7；硅在0.61.0；锗在0.81.8。 此外砷化銦光伏探测器可用于红外探测器，室温下其 探测波长介于13.8 m之间。锑化銦光伏器件在液 氮下可在2 5.8 m 波长内使用。,32,图312锗、硅、硒结型光敏器件的光谱响应,33,二、提高光谱响应的器件设计方法和工艺措施 为提高硅光敏器件的光谱响应,需要针对不同的入射光波长从结构、工艺、材料等多方面采取措施，常用的方法有： （1）硅光敏二极管蓝紫性能的提高

19、 必须从浅结、加大发射区（光敏二极管的P区）电子扩散长度Ln和减小表面复合速度S/Dn三方面着手。,（2）光敏管近红外特性的考虑 N区是决定近红外灵敏度的主要区域，为得到较好的红外灵敏度，选用高阻单晶做衬底材料，既能扩大量子效率最高的势垒区，又能使基区少子扩散长度较长。 工艺上尽量减少引起复合中心和陷阱作用的杂质沾污，实行高温氮退火，可提高红外灵敏度。,34,（3）二氧化硅膜的考虑 根据薄膜光学，P区表面上的SiO2膜能起到抗反射和增透作用。 （i）单层膜的反射系数 在硅衬底上长一层SiO2即形成了单层反射膜。单层膜有两个界面，一个是入射光所在介质（一般为空气）与膜构成的界面，另一个是膜与基底

20、组成的界面。当光入射到薄膜上时，光在两个界面上将出现如图313所示的依次反射和透射，产生多光束的干涉并决定了薄膜的透射特性。其中n0、n1、n2分别是三种介质的折射率，h是膜厚。 得到单层增透膜的条件是：增透膜的折射率必须比基底小（反之就是增反射膜）。根据理论计算，只有当n0n2=n12时，在n1h为四分之一波长奇数倍的位置时，才具有最好的增透效果（反射比为零）。或者说，所谓增透只是对薄膜光学厚度满足四分之一波长奇数倍的那些光而言。,35,r1和t1分别为第一个界面的反射振幅比和折射振幅比。 图313 光在单层膜上的反射和透射,Si,SiO2,空气,36,n0（空气）=1，n1（SiO2）1.

21、5，n2（Si）3.4。若为了提高入射光波长等于4000埃（紫光）时光敏管的灵敏度，最理想的氧化层厚度应满足四分之波长的奇数倍，即 n1h=奇数1000埃。 由此得到氧化层的厚度应该为： h=奇数1000/1.5奇数667埃 即约700埃，2000埃，3300埃等。 由于增透膜只对薄膜光学厚度满足四分之一波长奇数倍的那些光而言，对于其他波长的光，增透效果较差。因此为了得到更多波长入射光的增透作用，可以采用多层膜结构。,37,三、减小暗电流Id和降低噪声的措施 光敏二极管的暗电流来自P区、N区、势 垒区和Si-SiO2界面。 设P区、N区对暗电流的贡献表示为： (329) Aj是结面积，Dp和p

22、分别为少子扩散系数和少子 寿命。降低平衡少子浓度Np0 和 Pn0，提高少子寿 命均能使暗电流下降。 反偏时，PN结势垒区（体内和表面）对暗 电流的贡献很大 (330),38,减小IDJ必须减小Xm与增长少子寿命，例 如选用低阻衬底材料，加较小的反向偏压，避 免金属杂质沾污，实行高温氮气退火等，都可 以减低IDJ。 与普通二极管一样，光敏二极管中的噪声 主要是f-1噪声、散粒噪声和热噪声。光敏管串 联电阻很小，热噪声可以忽略，f-1噪声只在低 频下起重要作用，所以主要考虑如何降低与暗 电流有关的散粒噪声。因此降低暗电流也就同 时可以降低噪声的影响。,39,3.4 设计原则小结 根据前面的分析，

23、可以知道要获得较好的光敏二极管特性，可以采取如下的措施： 1。衬底材料的选择：高阻和外延硅片均可以作为衬底材料。 *高阻硅单晶（100欧姆厘米）红外灵敏的光敏二极管；串联电阻和漏电流较大，由于整个基区都是高阻区，红外光的响应时间长。 *低阻外延层硅衬底（10欧姆厘米、10微米厚外延层）暗电流小，开路电压高，串联电阻小，结电容增加不多，适合作高速光敏管。但红外灵敏度下降，成本较高。,40,2。结深的选择：结深主要影响短波光特性，浅结可同时增加发射区少子扩散长度，降低表面复合速度，得到良好的蓝紫光响应。但浅结使结电容偏大，暗电流变大，击穿电压下降。 3。退火作用：高温氮退火能延长发射区、基区、势垒

24、区载流子寿命，减小表面复合速度，有效提高响应度，降低暗电流。但会使红外响应速度变慢。,41,3.5 工艺流程： 普通PN结光敏二极管的工艺流程如下： 硅单晶 光刻 或外延片 氧化 发射区 硼扩散 磷处理 光刻引线孔 蒸铝 铝反刻 背底蒸金 初测 划片 封帽 老化 成测 发射区11mm2 引线孔8080 m2 铝电极100100 m2 图315 普通光敏二极管底工艺流程及版图,42,第四节 不同结构的光敏二极管 为了得到特定光谱响应性能的光敏二极管，人们又研制出PIN光敏二极管，雪崩光敏二极管等多种器件。 4.1.1 PIN光敏二极管 1.机理：由于光生载流子在势垒区中渡越时间远小于少子寿命，势

25、垒区的量子效率接近1。因此加大势垒区宽度将有利于展宽光电转换的有效区域，提高了灵敏度和击穿电压，减小了串联电阻和结电容，势垒区载流子在场强作用下的漂移速度大于扩散速度，对少子渡越时间影响不大，可以提高频率响应，结电容的减小也有利于改善速度。,43,2.PIN光敏管结构和电场分布： 用N型高阻硅材料（10002000欧姆厘米），两面抛光，分别扩散N和P杂质浓度，然后上下两面做欧姆接触引出电极。 3.特点：势垒区Xm宽度大，结电容小Cj，因为串联电阻区域被耗尽层消耗，所以Rs也很小，量子效率高，响应特性好。 4.工作过程：在较低的反偏下，I 区就完全耗尽，Xm宽度就等于I区厚度。例如100欧姆厘米

26、的材料，10V时Xm=50微米。所以串联电阻Rs和结电容Cj 很小，截止频率Fc=(2RsCj)-1很高，光电响应特性良好。在通信、光测距、光度测量、光电控制等方面得到重要应用。,44,4.1.2四象限PIN二极管 将PIN光敏二极管做成四象限阵列，可以对运动的光目标进行探测、跟踪、定位、制导。其平面与剖面结构见图317。 1。结构：四象限PIN光敏二极管阵列由四个受光面积相等图形对称的光敏二极管组成，四个光敏二极管均匀分布在直角坐标的四个象限中，故称四象限光敏二极管。 2。原理：由于四个光敏管面积相等，图形、位置对称，当四个象限光照均匀时，四个光敏管给出的光生电流相等。若任意一个象限的光照减

27、弱或无光照，就可以由不同象限二极管的光电流检测出来。,45,如果在瞄准时经聚焦的运动目标（自发光或反射被照光）的光斑照在四个象限的中心位置，四个象限二极管给出相等的电流。运动物体位置变化时，聚焦的光斑将偏离四象限中心，各光敏管输出的电流就不同。利用四象限管的光电流变化，就可以确定运动目标的方位。该器件用高阻硅单晶材料，通过杂质扩散制成P+V(高阻N或弱N) N+结构或N+ （高阻P或弱P）P+结构。若 I 层电阻率为2000 欧姆厘米，在3050V的电压下势垒宽度达到 150 m以上，就可使高阻区全部耗尽。为了使光斑照在四象限管之间的槽区时仍有光电流输出，槽区宽度一般设计得较小，使四象限阵列管

28、不会有光敏的盲区。光敏区的直径一般为310mm。,46,图317 PIN四象限光敏管结构与工作原理,47,4.2 雪崩光敏二极管 雪崩光敏二极管简称（APD）, 是有倍增放大响应作用的器件。它利用PN结势垒区的高场强区域中载流子的雪崩倍增响应制成，所以其光电转换灵敏度比一般PN结光敏器件要高的多。 用途：光电信号检测、控制、光纤通信。 一、器件结构: 有N+PP+和P+NN+两种类型,三种结构：MAPD(台面结构)、GAPD（平面保护环结构）、RAPD（拉通型结构），其中以RAPD性能最优。主要采用锗、硅材料制作，锗管一般为台面结构。,48,图318 雪崩倍增光敏管结构形式,49,二. RAP

29、D拉通型结构器件特点： （i）由于型区掺杂浓度很低，在稍高偏压下，耗尽层就可以从表面N+区一直延伸到衬底的P+区。在临近N+区的P型一侧为高场强雪崩倍增区。碰撞倍增在势垒区不是均匀发生，而是集中于PN+结界面附近的场强约大于105V/cm的高场区。而接近区的P型一侧为低场强漂移区，通过控制层掺杂浓度和厚度，就可以决定电压范围。 （ii）由于势垒区很宽，在较宽的光谱范围内具有高量子效率。 （iii）响应速度快，但线性度差，温度效应明显，噪声较大。,50,四、APD的设计原则： 1。由于半导体材料的光吸收系数随波长有很大变化，并有一个吸收的长波限，因此需要根据光谱范围选用适当材料。 2。若要加强短

30、波光的响应，则应取浅结结构，并要提高表面层少子寿命。 3。基区浓度适当低，以加大势垒区宽度，以便在势垒区获得高的量子效率。对高速器件，中性基区厚度要尽量小。 4。基区要有较高的少子寿命，尽量减小暗电流，提高对微弱光的探测能力。 5。APD应有适当的雪崩倍增区最大场强的设计，在材料选定后主要取决于掺杂浓度和工作电压。 6。采用合适的器件结构， 以提高器件的耐压。如台面结构（MAPD）器件。平面保护环结构（GAPD），周边为深结包围，可以减小周边表面的棱角电场。还有一种拉通型结构（RAPD），可以获得比上面两种更好的特性。,51,4.3 肖特基势垒光敏二极管简介 肖特基势垒二极管的势垒区全部在半导

31、体一侧，光生载流子既少了基区渡越时间，又减少了基区的复合，势垒区的量子效率又高，其中产生的光生载流子一经产生就被电场扫向结两侧。因此这种管子响应时间短，量子效率高。但暗电流较大，击穿电压低。适合与做无外加偏压的光伏探测器和短波长光响应器件。器件结构见图322。 肖特基光敏管必须考虑金属层光反射与光吸收的影响。金属层要足够薄，能够让大部分入射光通过。图中金层厚度为75埃。此外硅与金属接触之间总有一层很薄的氧化层，约数埃至数十埃。所示实际的肖特基结构不是纯粹的MS结构，而是MIS结构。但由于隧道效应，金属半导体之间可以有穿过薄SiO2层的隧道电流。通过控制氧化层的厚度，可以改善肖特基光敏二极管的特

32、性。,52,53,4.4 光敏晶体管简介 结构： 光敏晶体管是将B-C结作为光敏二极管的普通晶体管，其结构如图3.25所示。一般基区面积较大，发射区面积较小，入射光主要被基区吸收。 从器件的结构看，光敏管的等效电路相当于在普通晶体管的B-C极上并联了一只光敏管。 原理：入射光在基区激发出光生电子空穴对，在基区漂移电场作用下，电子被拉向集电区，空穴被扫向发射区一侧。由于空穴的积累，引起发射区势垒的下降，其结果相当于在发射区两端加上一个正信号。引起电子注入，有电流流过晶体管。,54,图325 光敏晶体管结构、符号及等效电路,55,4.6半导体色敏器件 利用两个深浅不同的PN结对不同波长的光有不同响

33、应的原理，可以制作色敏器件。色敏器件可用于色彩、光源色温以及单色辐射波长的测量。 一、结构 由两个深浅不同的PN结构成，浅结P1N二极管PD1对短波光较灵敏，深结P2N二极管PD2对长波光较灵敏。 等效电路如两个对接的光敏管，两个PN结的结深根据器件要求设定，一般浅结0.5-2微米左右，深结810微米左右。,56,图326 色敏器件的结构及等效电路,57,二、工作原理 光照时，在P1层吸收的短波光生电子扩散到达P1N结形成电流I1，n层中吸收的长波光产生的空穴分成两部分,分别向P1N和NP2结扩散，形成电流I2和I3。到达P2层的红外光在此区域被吸收，产生电子扩散到达NP2结形成电流。 光敏二

34、极管PD1、PD2的短路电路为： ISC1=I1+I2 （343） ISC2=I3+I4 （344） 两种不同型号色敏器件的相应光谱曲线见图327，色敏管PD1和PD2的短路电流比与入射单色光波长的关系曲线见图328。,58,59,图328 色敏管光谱曲线,60,三、检测方法： （1）单色光的检测，只要先对Isc1/Isc2与波长的关系作出标定，就可以由器件短路电流比Isc1/Isc2直接测出单色入射光的波长； （2）对于光源色温的测量，对于给定的光源，色温不同，则入射功率的光谱密集度P不同,器件的Isc1/Isc2不同，将色敏器件的短路电流比标定后，就可以由器件的短路电流比直接确定该光源中未

35、知光源的色温。 （3）对于实际色源光的测定，需要对入射光功率的光谱密集度进行积分，处理，比较困难。,61,第五节 电荷耦合成像器件CCD,62,63,光传感器的应用,光电式传感器=光源+光学元件+光电元件 设计应用中，要特别注意光电元件与光源的光谱特性匹配。 模拟式光电传感器 模拟式光电传感器将被测量转换成连续变化的电信号， 与被测量间呈单值对应关系。主要有四种基本形式，如图3- 30所示。,图3-30 光电元件的应用方式 （a）吸收式；（b）反射式；（c）遮光式；（d）辐射式,光电式传感器的应用,脉冲式光电传感器 脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有 两种稳定状态，即“通”和“断”

36、的开关状态，称为光电元件的开关应用状态。这种形式的光电传感器主要用于光电式转速表、光电计数器、光电继电器等。,光电式传感器的应用,应用实例 1光电式带材跑偏仪 图3-31是光电式带材跑偏仪原理图，主要由边缘位置传 感器、测量电路和放大器等组成。它是用于冷轧带钢生产 过程中控制带钢运动途径的一种自动控制装置。,图3-31 光电式边缘位置传感器原理图 图3-32 测量电路,光电式传感器的应用,带材边缘位置检测选用遮光式光电传感器，如图3-33所 示，光电三极管（3DU12）接在测量电桥的一个桥臂上，如图3-32所示。 采用角矩阵反射器能满足安装精度不高、工作环境有振动场合中使用，原理如图3-34所

37、示。,图3-33 带材跑偏引起光通量变化 图3-34 角矩阵反射器原理,光电式传感器的应用,光电式转速计 光电转速计主要有反射式和直射式两种基本类型，如图3-35所示。,图3-35 光电转速计 （a）反射型；（b）直射型,光电式传感器的应用,2光电式转速计,图3-36 利用光电断续器测量转速和圈数 1-光电断续器；2-不锈钢薄圆片；3-透光缝；4-旋转物转轴,光电式传感器的应用,为了提高转速测量的分辨率，采用机械细分技术，使转动体每转动一 周有多个（Z）反射光信号或透射光信号。 若直射型调制盘上的孔（或齿）数为Z（或反射型转轴上的反射体数 为Z），测量电路计数时间为T秒，被测转速n(r/min

38、)，则计数值为 N=nZT/60 为了使计数值N能直接读出转速n值，一般取ZT=6010m（m=0,1,2,） 光电脉转换电路如图3-36所示。,图3-37 光电脉冲转换电路,光电式传感器的应用,图3-38 路灯自动控制器,光电式传感器的应用,光电耦合器 将发光器件与光电元件集成在一起便构成光电耦合器，如图3-39所示。,图3-39 光电耦合器典型结构 （a）窄缝透射式；（b）反射式；（c）、（d）全封闭式,光电式传感器的应用,ST188光电反射式传感器,光纤传感器,光导纤维导光的基本原理,图3-40 光纤的基本结构,光纤传感器,光纤液位传感器,光纤传感器,结构特点：光纤测头端有一个圆锥体反射

39、器。当测头置于空气中没接触液面时，光线在圆锥体内发生全内反射而回到光电二极管。当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同，全内反射被破坏，有部分光线透入液体内，使返回到光电二极管的光强变弱；返回光强是液体折射率的线性函数。返回光强发生突变时，表明测头已接触到液位。 光电接收器的要求不高。由于同种溶液在不同浓度时的折射率不同，经标定，这种液位传感器也可作浓度计。光纤液位计可用于易燃、易爆场合，但不能探测污浊液体及会粘附在测头表面的粘稠物质。,光纤传感器,光纤电流传感器,光纤传感器,根据法拉第旋光效应，由电流所形成的磁场会引起光纤中线偏振光的偏转；检测偏转角的大小，就可得到相应电流值。如图所示，从

40、激光器发生的激光经起偏器变成偏振光，再经显微镜（10）聚焦耦合到单模光纤中。为了消除光纤中的包层模，可把光纤浸在折射率高于包层的油中，再将单模光纤以半径R绕在高压载流导线上。,光纤传感器,图327为一种全光纤结构的光纤电流传感器。其中单偏光纤代替了上述结构中的起偏器，并用了一个多圈传感线圈。电流测量范围可达0.l5000A。,光纤传感器,简单光纤开关、定位装置，如图3-43所示。 图3-43(a)：光纤计数；测位移（工件间隔均匀、已知）。 图3-43(b)：测角；测转速。 图3-43(c)：工件加工定位装置。 图3-43(d)：光纤液位检测、控制装置。,图3-43 简单光纤开关 定位装置,光纤

41、传感器,移动球镜式光纤开关传感器，如图3-44所示。,图3-44 移动球透镜位移传感器 （a）原理图；（b）光强比值与位移关系,光纤传感器,2.传光型光纤位移传感器 由两段光纤构成，当它们之间产生相对位移时，通过它们 的光强发生变化，从而达到测量位移的目的。 反射型光纤位移传感器，如图3-46所示。,图3-46 反射型光纤位移传感器 （a）原理图；（b）输出电压与位移关系,光纤传感器,直射型光纤位移传感器，如图3-45所示。,图3-45 直射型光纤 位移传感器,光纤传感器,图3-45光栅式光纤 水声传感器,输出光纤,输入光纤,光栅,膜片,相对位移/m,相 对 光 强,光纤传感器,其它光纤位移传

42、感器，如图3-47所示。 图3-47 光纤位移传感器 （a）档光型；（b）楔合型,光纤传感器,3.受抑全内反射光纤位移（液面）传感器 基于全内反射被破坏，而导致光纤传输特性改变的原理，可以制成位移传感器来测位移、压力温度、液位等。 受抑全内反射光纤位移传感器，如图3-48所示，直接耦合。,图3-48 受抑全内反射位移传感器,光纤传感器,棱镜式全内反射光纤位移传感器，如图3-49所示，棱镜 耦合。,图3-49 棱镜式全内反射光纤位移传感器,光纤传感器,光纤液体分界面探测器，如图3-51所示，液体耦合。,图3-51 光纤液体分界面探测器 （a）原理图；（b）改进测头,光纤传感器,4光纤干涉型位移传感器 为了提高测量精度或扩大测量范