11 新型固态光电传感器PPT课件

▪ 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！
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1.2.2 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。
V
IΦ
+
-
E
μA
Ic
N
c
E
P e
N
U0
RL
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a)
b)
图6-1-11 光敏二极管
100
1
2
3
80
60
2
40
20
1
0.5 1.0 1.5
2.0
i(μm)
图6-1-13 光敏晶体管的光谱特性
1-硅光敏晶体管 2-锗光敏晶体管
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Ee=2500lx
2500lx
1500lx
1000lx 500lx
-4
-8
-12
2500lx
6-1-14 光敏三极管的伏安特性
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光电晶体管特性—温度、频率特性
紫外10nm-0.4um
红外0.76-1000um
IΦ(mA) 1000lx
IΦ(mA) Kr(%)
40 50mW
30
20
10
100lx 10lx
20 40 60 80 100
U(V)
12 3 100 8 80 6 60 4 40 2 20
20 40 60 80 100 E(lx)
500 1000 1500 2000 2500 λ(nm)
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光敏三极管电路
▪ 集电结反向偏置 ▪ 基极无引出线
Icbo Ic
Iebo Ie
图2-8 NPN光敏三极管电路
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原理
▪ 无光照时
Iceo (1 hFE )Icbo
▪ 有光照时 Ie (1 hFE )Ic
▪ Icbo—反向饱和漏电流 ▪ Iceo—光敏三极管暗电流
+ _
逸出条件：h
1 2
mv02
A
材料红限： 0 A / h
外光电效应
产生外光电效应的条件：
入射光的频率必须大于材料的红限
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1.1.1 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
图6-1-6 光敏电阻的伏安特性
图6-1-7 光敏电阻的光电特性
图6-1-8 光敏电阻的光谱特性
1-硫化镉 2-硫化铊 3-硫化钼
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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
▪ 光电倍增管可提高弱光测量的灵敏度
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1.1.3 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
Φ
D1
D3
D5
A
K
D2
D4
D6
RL IΦ U0
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图6-1-3 光电倍增管结构示意图
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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。
▪ 举例:光电管\光电倍增管
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1.1.2 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
I
E
RU
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结构
测量电路
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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。 ▪ 光电倍增管可提高弱光测量的灵敏度
光电位置传感器PSD
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1 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
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1.1 外光电效应
光子
光电子
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光电子流向
光电流 方向
光子能量 : E h
a)结构示意图和图形符号 b)基本电路
图6-1-12 光敏三极管
a)结构示意图 b)基本电路
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光敏二极管
▪ 无光照时：光电二极管
漏电流 无光照
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
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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
成光电流。
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光电流 有光照
+
RL
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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Hale Waihona Puke Baidu ▪ 光电三极管可以克服这些缺点。
Icbo
▪ Ic—集电结反向饱和电流 ▪ Ie—光敏三极管光电流
Iebo Ie
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图2-8 NPN光敏三极管电路
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应用 —“电眼睛”
▪ 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
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光电晶体管特性—光谱、伏安特性
Kr(%) Ic(mA)
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1.2.1 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
I
▪ 用途:测光/光导开关 mA
▪ 材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅
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光敏电阻的特性
可见光0.38-0.76
硕士研究生系列课程
新型传感器技术
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第一章 新型固态光电传感器
—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
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
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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
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Ic(μA) Kr(%)
1 300
200
100
50
30
20
2
10 4.0 2.0 1.0
10
20 40 60 80 2500lx
100 80 60 40 20
1 10
100
f(kHz)
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1000 μA。
相差1000×200倍
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1.2 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—半导体材料在光的照射下， 在一定方向产生电动势的现象。