新型固态光电传感器ppt课件.ppt

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1、新型传感器技术张认成华侨大学机电及自动化学院硕士研究生系列课程7/29/20211第一章新型固态光电传感器象限探测器光敏器件阵列自扫描光电二极管阵列光电位置传感器PSD电荷耦合器件CCD—以集成电路、半导体加工工艺以及光电效应为基础的阵列传感器7/29/20212本章内容提要光电效应普通光敏器件阵列自扫描二极管阵列光电位置传感器PSD7/29/202131光电效应定义：物质由于光的作用而产生电流、电压，或电导率变化的现象分类：外光电效应(电子发射效应)内光电效应光电导效应光生伏特效应7/29/202141.1外光电效应产生外光电

2、效应的条件：入射光的频率必须大于材料的红限+_光电子光子光电流方向光电子流向外光电效应7/29/202151.1.1原理与结构光照物质电子获能逸出表面光电流(光子)(光电子)光电流正比于光强度入射光的频率必须大于材料的红限光电传感器对光具有选择性光电材料:银氧铯锑铯镁化镉等举例:光电管光电倍增管7/29/202161.1.2真空光电管1.组成：光电阴极＋阳极A＋透明外壳2.结构与测量电路：阳极阴极结构IURE测量电路7/29/20217真空光电管的特点线性度好;灵敏度低；测量弱光时，光电流很小，测量误差大。光电倍增管可提高

3、弱光测量的灵敏度光电倍增管可提高弱光测量的灵敏度7/29/202181.1.3光电倍增管组成：光电阴极K＋阳极A＋倍增极＋外壳结构原理及测量电路7/29/20219光电倍增管的特点很高的放大倍数（可达106）；适应弱光测量；工作电压高,一般需冷却。例如：0.1流明（lm）光通量时，光电管产生光电流为5μA;0.0001流明光通量时，光电倍增管的光电流为1000μA。相差1000×200倍7/29/2021101.2内光电效应——光敏器件进行光电转换的物理基础光电导效应—半导体材料在光的照射下，电导率发生变化的现象。光生伏特效应—半导体材

4、料在光的照射下，在一定方向产生电动势的现象。7/29/2021111.2.1光电导效应—光敏电组光照半导体材料电子空穴对激发分裂导电粒子增加电导率增加光电流光的选择性暗电阻:10~100MΩ亮电阻:<10kΩ用途:测光/光导开关材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅mAI7/29/202112光敏电阻的特性紫外10nm-0.4um红外0.76-1000um可见光0.38-0.767/29/202113光谱特性硫化镉：可见光区域,λ=0.4~0.76μm峰值0.7μm硫化铊：可见光及近红外区,λ=0.5~1.7μm峰值:1.2~1.3μm

5、硫化铅：可见光至中红外区,λ=0.5~3μm峰值2.5μm根据光谱范围选用！7/29/2021141.2.2光电导效应—光敏晶体管结构与普通晶体管相似，但P-N结具有光敏特性。二极管在电路中处于反向工作状态。7/29/202115光敏二极管无光照时：光电二极管反向截止，回路中只有很小的反向饱和漏电流——暗电流，一般为10-8~10-9A，相当于普通二极管反向截止；+RL漏电流无光照7/29/202116续有光照时：P-N结吸收光子能量，产生大量的电子/孔穴对，P区和N区的少数载流子浓度提高，在反向电压的作用下反向饱和电流显著增加，形成光

6、电流。+RL光电流有光照7/29/202117性能与用途光电流与光通量成线性关系，适应于光照检测方面的应用；光电二极管动态性能好，响应速度快（<10μs）；但灵敏度低，温度稳定性差。光电三极管可以克服这些缺点。7/29/202118光敏三极管电路集电结反向偏置基极无引出线图2-8NPN光敏三极管电路IeIeboIcboIc7/29/202119原理无光照时有光照时Icbo—反向饱和漏电流Iceo—光敏三极管暗电流Ic—集电结反向饱和电流Ie—光敏三极管光电流图2-8NPN光敏三极管电路IeIeboIcbo7/29/202120应用—“电

7、眼睛”光电编码器火灾报警器光电控制自动化产生条形码读出器机器安全设施等7/29/202121光电晶体管特性—光谱、伏安特性7/29/202122光电晶体管特性—温度、频率特性温度的变化对光敏晶体管的亮电流和暗电流的影响十分显著。在低照度下工作时应选择锗管。7/29/2021231.2.3光生伏特效应—光电池物理基础—光生伏特效应半导体材料在光的作用下产生电动势的现象类型—硒光电池、硅光电池7/29/202124硒光电池原理无光照时，载流子扩散形成阻挡层，阻止硒中空穴的进一步扩散，动平衡；有光照时，硒中激发出电子空穴对，电子穿过阻挡层，空

8、穴留在硒中；电荷积累的结果：硒半导体成为正极，金属成为负极。连接＋—极，产生连续的光电流P-硒N-金属阻挡层7/29/202125光谱特性—光谱特性硒光电池光谱响应范围：0.3~0.7μm硅光电池光谱响应范