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1、半导体光电传感器 沈 阳 工 业 大 学 课程主要内容 1.半导体的光吸收 2.光电效应 3.光电管 4.光电导效应器件 5.光生伏特效应器件 6.光敏场效应晶体管 7.光电耦合器件 8.电荷耦合器件 沈 阳 工 业 大 学 1.半导体的光吸收 Eg EC EV hv 本征吸收 激子吸收 自 由 载 流 子 吸收 杂质吸收 + + 晶格振动吸收 沈 阳 工 业 大 学 2.光电效应 在光线作用下，物体的导电性能发生变化(光电导效应)或产生光 生电动势的效应（光生伏特效应）。 内光电效应 热平衡无光照时PN结能带图有光照时PN结能带图 光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化。 沈 阳 工
2、业 大 学 外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。 光电倍增管光电倍增管光电管 真空光电管的伏安特性 2.光电效应 沈 阳 工 业 大 学 3.光电管光电管的基本特性 （1）光照特性 通常指当光电管的阳极和阴极之 间所加电压一定时，光通量与光电流 之间的关系。 （2）光谱特性 对不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。 保持光通量和阳极电压不 变，阳极电流与光波长之间的 关系。 沈 阳 工 业 大 学 3.光电管光电管的基本特性 -应用光电传感器的主要依据参数。（3）伏安特性 当极间电压高于50V时，光电流开 始饱和，所有的光电子都达到了阳极。 真空光电管一般工
3、作于饱和部分。 （4）其他特性 暗电流：无光照射时，光电流不为0。 温度特性：受温度的影响。 稳定性和衰老：短期稳定性好；入射光越强，衰老速度快。 沈 阳 工 业 大 学 4.光电导效应器件-光敏电阻器 光敏电阻器及其测量电路 无光照时 有光照时 本征光电导 杂质光电导 杂质吸收系数小于本征吸收系数，杂质中激发的光生载流子浓度较小. a. 工作原理 沈 阳 工 业 大 学 4.光电导效应器件-光敏电阻器a. 工作原理 禁带宽度和波长关系 本征吸收长波限 例： Si Eg=1.12eV 单晶CdS是可见光区灵敏度最高的材料。 沈 阳 工 业 大 学 玻璃光电导层 电极 绝缘衬底 金属壳 黑色绝缘
4、玻璃 引线 (B)典型结构 (A)刻线式结构 电极 电极 光导体 光敏电阻器的封装结构 4.光电导效应器件-光敏电阻器b. 结构 沈 阳 工 业 大 学 C 设计 提高光电导效应的措施 A降温B选高阻半导体材料 影响光敏电阻（光电导管）灵敏度的因素 若一块均匀N型CdS半导体，稳态条件下，光电导主要由电子贡献. 已知：光电增益 为光生电流； 光电管每秒吸收光子数； 为量子产额: 产生非平衡载流子的光子数 吸收光子数 产生率： 光电管单位体积每秒吸收光子数； 4.光电导效应器件-光敏电阻器 稳态条件： 沈 阳 工 业 大 学 C 设计 影响光敏电阻（光电导管）灵敏度的因素 4.光电导效应器件-光
5、敏电阻器 考虑自由电子和空穴均参与导电，光电增益为 沈 阳 工 业 大 学 D 主要参数主要参数 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时 流过的电流称为亮电流。 4.光电导效应器件-光敏电阻器 （1）暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值 ，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。 （2）亮电阻和亮电流 （3）光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。 沈 阳 工 业 大 学 E 基本特性 4.光电导效应器件-光敏电阻器 （1 1）伏安特性）伏安特性 （2 2）光照特性）光照特性 光照特性呈非线性，不宜作 为测量元件，常用作开关式光电 传感元件。
6、最高工作电压是由耗散功率 决定的，耗散功率和面积以及散 热条件等因素有关。 沈 阳 工 业 大 学 E 基本特性 4.光电导效应器件-光敏电阻器 （3）光谱特性 （a）表面层的反射与吸收； （b）材料的禁带宽度； （c）表面减反射层的性质与厚度； （d）器件结构。 光敏器件都具有光谱选择性，光谱 响应主要决定于： 沈 阳 工 业 大 学 E 基本特性 4.光电导效应器件-光敏电阻器 （4 4）响应时间和频率特性响应时间和频率特性 光电流的变化对于光的变化，在 时间上有一个滞后。通常用响应时间t 表示。 光电导的弛豫现象： 频率特性差（响应时间常数大)是光敏电阻的一个缺点。 沈 阳 工 业 大
7、学 E 基本特性 4.光电导效应器件-光敏电阻器 电阻温度系数: （5）温度特性 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 降温提高光敏电阻对长波光的响应。 温度对光谱特性影响温度对光谱特性影响 温度对电阻影响温度对电阻影响 沈 阳 工 业 大 学 农作物日照时数测定。输出接 单片机的I/O口，每2分钟对此口查 询1次，为高电平，计数一次，为 低电平，不计数。1天查询720次。 无光照V0=VL，有光照V0=VH。光 照时间 H。 F 应用 4.光电导效应器件-光敏电阻器 光照度计 沈 阳 工 业 大 学 F 应用 4.光电导效应器件-光敏电阻器 晶体管偏置电路 （a） （b） 沈 阳 工 业 大 学 4
8、.光电导效应器件-光敏电阻器 G 类型 按最佳波长分类 （1）对紫外光（波长300400nm）主要ZnO、ZnS、CdS等材料制作; （3） 对红外光（波长7606000nm）主要PbS、PbSe等材料制作; （2） 对可见光（波长400760nm）主要Se、Si、 BiS、Ge等材料制作; 沈 阳 工 业 大 学 开路电压： 5.光生伏特效应器件-光电池 （a）工作原理 短路电流 ： 沈 阳 工 业 大 学 WaferAssemblyModule assembly Construction of PV system 5.光生伏特效应器件-光电池 （b）太阳能光伏 沈 阳 工 业 大 学 5.
9、光生伏特效应器件 Solar Energy Spectrum Power reaching earth 1.37 KW/m2 沈 阳 工 业 大 学 5.光生伏特效应器件-光电池 （b）太阳能光伏 按材料 分类 硅太阳 电池 敏化纳米晶 太阳电池 有机化合物 太阳电池 塑料 太阳电池 无机化合物 半导体 太阳电池 沈 阳 工 业 大 学 5.光生伏特效应器件-光电池 （b）太阳能光伏 沈 阳 工 业 大 学 光照特性 5.光生伏特效应器件-光电池（c）光电池基本特性 注：负载电阻越小，光电流与照度的线性关系越好，且线性范围越宽。 光谱特性： 光电池的光谱特性取决于材料。 注:光电池的选用与光源
10、结合。 沈 阳 工 业 大 学 5.光生伏特效应器件-光电池（c）光电池基本特性 温度特性 当光电池作为测量元件时，最好能 保持温度恒定，或采取温度补偿措施。 频率特性 输出电流随调制光频率变化。 频率特性与材料、结构尺寸和使 用条件等有关。 沈 阳 工 业 大 学 (a)结构 5.光生伏特效应器件-光电二极管 结构 符号 和光电池相比，结面积小 ，频率特性好，电流普遍比 光电池小，一般几微安到几 十微安。 管芯截面 电极小，有利于光吸收； P通常很薄100nm，提高光吸收； 沈 阳 工 业 大 学 5.光生伏特效应器件-光电二极管 伏安特性 (b)工作原理-工作在反向偏压下情况 电路 有光照
11、时反偏PN结能带图 沈 阳 工 业 大 学 5.光生伏特效应器件-光电三极管 达林顿光敏管 当集电极加上正电压，基极开路时，集电结处于向偏置状态。 (a)工作原理 注：硅光电三极管有3CU系列(PNP)、3DU系列（NPN） 沈 阳 工 业 大 学 （c）基本特性5.光生伏特效应器件-光电二、三极管 可见光或探测赤热状态物体时，一 般都用硅管。对红外光的探测， 用锗 管较为适宜。 光谱特性 伏安特性 三极管的偏压对光电流有明显的影响，偏压较小时，光电流随着偏压 的增大而增大，偏压增大到一定程度时，光电流处于近似饱和状态。 沈 阳 工 业 大 学 光照特性 5.光生伏特效应器件-光电二、三极管
12、（c）基本特性 线性适合检测等方面的应用。 近似线性，线性转换元件、开关元件。 沈 阳 工 业 大 学 5.光生伏特效应器件-光电二、三极管 （c）基本特性 响应特性 噪声特性噪声是限制光敏二极管探测灵敏度的主要因素。 除其他外电路所造成的噪声外，光敏器件主要噪声源： （a）光子噪声：由背景光引起的统计起伏造成； （b）热噪声：由载流子无规则热运动造成； （c）散粒噪声：由越过势垒区载流子数的统计起伏造成。 光电二极管的响应时间是指它的光电转换速度。 影响响应的主要因素： a) 耗尽区的光生载流子的渡越时间； b) 耗尽区外产生的光生载流子的扩散时间； c) 光电二极管以及与其相关电路的RC时
13、间常数。 沈 阳 工 业 大 学 5.光生伏特效应器件-光电二、三极管 （c）基本特性 响应特性光生载流子渡越时间 在耗尽区高电场加速的 情况下，光生载流子可达极 限速度。 光载流子扩散时间 p区或n区产生的载流子 向耗尽区扩散 在耗尽区内快速漂移到电极 扩散速度 漂移速度 问题：较长的扩散时间会影响光电二极 管的响应时间。 解决办法：尽量扩大耗尽层宽度。 沈 阳 工 业 大 学 5.光生伏特效应器件-光电二极管 PIN结光电二极管 加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层。 高掺杂p+型高掺杂n+型 i (本征)层：低掺杂n型 耗尽区 P和N区间增加一层很厚的高电阻率本征半导体,将P层做得很薄。
14、 沈 阳 工 业 大 学 5.光生伏特效应器件-光电二极管 PIN结光电二极管 由于P层很薄，大量的光子被较 厚的I层吸收，激发较多的载流子形 成光电流； 响应速度快，灵敏度高，线性好， 用 于光通讯、光测量。 雪崩光电二极管（APD） PIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对，无增益。 利用电离碰撞, 1个光子产生多对电子-空穴对,有增益。 沈 阳 工 业 大 学 5.光生伏特效应器件-光电二极管 雪崩光电二极管（APD） 入射光-一对电子-空穴对(一次光生电流)- 与晶格碰撞电离-多对电子-空穴对(二次光生电流） 吸收 外电场加速 增加了一个附加增加了一个附加 层，倍增区或增层，倍增区或增 益区，以实现碰益区，以实现碰 撞电离产生二次撞电离产生二次 电子空穴对。电子空穴对。 耗尽层仍为耗尽层仍为I I 层，起产生一层，起产生一 次电子空穴次电子空穴 对的作用。对的作用。 沈 阳 工 业 大 学 5.光生伏特效应器件-光电二、三极管 （c）基本特性 硅光敏二极管的基本参数 沈 阳 工 业 大 学 5.光生伏特效应器件-光电二、三极管 （c）基本特性 3DU型硅光敏晶体管的基本参数 沈 阳 工 业 大 学 5.光生伏特效应器件 光敏二极管的应用 无光照时，光敏二极管反向截 止，R1上的压降VA很
