半导体传感器2014-2

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的光传感器，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。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成，这里我们主要考虑光电元件部分。常见的半导体光电传感器有光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管等器件。第二章半导体光电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。如果把光看做波群，则波群的能量E和频率ν之间的关系为：不同颜色的光子因其光波频率不同而能量不同，频率越高，光子能量越大。光照射在物体上，一系列能量为E的光子被电子吸收产生光电效应。光电效应分为两大类：外光电效应和内光电效应。§2.1光电传感器的物理效应hE（h为普朗克常数）一、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hνW（电子的逸出功），所以利用外光电效应制作的光电器件，对入射光都有一个确定的频率限，称为“红限”。相应的入射光波长λk为：Whck式中c—光速：W—逸出功。光电管光电管结构如图2.1所示，在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极K和光电阳极A。阴极通常用逸出功W小的光敏材料（如铯）涂覆在玻璃泡内壁上做成，感光面对准光的照射孔。图2.1光电管的结构示意图图2.2光电管测量电路阳极电位高于阴极，光照下从阴极表面逸出的电子达到阳极形成光电流。光强越大，光电流也越大，在图2.2的测量电路中，电流和电阻上的电压及光强成函数关系，实现光电转换。阴极材料不同的光电管适用于不同的光谱范围，且对不同频率的入射光的灵敏度不相同，所以我们需要根据检测对象时紫外光、可见光还是红外光来选择阴极材料不同的光电管，以获得满意的灵敏度。光电倍增管为了提高光电感的灵敏度，研制了具有电流放大能力的光电倍增管，结构如图2.3所示。在阳极和阴极之间有若干倍增极，相邻电极之间保持电位差。阴极电位最低，阳极电位最高。光电子在倍增电极之间被加速，轰击倍增电极时，引起二次电子发射，一个光电子产生多个二次电子；再被加速，继续轰击产生新电子……于是，电子数量迅速增加，最后达到阳极时，形成很大的阳极电流，所以光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内有良好的线性，适用于微光测量。图2.3光电倍增管结构示意图入射光引起材料内部产生新的电子或空穴，这些新载流子使材料的电学性质发生变化，称之为内光电效应。半导体光传感器多基于内光电效应，根据工作原理的不同，内光电效应又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。基于光电导效应的半导体光传感器以光敏电阻为代表，在光线的作用下，光敏电阻的阻值变小。附加电导率公式：二、内光电效应pnpqnq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，形成光电流，这种现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有半导体光敏二极管、三极管、光电池等。光电导效应型光传感器的典型代表为光敏电阻。光敏电阻为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体，比如硫化镉光敏电阻、硒化铟光敏电阻等。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、寿命长等；但不足之处是需要外部电源，有电流时会发热，必须考虑耗散功率的问题。§2.2光电导效应型光电传感器一、光敏电阻的工作原理工作原理：当光照射到光敏电阻上时，若发生光电导效应，则导带电子和价带空穴数目增加，使光敏材料的电阻率变小。光照越强，阻值越低。可以通过阻值的变化情况来检测光照情况。为实现光电导效应，对入射光的能量有一定要求。比如对本征光敏电阻，要求入射光波长λc：式中Eg为光敏材料的禁带宽度（eV）。所以，这样的光敏电阻检测时有长波限λC。gE24.1c以CdS光敏电阻为例，其结构如图2.4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图2.4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。二、光敏电阻的结构1--光敏电阻薄膜;2--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敏材料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）是光敏电阻的符号。图2.5CdS光敏电阻的内部结构和符号三、光敏电阻的特性⒈暗电阻和亮电阻；暗电流、亮电流和光电流光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻，此时流过的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。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在MΩ以上，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光照特性图2.6表示CdS光敏电阻的光照特性，即光电流和光照度之间的关系。光敏电阻的光照特性曲线呈非线性，因此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/lx10002000图2.6CdS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（比如材料的禁带宽度、掺杂情况）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。204060801004080120160200240λ/μm312相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3——硫化铅图2.7CdS光敏电阻的光谱特性如何调整峰值位置？⒋伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。如图2.8所示，光敏电阻的伏安特性近似成直线，而且无饱和现象。实际使用中，受耗散功率的限制，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许的功耗曲线，由此可以确定正常工作电压。图2.8CdS光敏电阻的伏安特性⒌频率特性用脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性（弛豫特性）。20406080100I/%f/Hz010102103104由于不同材料的光敏电阻频率特性不同，但随着频率增大灵敏度会下降，如图2.9所示。硫化铅的使用频率比硫化铊高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。硫化铅硫化铊图2.9光敏电阻的频率特性在阶跃脉冲光照射下，光敏电阻的光电流要经历一段时间才达到最大饱和值；光照停止后，光电流也要经历一段时间才下降到零，这称为光电导的驰豫现象，通常用响应时间来描述，响应时间又包括上升时间tr（从光照到光敏电阻的时刻开始，到光电流达到稳定值的63%为止所经历的时间）和衰减时间tf（从撤去光照时刻到光电流衰减到稳定值的37%为止所经历的时间）。影响光敏电阻响应特性的因素有很多，例如对CdS光敏电阻：①在暗处放置的时间越长，其响应时间也相应延长；②光照的越强，响应时间越短；③增大负载电阻，光电流的上升时间缩短，衰减时间延长。⒍稳定性图2.10中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，可使其性能稳定。I/%408012016021T/h040080012001600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。图2.10CdS光敏电阻的稳定性⒎温度特性光敏电阻的性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光谱温度特性如图2.11所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20ºC-20ºC图2.11CdS光敏电阻的光谱温度特性§2.3光生伏特效应型光电传感器工作原理：光生伏特效应是在光线作用下，使敏感结构产生一定方向的电动势，或产生光电流的现象。光生电动势和光电流的大小与光照强度密切相关。利用光生伏特效应制作的半导体光电传感器有半导体光电池、光敏二极管、光敏三极管。2.3.1半导体光电池应用最广泛的半导体光电池是硅光电池，因为它有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、耐高温辐射等优点。此外，还有锗光电池、砷化镓光电池等。以下着重介绍硅光电池。一、光电池的结构在N型硅片上用扩散的方法形成P型区域得到一个大面积的PN结。当光照射在PN结上产生光生伏特效应时，P区和N区之间形成光生电动势。用导线连接两个区，电路中有光电流流过。图2.12光电池的结构及电路符号1.结构示意图2.电路符号二、光电池的特性1.光谱特性图2.13光电池的光谱特性1-硅光电池2-硒光电池光电池对不同波长的光，其灵敏度是不同的。图2.13是硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。可见，硅光电池的适用范围宽，对应的入射光波长可在0.45～1.1μm之间，而硒光电池只能在0.34～0.57μm波长范围，它适用于可见光检测。实际使用中应根据光源性质来选择光电池。但是，光电池的光谱峰值位置不仅和光电池的材料有关，也和制造工艺有关，而且随着温度不同会有所移动。2.光照特性光电池在不同的光照度下，光生电动势和光电流是不同的，如图2.14所示。开路电压与光照度的关系式非线性的，而且在光照度为2000lx时就趋于饱和，而短路电流在很大范围内与光照度呈线性关系，负载电阻越小，线性越好，且线性范围越宽，在检测连续变化的光照度时，可作电流源来使用。图2.14硅光电池的光电特性1-开路电压特性曲线2-短路电流特性曲线3.温度特性温度特性是光电池的重要特性之一。如图2.15所示，硅光电池的开路电压随着温度的上升而明显下降，短路电流随温度上升确实缓慢增加。因此，光电池作为检测元件时，应考虑温度补偿的问题。图2.15硅光电池温度特性1-开路电压2-短路电流4.频率特性光电池的频率特性是指输出电流与入射光调制频率的关系。当入射光照度变化时，由于光生电子-空穴对的产生和复合都需要一定时间，因此入射光调制频率太高时，光电池输出电流的变化幅度将下降。硅光电池的频率特性较好，工作频率的上限约为数万赫兹，而硒光电池的频率特性较差。在调制频率较高的场合，应采用硅光电池，并选择面积较小的硅光电池和较小的负载电阻，可进一步减小响应时间，改善频率特性。2.3.2光敏二极管（光电二极管）一、光敏二极管的结构光敏二极管的基本结构和普通二极管相似，只是其PN结设置在透明管壳顶部的正下方，可以使光线集中照射在PN结上，图2.16是光敏二极管的结构、符号及基本电路。图2.16光敏二极管1.结构示意图和符号2.基本电路二、光敏二极管的工作原理光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，反向电流的大小取决于少数载流子的浓度。无光照时，少数载流子数目很少，所以反向电流很小。当光照产生光生伏特效应时，光生电子-空穴对分别定向运动形成光电流，使反向电流明显增大。如果入射光的照度变化，光生载流子浓度相应变动，光电流也会随之变动，于是光敏二极管将光信号转换成了电信号。简单来说，光敏二极管在