新型固態(tài)光電傳感器

2023年9月2日1新型傳感器技術(shù)張認(rèn)成

華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院

碩士研究生系列課程2023年9月2日2第一章新型固態(tài)光電傳感器象限探測(cè)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(dǎo)體加工工藝以及光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的陣列傳感器2023年9月2日3本章內(nèi)容提要光電效應(yīng)普通光敏器件陣列自掃描二極管陣列光電位置傳感器PSD2023年9月2日41光電效應(yīng)定義：物質(zhì)由于光的作用而產(chǎn)生電流、電壓，或電導(dǎo)率變化的現(xiàn)象分類：外光電效應(yīng)(電子發(fā)射效應(yīng))內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)2023年9月2日51.1外光電效應(yīng)產(chǎn)生外光電效應(yīng)的條件：入射光的頻率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(yīng)2023年9月2日61.1.1原理與結(jié)構(gòu)

光照

物質(zhì)電子獲能逸出表面光電流

(光子)(光電子)光電流正比于光強(qiáng)度入射光的頻率必須大于材料的紅限光電傳感器對(duì)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2023年9月2日71.1.2真空光電管

1.組成：光電陰極＋陽極A＋透明外殼2.結(jié)構(gòu)與測(cè)量電路：陽極陰極結(jié)構(gòu)IURE測(cè)量電路2023年9月2日8真空光電管的特點(diǎn)線性度好;靈敏度低；測(cè)量弱光時(shí)，光電流很小，測(cè)量誤差大。光電倍增管可提高弱光測(cè)量的靈敏度光電倍增管可提高弱光測(cè)量的靈敏度

2023年9月2日91.1.3光電倍增管組成：光電陰極K＋陽極A＋倍增極＋外殼結(jié)構(gòu)原理及測(cè)量電路2023年9月2日10光電倍增管的特點(diǎn)很高的放大倍數(shù)（可達(dá)106）；適應(yīng)弱光測(cè)量；工作電壓高,一般需冷卻。

例如：0.1流明（lm）光通量時(shí)，光電管產(chǎn)生光電流為5μA;0.0001流明光通量時(shí)，光電倍增管的光電流為1000μA。相差1000×200倍2023年9月2日111.2內(nèi)光電效應(yīng)

——光敏器件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的物理基礎(chǔ)光電導(dǎo)效應(yīng)—半導(dǎo)體材料在光的照射下，電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)—半導(dǎo)體材料在光的照射下，在一定方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。2023年9月2日121.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)—光敏電組光照半導(dǎo)體材料電子空穴對(duì)激發(fā)分裂導(dǎo)電粒子增加電導(dǎo)率增加光電流光的選擇性暗電阻:10~100MΩ亮電阻:<10kΩ用途:測(cè)光/光導(dǎo)開關(guān)材料：硫化鎘、硫化鉈、硫化鉛mAI2023年9月2日13光敏電阻的特性紫外10nm-0.4um紅外0.76-1000um可見光0.38-0.762023年9月2日14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！2023年9月2日151.2.2光電導(dǎo)效應(yīng)—光敏晶體管結(jié)構(gòu)與普通晶體管相似，但P-N結(jié)具有光敏特性。二極管在電路中處于反向工作狀態(tài)。2023年9月2日16光敏二極管無光照時(shí)：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(dāng)于普通二極管反向截止；

+RL漏電流無光照2023年9月2日17續(xù)有光照時(shí)：P-N結(jié)吸收光子能量，產(chǎn)生大量的電子/孔穴對(duì)，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2023年9月2日18性能與用途光電流與光通量成線性關(guān)系，適應(yīng)于光照檢測(cè)方面的應(yīng)用；光電二極管動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)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(diǎn)。2023年9月2日19光敏三極管電路集電結(jié)反向偏置基極無引出線圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcboIc2023年9月2日20原理無光照時(shí)有光照時(shí)Icbo—反向飽和漏電流Iceo—光敏三極管暗電流Ic—集電結(jié)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IeIeboIcbo2023年9月2日21應(yīng)用

—“電眼睛”

光電編碼器火災(zāi)報(bào)警器光電控制自動(dòng)化產(chǎn)生條形碼讀出器機(jī)器安全設(shè)施等2023年9月2日22光電晶體管特性—光譜、伏安特性2023年9月2日23光電晶體管特性—溫度、頻率特性溫度的變化對(duì)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(shí)應(yīng)選擇鍺管。2023年9月2日241.2.3光生伏特效應(yīng)—光電池物理基礎(chǔ)—光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體材料在光的作用下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象類型—硒光電池、硅光電池2023年9月2日25硒光電池原理無光照時(shí)，載流子擴(kuò)散形成阻擋層，阻止硒中空穴的進(jìn)一步擴(kuò)散，動(dòng)平衡；有光照時(shí)，硒中激發(fā)出電子空穴對(duì)，電子穿過阻擋層，空穴留在硒中；電荷積累的結(jié)果：硒半導(dǎo)體成為正極，金屬成為負(fù)極。連接＋—極，產(chǎn)生連續(xù)的光電流P-硒N-金屬阻擋層2023年9月2日26光譜特性—光譜特性硒光電池光譜響應(yīng)范圍：0.3~0.7μm硅光電池光譜響應(yīng)范圍：0.5~1μm2023年9月2日27光譜特性—光電、溫度特性短路工作狀態(tài)溫度補(bǔ)償！2023年9月2日281.3普通光敏器件陣列象限探測(cè)器光敏器件陣列2023年9月2日291.3.1象限探測(cè)器作用確定光點(diǎn)在平面上的位置坐標(biāo)；用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤等。結(jié)構(gòu)利用光刻技術(shù)，將一整塊圓形或正方形光敏器件敏感面分割成若干區(qū)域；各個(gè)區(qū)域各面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱；背面仍為一體。2023年9月2日30劃分形式：2023年9月2日31原理光點(diǎn)投射到探測(cè)器上；各象限上光斑大小不同；光生電動(dòng)勢(shì)也不同：U2<U1<U3<U4；可斷定光心在第4象限；標(biāo)定后，可知光心在X、Y方向的坐標(biāo)。3241U4U3U2U1XY2023年9月2日32和差坐標(biāo)換算Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y2023年9月2日33和差測(cè)量電路2023年9月2日34直差坐標(biāo)換算—器件旋轉(zhuǎn)45°Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y2023年9月2日35直差測(cè)量電路2023年9月2日36象限探測(cè)器的特點(diǎn)測(cè)量精度與光強(qiáng)無關(guān)，只與光心位置有關(guān)；存在死區(qū)，光斑很小時(shí)特明顯，分辨率低；光斑落在一個(gè)象限時(shí)，失效，測(cè)量范圍小。2023年9月2日371.3.2光敏二極管陣列一種低集成度的集成傳感器多個(gè)光敏晶體管等間隔線性排列集成度一般為10～32像素／片；集成封裝，獨(dú)立引線；電路復(fù)雜，用多路開關(guān)簡(jiǎn)化電路。2023年9月2日38多路開關(guān)輸出2023年9月2日391.4自掃描光電二極管陣列SSPD普通光電二級(jí)管陣列＋數(shù)字位移寄存器輸出電路簡(jiǎn)化集成度提高：64，128，256，512～4096線陣、面陣兩種形式電荷儲(chǔ)存工作方式工作原理復(fù)雜2023年9月2日401.4.1像元結(jié)構(gòu)N型硅表面擴(kuò)散P型硅材料，形成P-N結(jié)蒸涂SiO2（透明）覆蓋鋁膜，氧化層部分外露引出柵極、漏極、源極形成MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管SiO2N-SiP柵極Al膜漏極源極玻璃罩2023年9月2日41等效電路VD：理想光敏二極管Cd：結(jié)電容Ug：柵極控制電壓1－通；0－短Uc：PN結(jié)反偏電壓RL：負(fù)載電阻IL：負(fù)載電流VT：場(chǎng)效應(yīng)管（開關(guān)）Ug柵極控制電壓RLUcVDCdILVTU0開關(guān)光敏二極管2023年9月2日421.4.2工作過程預(yù)充電放電(積分)充電(信號(hào)輸出)放電充電......循環(huán)往復(fù),負(fù)載上周期性的輸出像元上的光信號(hào).Ug柵極控制電壓RLUcVDCdILVTU02023年9月2日43預(yù)充電Ug=1,VT開VD反向截止電源Uc經(jīng)RL給Cd充電UcCdVTRLP-N結(jié)上所充電荷QQ=CdUc充電結(jié)束Ug=1RLUcVDCdILVTU0++2023年9月2日44放電(積分)Ug=0,VT關(guān)斷Cd經(jīng)VD放電CdVDCd放電荷為ΔQΔQ=(Ip+Id)Ts≈IpTsCd電壓減小為UcdUcd=Uc-ΔQ/CdUg=0RLUcVDCdILVTU0++暗電流Id<<Ip亮電流2023年9月2日45循環(huán)充電(信號(hào)輸出)Ug=1，VT開VD反向截止Uc經(jīng)CdVTRL充電,Cd電壓由Ucd開始至UcCd上充電量為ΔQRl上最大電壓增量為Uomax=ΔQ/Cd=Ip(Ts/Cd)Ip與光強(qiáng)成正比Ug=1RLUcVDCdILVTU0++UcdIL≈Ip~E2023年9月2日461.4.3線陣SSPD結(jié)構(gòu)感光陣列+多路開關(guān)+移位寄存器公共端相連(COM)各管性能相同多路開關(guān)多選一在時(shí)鐘與脈沖的作用下依此輸出2023年9月2日47移位輸出_以4像素SSPD為例預(yù)充電:S=[1111]循環(huán)輸出U0U2U1U31111φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVT2023年9月2日48U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ42023年9月2日49Φ1周期:S=[0111]VT1關(guān)閉,VD1放電其余截止無輸出U2U1U3

0111φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU0XS1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U1φ1φ3

φ5U2U3U4φ2φ42023年9月2日50Φ2周期:S=[1011]VT1通,VD1充電VD1輸出至U0VT2關(guān)閉,VD2放電U2U1U31011φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU1U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ42023年9月2日51Φ3周期:S=[1101]VT2通,VD2充電VD2輸出至U0VT3關(guān)閉,VD3放電以此類推......Φn+1周期輸出VDn充電時(shí)間<<時(shí)鐘周期U2U1U31101φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU2U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ42023年9月2日52電流放大輸出+_ILU0RsRf2023年9月2日53SSPD特點(diǎn)光電線性：Q∝曝光量（E＊Ts)；暗電流：室溫下1pA隨溫升加大，1倍／7℃隨積分時(shí)間增大液氮致冷：積分時(shí)間可延至幾小時(shí)，測(cè)微光信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍：500:1輸出飽和信號(hào)與暗電流之比代替象限探測(cè)器10－510H1010－3Qmax2023年9月2日541.5PSD光電位置傳感器PositionSensitiveDetector

連續(xù)檢測(cè)光點(diǎn)位置的光電元件2023年9月2日55一、PSD的工作原理基于內(nèi)光電效應(yīng)。具有PIN三層結(jié)構(gòu)的平板半導(dǎo)體硅片圖2－10PSD結(jié)構(gòu)示意圖2023年9月2日56光點(diǎn)位移與光電流的關(guān)系圖2－10PSD結(jié)構(gòu)示意圖2023年9月2日57PSD的特點(diǎn)1）響應(yīng)速度快，可靠性高。2）光點(diǎn)位置測(cè)量精度與光斑的形狀

無關(guān)，只與光斑的能量中心有關(guān)，減小雜光日光的干擾；2023年9月2日58PSD的特點(diǎn)3）光敏面上無須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測(cè)量光斑的位置，分辨率高，一維PSD可達(dá)0.02μm；4）可同時(shí)檢測(cè)光點(diǎn)的位置和強(qiáng)度，PSD總輸出電流反映光點(diǎn)的光強(qiáng)，兩極電流之差反映光點(diǎn)的位置。2023年9月2日59PSD的特點(diǎn)5）PSD對(duì)光的波長(zhǎng)具有選擇性。如圖2－11是S1543的光譜特性圖，這種器件的響應(yīng)范圍在300～1100nm內(nèi)，峰值波長(zhǎng)在900nm左右的紅外區(qū)。圖2－11S1543PSD的光譜響應(yīng)曲線2023年9月2日60二、PSD結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)換電路一維PSD圖2－10PSD結(jié)構(gòu)示意圖2023年9月2日61一維PSD轉(zhuǎn)換電路圖2－13一維PSD轉(zhuǎn)換電路圖2023年9月2日62三、二維PSD結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)換電路圖2－12二維PSD的結(jié)構(gòu)二維PSD2023年9月2日63二維PSD轉(zhuǎn)換電路圖2－14二維PSD轉(zhuǎn)換電路圖2023年9月2日641.6光電傳感器的應(yīng)用2023年9月2日65一、煙塵濁度檢測(cè)儀光源：400nm~700nm光檢測(cè)器范圍：400~600nm圖2-10吸收式煙塵濁度檢測(cè)儀框圖2023年9月2日66二、光電轉(zhuǎn)速傳感器

圖2-11光電轉(zhuǎn)速測(cè)量略去2例2023年9月2日67光電脈沖轉(zhuǎn)換電路

圖2-12光電脈沖轉(zhuǎn)換電路2023年9月2日68三、路燈自動(dòng)控制

圖2-13路燈自動(dòng)控制器2023年9月2日69原理當(dāng)天亮?xí)r，硅光電池受光照射后，它產(chǎn)生0.2～0.5Ｖ電動(dòng)勢(shì)，使BG1正偏壓而截止，后面多級(jí)放大器不工作，BG4截止，繼電器Ｊ不動(dòng)作，路燈回路觸頭斷開，路燈不亮；當(dāng)天黑無光照時(shí)，光電池?zé)o光生電動(dòng)勢(shì)，使BG1的基極為低電位，B