半导体敏感元件(光敏)课件

半导体光电传感器1.半导体的光吸收EgECEVhv本征吸收激子吸收自由载流子吸收杂质吸收++外光电效应在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。光电倍增管光电管真空光电管的伏安特性2.光电效应3.光电管光电管的基本特性（1）光照特性

通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系。（2）光谱特性对不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系。3.光电管光电管的基本特性-应用光电传感器的主要依据参数。（3）伏安特性当极间电压高于50V时，光电流开始饱和，所有的光电子都达到了阳极。真空光电管一般工作于饱和部分。（4）其他特性暗电流：无光照射时，光电流不为0。温度特性：受温度的影响。稳定性和衰老：短期稳定性好；入射光越强，衰老速度快。玻璃光电导层电极绝缘衬底金属壳黑色绝缘玻璃引线(B)典型结构(A)刻线式结构电极电极光导体光敏电阻器的封装结构4.光电导效应器件-光敏电阻器b.结构C设计提高光电导效应的措施A降温B选高阻半导体材料影响光敏电阻（光电导管）灵敏度的因素若一块均匀N型CdS半导体，稳态条件下，光电导主要由电子贡献已知：光电增益为光生电流；光电管每秒吸收光子数；为量子产额；产生非平衡载流子的光子数吸收光子数尝试推导光电增益（灵敏度）与载流子寿命、迁移率、外加电压、量子产额及电极间距的关系。产生率：光电管单位体积每秒吸收光子数；4.光电导效应器件-光敏电阻器D主要参数光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。4.光电导效应器件-光敏电阻器（1）暗电阻和暗电流光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。（2）亮电阻（3）光电流

亮电流与暗电流之差，称为光电流。E基本特性4.光电导效应器件-光敏电阻器（3）光谱特性（a）表面层的反射与吸收；（b）材料的禁带宽度；（c）表面减反射层的性质与厚度；（d）器件结构。

光敏器件都具有光谱选择性，光谱响应主要决定于：E基本特性4.光电导效应器件-光敏电阻器

（4）响应时间和频率特性光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。通常用响应时间t表示。光电导的弛豫现象：频率特性差是光敏电阻的一个缺点。当光突然照到光电二极管上时，输出信号从峰值的10%上升到90%的时间，表示响应速度E基本特性4.光电导效应器件-光敏电阻器电阻温度系数:

硫化镉光敏电阻的温度特性

（5）温度特性

硫化铅光敏电阻的光谱温度特性

降温提高光敏电阻对长波光的响应。温度对光谱特性影响4.光电导效应器件-光敏电阻器G类型按最佳波长分类（1）对紫外光（波长300~400nm）主要ZnO、ZnS、CdS等材料制作;（3）对红外光（波长760~6000nm）主要Pb、PbSe等材料制作;（2）对可见光（波长400~760nm）主要Se、Si、BiS、Ge等材料制作;短路电流

：开路电压：5.光生伏特效应器件-光电池（a）工作原理WaferAssemblyModuleassemblyConstructionofPVsystem5.光生伏特效应器件-光电池（b）太阳能光伏5.光生伏特效应器件-光电池（c）光电池基本特性温度特性保当光电池作为测量元件时，最好能持温度恒定，或采取温度补偿措施。频率特性输出电流随调制光频率变化的关系。频率特性与材料、结构尺寸和使用条件等有关。(a)结构5.光生伏特效应器件-光电二极管有光照时反偏PN结能带图结构符号与管芯截面伏安特性(b)工作原理-工作在反向偏压下情况和光电池相比，结面积小，频率特性特别好，电流普遍比光电池小，一般几微安到几十微安。电路

5.光生伏特效应器件-光电二极管PIN结光电二极管与一般光敏二极管的区别在于P区和N区之间增加了一层很厚的高电阻率的本征半导体（I）。同时将P层做得很薄。由于P层很薄，大量的光子被较厚的I层吸收，激发较多的载流子形成光电流；响应速度快，灵敏度高，线性好，用于光通讯，光测量。光照特性5.光生伏特效应器件-光电二、三极管（c）基本特性线性适合检测等方面的应用。近似线性，既可作线性转换元件，也可作开关元件。（c）基本特性5.光生伏特效应器件-光电二、三极管可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光的探测，用锗管较为适宜。光谱特性伏安特性三极管的偏压对光电流有明显的影响，偏压较小时，光电流随着偏压的增大而增大，偏压增大到一定程度时，光电流处于近似饱和状态。5.光生伏特效应器件-光电二、三极管（c）基本特性温度特性温度变化对光电流影响很小,而对暗电流影响很大,所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿,否则将会导致输出误差。光敏晶体管5.光生伏特效应器件光敏二极管的应用无光照时，光敏二极管反向截止，R1上的压降VA很小，T1和T2截止，继电器J不动作，路灯保持亮；

有光照时，光敏二极管反向电阻下降，VA上升T1和T2导通，J动作常闭端打开，路灯保持亮。白天灯灭，晚上灯亮，起到自动控制的作用。光电路灯控制电路5.光生伏特效应器件-光控晶闸管

晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理光控晶闸管结构与原理外形和电路符号

5.光生伏特效应器件-光电二、三极管光控晶闸管结构与原理只要有足够强度的光源照射一下管子的受光窗口，它就立即成为通导状态，而后即使撤离光源也能维持导通，除非加在阳极和阴极之间的电压为零或反相，才能关闭。

三种模式：光伏型、光导型和场效应型灵敏度高，非线性较大线性应用通过RG在栅上加负电压，无光照，管截止。有光照时，在栅源PN结处产生光生电动势，光生电流流过RG。6.光敏场效应晶体管7.光电耦合器件光隔离器发光元件和光电传感器封装在一个外壳内组合而成。光电耦合器以光为媒介进行耦合来传递电信号，可实现电隔离，在电气上实现绝缘耦合，因而提高了系统的抗干扰能力。7.光电耦合器件光电传感器

光电转速传感器-透射、反射8.电荷耦合器件(a)结构和工作原理使源端半导体表面达到强反型的栅压。阈值电压VT=VFB+VB+Vox源端强反型时的VGS平带电压降在MOS结构上的自建势降在半导体上的压降，强反型时为－2φf

降在栅氧化层上的压降QBM/Cox8.电荷耦合器件结构和工作原理(a)栅压UG较小时，MOS电容器处于耗尽状态。(b)栅压UG增大到开启电压Uth时,半导体表面的费米能级高于禁带中央能极,半导体表面上的电子层称为反型层。(a)光注入(b)电注入(c)硅本身热激发注入势阱中电荷产生方法：8.电荷耦合器件存储与转移信息电荷。(c)在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。

（a）必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通。(b)控制相邻MOC电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。信号电荷的转换CCD的基本功能特性参数8.电荷耦合器件(1)转移效率当CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷，则转移效率定义为若转移损耗定义为则电荷进行N次转移时，总转移效率为要求转移效率必须达到99.9