《型固態(tài)光電傳感器》PPT課件

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1、新型傳感器技術張認成華僑大學機電及自動化學院碩士研究生系列課程7/29/20211第一章新型固態(tài)光電傳感器象限探測器光敏器件陣列自掃描光電二極管陣列光電位置傳感器PSD電荷耦合器件CCD—以集成電路、半導體加工工藝以及光電效應為基礎的陣列傳感器7/29/20212本章內(nèi)容提要光電效應普通光敏器件陣列自掃描二極管陣列光電位置傳感器PSD7/29/202131光電效應定義：物質由于光的作用而產(chǎn)生電流、電壓，或電導率變化的現(xiàn)象分類：外光電效應(電子發(fā)射效應)內(nèi)光電效應光電導效應光生伏特效應7/29/202141.1外光電效應產(chǎn)生外光電效應的條件：入射光的頻率

2、必須大于材料的紅限+_光電子光子光電流方向光電子流向外光電效應7/29/202151.1.1原理與結構光照?物質?電子獲能?逸出表面?光電流(光子)(光電子)光電流正比于光強度入射光的頻率必須大于材料的紅限光電傳感器對光具有選擇性光電材料:銀氧銫銻銫鎂化鎘等舉例:光電管光電倍增管7/29/202161.1.2真空光電管1.組成：光電陰極＋陽極A＋透明外殼2.結構與測量電路：陽極陰極結構IURE測量電路7/29/20217真空光電管的特點線性度好;靈敏度低；測量弱光時，光電流很小，測量誤差大。光電倍增管可提高弱光測量的靈敏度光電倍增管可提高弱光測量的靈敏

3、度7/29/202181.1.3光電倍增管組成：光電陰極K＋陽極A＋倍增極＋外殼結構原理及測量電路7/29/20219光電倍增管的特點很高的放大倍數(shù)（可達106）；適應弱光測量；工作電壓高,一般需冷卻。例如：0.1流明（lm）光通量時，光電管產(chǎn)生光電流為5μA;0.0001流明光通量時，光電倍增管的光電流為1000μA。相差1000×200倍7/29/2021101.2內(nèi)光電效應——光敏器件進行光電轉換的物理基礎光電導效應—半導體材料在光的照射下，電導率發(fā)生變化的現(xiàn)象。光生伏特效應—半導體材料在光的照射下，在一定方向產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。7/29/2021111

4、.2.1光電導效應—光敏電組光照?半導體材料?電子空穴對激發(fā)分裂?導電粒子增加?電導率增加?光電流光的選擇性暗電阻:10~100MΩ亮電阻:<10kΩ用途:測光/光導開關材料：硫化鎘、硫化鉈、硫化鉛mAI7/29/202112光敏電阻的特性紫外10nm-0.4um紅外0.76-1000um可見光0.38-0.767/29/202113光譜特性硫化鎘：可見光區(qū)域,λ=0.4~0.76μm峰值0.7μm硫化鉈：可見光及近紅外區(qū),λ=0.5~1.7μm峰值:1.2~1.3μm硫化鉛：可見光至中紅外區(qū),λ=0.5~3μm峰值2.5μm根據(jù)光譜范圍選用！7/29/20

5、21141.2.2光電導效應—光敏晶體管結構與普通晶體管相似，但P-N結具有光敏特性。二極管在電路中處于反向工作狀態(tài)。7/29/202115光敏二極管無光照時：光電二極管反向截止，回路中只有很小的反向飽和漏電流——暗電流，一般為10-8~10-9A，相當于普通二極管反向截止；+RL漏電流無光照7/29/202116續(xù)有光照時：P-N結吸收光子能量，產(chǎn)生大量的電子/孔穴對，P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度提高，在反向電壓的作用下反向飽和電流顯著增加，形成光電流。+RL光電流有光照7/29/202117性能與用途光電流與光通量成線性關系，適應于光照檢測方面的應用；光電

6、二極管動態(tài)性能好，響應速度快（<10μs）；但靈敏度低，溫度穩(wěn)定性差。光電三極管可以克服這些缺點。7/29/202118光敏三極管電路集電結反向偏置基極無引出線圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcboIc7/29/202119原理無光照時有光照時Icbo—反向飽和漏電流Iceo—光敏三極管暗電流Ic—集電結反向飽和電流Ie—光敏三極管光電流圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcbo7/29/202120應用—“電眼睛”光電編碼器火災報警器光電控制自動化產(chǎn)生條形碼讀出器機器安全設施等7/29/202121光電晶體管特性—光譜、伏安特性7/29/2

7、02122光電晶體管特性—溫度、頻率特性溫度的變化對光敏晶體管的亮電流和暗電流的影響十分顯著。在低照度下工作時應選擇鍺管。7/29/2021231.2.3光生伏特效應—光電池物理基礎—光生伏特效應半導體材料在光的作用下產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象類型—硒光電池、硅光電池7/29/202124硒光電池原理無光照時，載流子擴散形成阻擋層，阻止硒中空穴的進一步擴散，動平衡；有光照時，硒中激發(fā)出電子空穴對，電子穿過阻擋層，空穴留在硒中；電荷積累的結果：硒半導體成為正極，金屬成為負極。連接＋—極，產(chǎn)生連續(xù)的光電流P-硒N-金屬阻擋層7/29/202125光譜特性—光譜特性硒光電池

8、光譜響應范圍：0.3~0.7μm硅光電池光譜響應范圍