光敏半导体传感器1

第三章第一章光传感器光传感器根据光和半导体的相互作用原理制成的传感器。通过在半导体中掺进杂质可以在禁带中造成新的能级，可以人为地将光的吸收移至长波范围。半导体光传感器种类很多，可以通过光导效应、光电效应、光电流等实现光的检出，如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电池等。改变结构，还可以制成具有新功能的光传感器，例如灵敏度高和响应速度快的近红外检出器件、仅在特定波长范围灵敏的器件、发光与受光器件处于同一衬底的器件、可进行光检出和电流放大的器件、光导膜与液晶元件相结合的器件、电荷耦合器件等。•光•传•感•器•分•类第一章光传感器•光电原理光电导1、太阳能电池2、光电探测器3、光电二极管、4、三极管5、色敏传感器6、CCD像传感器光电传感器基本原理光学吸收hEEEhcc.......24.10)0(:II初始位置)5.14.........()(0xeIxI微分方程的解：dxxIdxdxxdIxIdxxI)()()()()()(xIdxxdI光吸收系数光流强度是媒质的消光系数kkck421cm单位：。距离吸收的相对光子数是吸收系数，表示单位两种不同吸收系数光强与距离的关系半导体的光吸收•本征吸收•1）直接跃迁•2）间接跃迁•非本征吸收•2，激子吸收•3，自由载流子吸收•4，杂质吸收•5，晶格振动吸收gEhh0Figure12.4几种不同半导体的吸收系数与波长的关系Figure12.5反射系数与透射系数deRTRT2)1(1入射光强度透射光强度透射系数：222)1()1(knknR反射系数：电子空穴对的产生)6.14........()(hxIg电子空穴对的产生率：scm./3个电子空穴对单位：scmxI./)(2能量单位：1，太阳能电池（不属于光传感器是光能源）P-N结太阳能电池）7.14].......(1)[exp(kTeVIIIIISLFLLscIIIpnVR结短路电流：当,0,0)9.14].......(1)[exp(0,kTeVIIIRocSL电流抵消：开路电压，光电流与结当)10.14........(1lnSLtocIIVVFigure14.7光电池的I-V特性曲线传送到负载上的功率是：VkTeVIVIVkTeVIIIVPSLSL]1)[exp(])1)[exp((kTeVkTeVIkTeVIIdVdPmmsmSLexp]1)[exp(0求负载上的最大功率时的电流和电压：)13.14.......(1exp1SLmtmIIkTeVVVFigure14.8最大功率矩形Im是V=Vm时的电流.转换效率与太阳光集中•太阳能转换效率定义：输出电能/入射光能%100%100inmminmPVIPP太阳能电池中可能的最大电流和最大电压分别是：ocscVI,称为占空系数比率：ocscmmVIVI太阳能电池具有代表性的占空系数在0.7~0.8之间。太阳能电池的效率理论值是28%。由于串联电阻和表面反射一般在10~15%。光学透镜聚焦。2，光电探测器•2.1光电导体)17.14)........((000pnepn)18.14()]........()([00ppnnepn)19.14)........()(()(00pnpnpepne))((pnpeAEeGAEAJIpnPLLL)(EJJJL)()(00电流密度：ELtnn)1(:phnpnPLLtALeGI光电导增益pLGp：均匀照射，稳态情况下)24.14.......()1(ALteGInpnPLL例题：计算硅光电导体的增益。n型硅，长度L=100um,横截面A=10-7cm2,少子寿命p=10-6s.所加电压v=10V•解：•电子输运时间为：sVLELtnnn92421041.7)10)(1350()10100(光电导增益：2961083.1)13504801(1041.710)1(npnppht光电导增益与频率相应的开关速度矛盾，需折中。•CdSCdSCdSCdS3，响应特性4电流-电压特性•I=KVαL•K（材料形状载流子寿命）,•电压指数=1.1~1.2•照度指数=0.5~1（与杂质种类有关）功耗太大时，器件温度会上升电阻率会发生与光强无关的变化3，光电二极管•3.1，光电二极管是施加反向电压的pn结二极管。光照之前反偏下少子分布Figure12.18稳态下，光生少数载流子浓度与“长”反偏pn结中光电流空间电荷区产生的光电流：是空间电荷区宽度也称瞬时光电流W11WeGJdxGeJLLLL二极管中性区产生的过剩载流子)29.14........()()(022tnnGxnDpnpLpn)30.14........()(222nLnppDGLndxnd)0...(0)(//222xBeAenLndxndnnLxLxphnpph通解：通解由下式给出：0B对于长二极管：)33.14........(2nLnppDGLn特解由下式给出：)34.14........(002nLnnnLnnLppGDDGDLGn)53.14........(0/nLLxpGAenPn区少数载流子浓度：0)00ppnxnx（过剩载流子浓度：处总电子浓度等于零。对于反偏结：在)37.14........()(/000nLxpnLnLpenGGn)38.14........()(/000pLxnpLpLnepGGp少数载流子浓度梯度将产生扩散电流，少子电子在x=0处产生的扩散电流密度为：)39.14.....(....................).........(])([)(000/00001pnLnnxlxpnLnLnxpnnnGLeDenGGdxdeDdxndeDJn)41.14.......()40.14.......(0101pnppLpnpnnLnLpeDLeGJLneDLeGJ光电流中扩散电流成分的时间响应相对比较慢，也成为延迟光电流。)42.14..(....................)(LpnpLnLLLGLLWeLeGLeGWeGJ度为：总稳态二极管光电流密电流电压特性开路电压短路电流3.2pin光电二极管)43.14)......(1(0000wxwwLLeedxeedxGeJpin光电二极管的瞬时光电流比普通光电二极管的大。介绍激光雷达四相限光电二极管1.06波长3.3雪崩光电二极管假设耗尽禁区宽度10µm,饱和速度107cm/s：pst100101073GHzft51020012112调制信号周期2t：如果雪崩光电二极管的电流增益是20，则带宽增益是100GHz,器件可响应调制在微波频率的光波。4，光电晶体管LcLcLccLEEIIIIIIIIII)1(12.模拟式光电传感器工作方式模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性,其光通量是随被测量而变,光电流就成为被测量的函数,故又称为光电传感器的函数运用状态光电传感器。这一类光电传感器有如下几种工作方：工作方式1.脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也称为光电元件的开关运用状态。这类传感器要求光电元件灵敏度高,而对光电特性的线性要求不高。主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。1)吸收式被测物体位于恒定光源与光电元件之间,根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。2)反射式恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。3)遮光式被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。4)辐射式被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计等。5、半导体色敏传感器6、CCD像传感器•电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)，简称为CCD，是一种新型的MOS性半导体器件，CCD的核心是MOS电容。MOS电容的有序阵列再加上输入与输出部分就构成了CCD的基本结构，在栅电极上施加适当时钟脉冲电压时，在半导体表面就形成了能存贮少数载流子的势阱，用光或电注入的方法把代表信号的少数载流子注入势阱中，再通过时钟脉冲的有规律变化，使势阱的深度发生相应的变化，从而使注入势阱中的少数载流子在半导体表面内作定向运动，再通过少数载流子的收集和再生得到信号的输出。•CCD和MOS场效应晶体管虽然都是MOS结构，但工作状态完全不同，MOS场效应晶体管是工作在反型沟道形成后的热平衡状态，而CCD存贮和转移电荷都是在到达热平衡状态以前的非稳状态内进行的，所以CCD是一种在非稳态下工作的器件。•因此，CCD沟道内的载流子是从输入端注入进来仅由信号的大小决定的，而与栅上的时钟脉冲电压无关，时钟脉冲电压只起存贮和转移信号电荷的作用。为了使信号电荷能够定向快速转移，有种种电极结构和时钟脉冲的设计，电荷耦合器件可分为表面沟道和隐埋沟道两种类型。前者转移够沟道在半导体表面形成，存贮和转移的电荷是少数载流子，简称为SCCD；后者转移沟道在半导体体内形成，存贮和转移的电荷是多数载流子，简称为BCCD。电荷耦合成像器件（CCD）•长期以来，由于采用真空系统，所以摄像器件大而笨重。为此人们一直在研究固定成像器件，自20世纪60年代以来，随着薄膜技术，尤其是薄膜晶体管技术的发展，固体自扫描摄像器件得到了很大进步。它采用了分立的像敏单元阵列，每个单元分别同垂直和水平扫描寻址电路连接，靠扫描寄存器取出各点的信号。由于每个像素的信息实际独立地传送，扫描电路尽管十分复杂，但它仍为固体自扫描器件打下了基础。到1970年随着电荷耦合器件的出现，使得固体自扫描，摄像器得到飞跃发展，目前已经得到广泛应用。其中包括黑白与彩色、微光与红外摄像器件。它具有体积小、重量轻、结构简单、功耗小、成本低等优点，已成为光电器件的一个重要分支。1]CCD工作原理瞬态特性热驰豫时间是少数载流子寿命的五倍约1秒。a]CCD的基本结构-MOS电容的剖面图2]CCD的输入和输出电荷传输原理MOS电荷传输原理电荷包转移储存少数载流子的势阱三相CCD多各顺序排列的MOS电容，在三相时钟的作用下就构成了电荷耦合器件。可以看出这种器件是以三个电极为一组的，每一组可以容纳一个电荷信号，在三相时钟脉冲信号作用下，各组中的信号电荷定向传送，互不干扰。两相CCD当临近电极的电压交替的在V0+V和V0-V之间变化。CCD器件的主要参数3）转移无效率（损失率）4）工作频率CCD(电荷藕合器件图像传感器)2面型像传感器（5）分辨率最高分辨率分别由水平和垂直方向的像素总数所决定。CMOS像传感器CMOS互补性氧化金属半导体：ComplementarySemiconductor）