半导体光传感器课件.ppt

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1、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：E≥hνh—

2、普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—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

3、生伏特效应。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

4、射能量又足够强，则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hν==≥Eg(eV)式中ν和λ为入射光的频率和波长。因此，光敏电阻有长波限λC。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。A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬底引线电极引线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

5、--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。RG1234567(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

6、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。RGRLEI光敏电阻的工作电路二、光敏电阻的特性⒈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1MΩ,甚至达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。⒉光照特性下图表示CdS光

7、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。012345I/mAL/lx10002000CdS光敏电阻的光照特性⒊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）204060801004080120160200240λ/μm312相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3