传感器课件8-2章节

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1、1,由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成 阴极由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极可达30级。通常为1214级。,使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。,8.3.2 光电倍增管及其基本特性,2,3,入射光,阴极K,第一倍增极,第二倍增极,第三倍增极,第四倍增极,阳极A,4,5,光电倍增管的电流放大倍数为,如果n个倍增电极二次发射电子的数目相同,则in 因此阳极电流为i in,M与所加的电压有关。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50

2、100V。,主要参数： 1.倍增系数M：等于各个倍增电极的2次发射电子数i的乘积。,6,一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。 一个光子在阳极上产 生的平均电子数叫光 电倍增管的总灵敏度.,(2) 光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度,最大灵敏度可达 10A/lm不能受强光照射。,图8-7 光电倍增管的特性曲线,7,（3）暗电流和本底脉冲 由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。 在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍增管会有电流信号输出本底脉冲。,4.光电倍增管的光谱特性 与相同材料的光电管的相似。,8,国产光电

3、倍增管的技术参数,9,8.4 内光电效应器件,8.4.1 光敏电阻,1. 光敏电阻的结构和工作原理,图8-8 光敏电阻的结构与电路连接,10,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：,11,光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、小的体积及工艺简单，故应用广泛。,当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材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增加，致使光导体的电导率变大。,12,2. 光敏电阻的主要参数和基本特性,（1）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电

4、流 光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流为暗电流。 在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。 亮电流与暗电流之差为光电流。,13,（2）光照特性 用于描述光电流与光照强度之间的关系。,多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。,图8-9 光敏电阻的光照特性,14,（3）光谱特性,硫化镉的峰值在可见光区域，硫化铅的峰值在红外区域。故选用时要把元件和光源结合起来考虑。,图8-10 光敏电阻的光谱特性,15,(4) 伏安特性,所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。,在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。,图8-11 光敏电阻的伏

5、安特性,16,（5） 频率特性,时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63%所需要的时间。,图8-12 光敏电阻的频率特性,多数光敏电阻的时间常数都很大。,17,(6) 温度特性,峰值随温度上升向波长短的方向移动。,图8-13 光敏电阻的光谱温度特性,18,初制成的光敏电阻，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏电阻的主要优点。 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。,（7）稳定性,19,8.4.2 光电池,光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电器件

6、。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。,20,光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。,硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。适于宇宙飞船、卫星、太空探测器等方面应用。,21,1. 光电池的结构和工作原理,图8-14 光电池的结构图,硅光电

7、池的结构如图。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质（如硼）形成PN结。,22,23,图8-15 光电池的工作原理示意图,当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。,若将PN结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,24,2. 基本特性,（）光谱特性,故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。,硅光电池的光谱峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。,图8-16 光电池的光谱特性,25,(2) 光照特性,不同光照射下有不同

8、光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。,图8-17 光电池的光照特性,开路电压与光强是非线性的，且在2000 lx时趋于饱和。光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。,26,(3) 频率特性,硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。,光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。,图8-18 光电池的频率特性,27,(4) 温度特性 主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。,开路电压随温度升高而下降的速度较快。 短路电流随温度升高而缓慢增加。 因此作测量元件时应考虑进行温补。,图8-1

9、9 光电池的温度特性,28,8.4.3 光敏晶体管,1. 光敏二极管,光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。,光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。,29,30,31,32,I,当光照射时，光敏二极管处于导通状态。,当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。,33,34,2. 光敏三极管,集电结一边做得很大，以扩大光的照射面积，且基极一般不接引线。,35,普通三极管,36,光敏三极管,IC,IB,e,EB,EC,IE,RC,Rb,c,b,N,N,P,基区很薄，基极一般不接引线； 集电极面积较大。,37,IC,38,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。 当光线

10、照射在集电结的基区时， 产生电子、空穴对，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，相当于给发射结加了正向偏压，使电子大量流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍。,基本工作线路：,39,3. 光敏晶体管的主要特性,(1) 光谱特性,存在一个最佳灵敏度波长,40,(2) 伏安特性,与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特 性一样。只需把光电流看作基极电流即可。,41,(3) 光照特性,故光敏三极管既可做线性转换元件， 也可做开关元件,近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。,42,(4) 温度特性,温度变化对光电流的影响很小，对暗电流的影响很大。故电子线路

11、中应对暗电流进行温度补偿。,43,(5) 频率特性,减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输出降低。故使用时要根据频率选择最佳的负载电阻。硅管的响应频率比锗管的好。,44,8.5 新型光电传感器 8.5.1 高速光电二极管 1. PIN结光电二极管,P、N间加了层很厚的高电阻率 的本征半 导体I。P层做的很薄。 比普通的光电二极管施加较高的反偏压。,45,入射光照射在P层上， 由于P层很薄，大量的 光被较厚的I层吸收， 激发较多的载流子形 成光电流；又PIN结 光电二极管比PN结光 电二极管施加较高的反偏置电压，使其耗尽层加宽。当P型和N型半导体结合后，在交界处形成电子和空穴的浓度差别，因此，N

12、区的电子要向P区扩散，P区空穴向N区扩散。,图8-28 PIN光电二极管,46,P区一边失去空穴，留下带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下带正电的杂质离子，在PN交界面形成空间电荷，即在交界处形成了很薄的空间电荷区，在该区域中，多数载流子已扩散到对方而复合掉，即消耗尽了，耗尽层的电阻率很高。扩散越强，耗尽层越宽，PN结内电场越强，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。PIN结光电二极管仍然具有一般PN结光电二极管的线性特性。,47,48,2.雪崩式光电二极管（APD）,在PN结的P区外增加一层掺杂浓度极高的P +层，且在其上加上高反偏压。,图8-29 雪崩式二极管

13、,49,当光入射到PN结时， 光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。 新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，,50,8.5.2 色敏光电传感器,不同区域对不同波长分别具有不同灵敏度，浅结对紫外光灵敏度高。,51,根据光学性能，不同颜色的光在不同的介质中的穿透能力不同。利用不同介质对某一色光的吸收，用这种色光去投射液体管道，根据接收到的光强来判断管道中的液流介质。,52,8.5.3 光固态

14、图象传感器,光固态图象传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。它的核心是电荷转移器件CTD（Charge Transfer Device），最常用的是电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device）。由于它具有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能，以及集成度高、功耗低的优点，因此被广泛地应用。,53,1CCD的结构和基本原理,CCD是一种半导体器件，由若干个电荷耦合单元组成。CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚约120nm的SiO2，再在SiO2层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极而构成金属-氧化物-半导体的电容式转移器。其中，“金属”为SiO2层

15、上沉积的金属或掺杂多晶硅电极，称为“栅极”；半导体硅作为底电极，俗称“衬底”；“氧化物”为两电极之间夹的绝缘体SiO2。,54,55,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,CCD的MOS结构,56,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。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中1极下），形成电荷包（势阱）。 对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。,57,电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分

16、。下图以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。,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),电荷转移过程,t=t0,t=t1,t=t2,t=t3,0,58,三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