光電式傳感器3

3.5光電傳感器雪崩式光電二極管APD半導(dǎo)體色敏傳感器光電閘流晶體管熱釋電傳感器達(dá)林頓光電三極管光電耦合器件光導(dǎo)攝像管CCD圖像傳感器13.5.7雪崩式光電二極管(APD)

雪崩式光電二極管具有高速響應(yīng)和放大功能：使用時(shí)在PN結(jié)上施加近于擊穿的反偏壓,利用PN結(jié)處產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)而制成的電子倍增管。外來的光線通過薄的P+層,然后被P層吸收產(chǎn)生載流子。由于P層存在著105V/cm的電場,電荷載流子能從電場獲取足夠的能量,將位于價(jià)帶上的電子沖擊離子化產(chǎn)生雪崩效應(yīng),使光電流在管內(nèi)得到倍增。23.5.8半導(dǎo)體色敏傳感器

半導(dǎo)體色敏傳感器可用來直接測量從可見光到紅外波段內(nèi)單色輻射的波長。它有兩個(gè)深淺不同的PN結(jié),形成反向連接的兩個(gè)光電二極管PD1和PD2,故又稱為雙結(jié)光電二極管。3當(dāng)外部光照射到色敏器件上時(shí),P1層吸收光子產(chǎn)生電子—空穴對,電子擴(kuò)散到P1N結(jié),形成電流I1。在N層中吸收透過P1層的長波光,產(chǎn)生電子—空穴對,其中一半向P1層一側(cè)擴(kuò)散,另一半向P2層一側(cè)擴(kuò)散,分別形成電流I2和I3。到達(dá)P2層的紅外光區(qū)域的光在這里被吸收,產(chǎn)生電子,擴(kuò)散到P2N結(jié),形成電流I4。光電二極管PD1和PD2的短路電流Isc1和Isc2為4

光電二極管的光譜特性與PN結(jié)的結(jié)深有關(guān),在靠近表面的PN結(jié)的PD1對短波長的光比較靈敏,而遠(yuǎn)離表面的PN結(jié)的PD2對長波長比較靈敏。上面的一個(gè)PN結(jié)距離上表面約0.5μm,對580nm波長具有峰值靈敏度,距上表面深度為10μm的另一PN結(jié),對900nm波長具有峰值靈敏度。5使用方法：將這兩個(gè)光電二極管等效電路串聯(lián)連接,先取出PD1的短路電流Isc1及PD2的短路電流Isc2,測出它們的電流比Isc2/Isc1，短路電流比與波長有一一對應(yīng)的關(guān)系。因此,如果測出短路電流比,就可以求出對應(yīng)的入射光的波長,即可分辨出不同的顏色。6具體的比較電路7實(shí)際應(yīng)用的比較電路如圖：Ic1和Ic2分別由各自的運(yùn)算放大器放大,同時(shí)也進(jìn)行對數(shù)壓縮。將信號引入下一級的比較電路,就可得到Isc2/Isc1之比值。這樣得出的輸出電壓U0與波長一一對應(yīng)?？蓹z測出從400~1000nm以上范圍內(nèi)的波長。輸出電壓與波長的關(guān)系3.5.9光電閘流晶體管

光電閘流晶體管是由入射光觸發(fā)而導(dǎo)通的可控硅,簡稱光控晶閘管（光激可控硅）。在硅片上作成NPNP四個(gè)薄層,陽極置于基片上,最上面的N區(qū)為陰極,緊接著陰極的P層為控制極,在表面上作一層SiO2保護(hù)膜,再密封在有透光窗口的管殼中,最后接出引線。當(dāng)P1接電源正極,N2接電源負(fù)極時(shí),J1結(jié)和J3結(jié)處于正向,J2結(jié)處于反向。8

其等效電路類似于可控硅,四層結(jié)構(gòu)可以看成P1N1P2和N2P2N1兩個(gè)晶體管在內(nèi)部連接在一起而構(gòu)成,且每個(gè)晶體管的基極均與另一個(gè)晶體管的集電極相連。等效電路中的二極管D用來表示J2的PN結(jié)的反向漏電流。設(shè)兩個(gè)三極管V1和V2的共基極(短路)電流放大系數(shù)(小于1)為α1、α2,則有如下的關(guān)系:9圖3.63光電閘流晶體管結(jié)構(gòu)以及原理電路和常用符號

(a)結(jié)構(gòu)；(b)原理電路10

則光控晶閘管的導(dǎo)通電流IA為

因

IP的大小取決于光照射,IG可為零。當(dāng)滿足α1+α2=1,在光照射時(shí)IP增加,IA將急劇增大,晶閘管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。113.5.10熱釋電傳感器熱釋電傳感器利用熱釋電效應(yīng)來檢測受光面的溫度升高值,得知光的輻射強(qiáng)度,工作在紅外波段內(nèi)。這種傳感器在常溫下工作穩(wěn)定可靠,使用簡單,時(shí)間響應(yīng)能到微秒數(shù)量級,已得到普遍使用。12

在垂直極化軸的方向上把具有熱釋電效應(yīng)的晶體切成薄片,再研磨成厚度為5~50μm的極薄片,在兩面蒸鍍上電極,類似于電容器的構(gòu)造。晶體本身能很好地吸收從紅外波段到毫米波段的電磁波,必要時(shí)也用黑化以后的晶體或在透明電極表面涂上黑色膜。13圖3.65熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖14圖為溫度和自發(fā)極化的關(guān)系。傳感器工作在曲線ΔP大（熱釋電系數(shù)q=dP/dT大）的部分。為得到好的時(shí)間響應(yīng),希望熱釋電材料的介電常數(shù)ε和tanδ要小,比熱CP和密度ρ越小越好。15

當(dāng)熱釋電材料由于熱釋電傳感器受到頻率為f的調(diào)制光照射時(shí),自發(fā)極化P也以頻率f作周期性變化。如果f>1/τ（τ為中和平均時(shí)間）,就會(huì)輸出頻率為f的電信號。熱釋電傳感器可以看作電流源,圖中電流

傳感器輸出電壓為：16電極面積17無線人體熱釋電紅外傳感器在電子防盜、人體探測器領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測器的應(yīng)用非常廣泛，因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎3.5.11達(dá)林頓光電三極管達(dá)林頓光電三極管是光電三極管與普通三極管內(nèi)部采用達(dá)林頓接線方式集成在一起的組件,達(dá)林頓管的增益很大,其電流放大系數(shù)近似為兩個(gè)管子分離時(shí)電流放大系數(shù)的乘積。能更可靠地使輸出為開關(guān)狀態(tài),也更容易驅(qū)動(dòng)負(fù)載。183.5.12光電耦合器件光電耦合器件是一種光電結(jié)合的器件。從結(jié)構(gòu)上看,就是將發(fā)光元件和受光元件完全封裝起來,并將外部光線加以遮斷的元件。常用硅光電三極管作受光部分,砷化鎵發(fā)光二極管作發(fā)光部分。發(fā)光二極管（LED）是靠注入PN結(jié)的載流子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的自發(fā)輻射發(fā)光的。發(fā)射的是相干光,波長在可見光或紅外光區(qū)域。發(fā)光二極管的開啟電壓約為1～2V,發(fā)光亮度與流過管子的電流密度有關(guān)。19

光電耦合器件工作時(shí),在輸入端接入電信號,使發(fā)光器件發(fā)光,而受光器件管芯在此光輻射的作用下輸出光電流。通過電-光、光-電兩次轉(zhuǎn)換,進(jìn)行輸入端和輸出端之間的電的耦合。203.5.13光導(dǎo)攝像管光導(dǎo)攝像管出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代,以后性能得到很大改善,廣泛應(yīng)用于電視攝像等方面。作為攝像裝置,必須有三個(gè)功能:把圖像的像素圖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電荷圖的功能，把電荷圖暫存器起來的功能和把各個(gè)像素依次讀出的功能。21圖3.70光導(dǎo)攝像管的結(jié)構(gòu)和等效電路22

圖3.70(b)示出了原理性的等效電路。R與C并聯(lián)電路代表光電導(dǎo)膜的像素小單元,并假定為射束的撞擊面積。工作時(shí),用電子束逐點(diǎn)掃描像素小單元,把各小單元均充至電源電壓V,然后中斷。在光的照射下,由于光電導(dǎo)效應(yīng),R會(huì)變小,C則會(huì)放電,電壓降低。23

電壓降低的多少與光強(qiáng)成比例,實(shí)現(xiàn)把圖像的像素圖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電荷圖,并把電荷圖暫存起來。當(dāng)用電子束再次逐點(diǎn)掃描時(shí),如圖3.70(b)所示形成閉合電路,(電子束)所放出的電荷量使C充電。充電電流大小與小單元電壓降低的程度成正比。充電電流流過負(fù)載電阻RL,從而輸出與強(qiáng)弱程度不同的光成正比的電壓信號。根據(jù)這樣的工作原理來掃描二維的光電膜表面,就可獲得二維圖像信號,完成各個(gè)像素信號的依次讀出。電子束的偏轉(zhuǎn)有電磁方式和靜電方式兩種。為使電子加速必須外加300~600V的電壓。243.5.14CCD圖像傳感器電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,簡稱CCD)是貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的,由于它有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)、延時(shí)和將電信號按順序傳送等功能,且集成度高、功耗低,因此隨后得到飛速發(fā)展,是圖像采集及數(shù)字化處理必不可少的關(guān)鍵器件,廣泛應(yīng)用于科學(xué)、教育、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、工業(yè)、軍事和消費(fèi)領(lǐng)域。25CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）電容器組成的陣列,其構(gòu)造如圖3.71所示。在P型或N型硅襯底上生長一層很薄（約1200）的二氧化硅,再在二氧化硅薄層上依次序沉積金屬或摻雜多晶硅電極（柵極）,形成規(guī)則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD芯片。26圖3.71CCD芯片的構(gòu)造27

圖3.71中所示為64位CCD結(jié)構(gòu)。每個(gè)光敏元（像素）對應(yīng)有三個(gè)相鄰的轉(zhuǎn)移柵電極1、2、3,所有電極彼此間離得足夠近,以保證使硅表面的耗盡區(qū)和電荷的勢阱耦合及電荷轉(zhuǎn)移。所有的1電極相連并施加時(shí)鐘脈沖φ1,所有的2、3也是如此,并施加時(shí)鐘脈沖φ2、φ3。這三個(gè)時(shí)鐘脈沖在時(shí)序上相互交迭,如圖3.72所示。28圖3.72三個(gè)時(shí)鐘脈沖的時(shí)序29MOS電容器和一般電容器不同的是,其下極板不是一般導(dǎo)體而是半導(dǎo)體。假定所用半導(dǎo)體是P型硅,其中多數(shù)載流子是空穴,少數(shù)載流子是電子。若在柵極上加正電壓,襯底接地,則帶正電的空穴被排斥離開Si-SiO2界面,帶負(fù)電的電子被吸引到緊靠Si-SiO2界面。當(dāng)電壓高到一定值,形成對電子而言的所謂勢阱,電子一旦進(jìn)入就不能復(fù)出。電壓愈高,產(chǎn)生的勢阱愈深?？梢奙OS電容器具有存儲(chǔ)電荷的功能。如果襯底是N型硅,則在電極上加負(fù)電壓,可達(dá)到同樣目的。30

光照射到光敏元上,會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對（光生電荷）,電子被吸引存儲(chǔ)在勢阱中。入射光強(qiáng)則光生電荷多,弱則光生電荷少,無光照的光敏元?jiǎng)t無光生電荷。這樣就在轉(zhuǎn)移柵實(shí)行轉(zhuǎn)移前,把光的強(qiáng)弱變成與其成比例的電荷的數(shù)量,實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。若停止光照,電荷在一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)損失,可實(shí)現(xiàn)對光照的記憶。31

轉(zhuǎn)移柵實(shí)行轉(zhuǎn)移的工作原理是,t1時(shí)刻φ1是高電平,于是在電極1下形成勢阱,并將少數(shù)載流子(電子)吸引至聚集在Si-SiO2界面處,而電極2、3卻因?yàn)榧拥氖堑碗娖?形象地稱為壘起阱壁。圖3.71所示的情況是,第62、64位光敏元受光,而第1、2、63位等單元未受光照。32t2時(shí)刻,φ1的高電平有所下降,φ2變?yōu)楦唠娖?而φ3仍是低電平。這樣在電極2下面勢阱最深,且和電極1下面勢阱交迭,因此儲(chǔ)存在電極1下面勢阱中的電荷逐漸擴(kuò)散漂移到電極2下的勢阱區(qū)。由于電極3上的高電平無變化,所以仍高筑勢壘,勢阱里的電荷不能往電極3下擴(kuò)散和漂移。33t3時(shí)刻,φ1變?yōu)榈碗娖?φ2為高電平,這樣電極1下面的勢阱完全被撤除而成為阱壁,電荷轉(zhuǎn)移到電極2下的勢阱內(nèi)。由于電極3下仍是阱壁,所以不能繼續(xù)前進(jìn),這樣便完成了電荷由電極1下轉(zhuǎn)移到電極2下的一次轉(zhuǎn)移,如圖3.73