新型固态光电传感器

2023年9月2日1新型传感器技术张认成

华侨大学机电及自动化学院

硕士研究生系列课程2023年9月2日2第一章新型固态光电传感器象限探测器

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—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2023年9月2日3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光电位置传感器PSD2023年9月2日41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2023年9月2日51.1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+_光电子光子光电流方向光电子流向外光电效应2023年9月2日61.1.1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\镁化镉等举例:光电管\光电倍增管2023年9月2日71.1.2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：阳极阴极结构IURE测量电路2023年9月2日8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倍增管可提高弱光测量的灵敏度

2023年9月2日91.1.3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2023年9月2日10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。

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1000μA。相差1000×200倍2023年9月2日111.2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。2023年9月2日121.2.1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用途:测光/光导开关材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅mAI2023年9月2日13光敏电阻的特性紫外10nm-0.4um红外0.76-1000um可见光0.38-0.762023年9月2日14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！2023年9月2日151.2.2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。2023年9月2日16光敏二极管无光照时：光电二极管反向截止，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漏电流无光照2023年9月2日17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。+RL光电流有光照2023年9月2日18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。光电三极管可以克服这些缺点。2023年9月2日19光敏三极管电路集电结反向偏置基极无引出线图2-8NPN光敏三极管电路IeIeboIcboIc2023年9月2日20原理无光照时有光照时Icbo—反向饱和漏电流Iceo—光敏三极管暗电流Ic—集电结反向饱和电流Ie—光敏三极管光电流图2-8NPN光敏三极管电路IeIeboIcbo2023年9月2日21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2023年9月2日22光电晶体管特性—光谱、伏安特性2023年9月2日23光电晶体管特性—温度、频率特性温度的变化对光敏晶体管的亮电流和暗电流的影响十分显著。在低照度下工作时应选择锗管。2023年9月2日241.2.3光生伏特效应—光电池物理基础—光生伏特效应半导体材料在光的作用下产生电动势的现象类型—硒光电池、硅光电池2023年9月2日25硒光电池原理无光照时，载流子扩散形成阻挡层，阻止硒中空穴的进一步扩散，动平衡；有光照时，硒中激发出电子空穴对，电子穿过阻挡层，空穴留在硒中；电荷积累的结果：硒半导体成为正极，金属成为负极。连接＋—极，产生连续的光电流P-硒N-金属阻挡层2023年9月2日26光谱特性—光谱特性硒光电池光谱响应范围：0.3~0.7μm硅光电池光谱响应范围：0.5~1μm2023年9月2日27光谱特性—光电、温度特性短路工作状态温度补偿！2023年9月2日281.3普通光敏器件阵列象限探测器光敏器件阵列2023年9月2日291.3.1象限探测器作用确定光点在平面上的位置坐标；用于准直、定位、跟踪等。结构利用光刻技术，将一整块圆形或正方形光敏器件敏感面分割成若干区域；各个区域各面积相等、形状相同、位置对称；背面仍为一体。2023年9月2日30划分形式：2023年9月2日31原理光点投射到探测器上；各象限上光斑大小不同；光生电动势也不同：U2<U1<U3<U4；可断定光心在第4象限；标定后，可知光心在X、Y方向的坐标。3241U4U3U2U1XY2023年9月2日32和差坐标换算Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y2023年9月2日33和差测量电路2023年9月2日34直差坐标换算—器件旋转45°Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y2023年9月2日35直差测量电路2023年9月2日36象限探测器的特点测量精度与光强无关，只与光心位置有关；存在死区，光斑很小时特明显，分辨率低；光斑落在一个象限时，失效，测量范围小。2023年9月2日371.3.2光敏二极管阵列一种低集成度的集成传感器多个光敏晶体管等间隔线性排列集成度一般为10～32像素／片；集成封装，独立引线；电路复杂，用多路开关简化电路。2023年9月2日38多路开关输出2023年9月2日391.4自扫描光电二极管阵列SSPD普通光电二级管阵列＋数字位移寄存器输出电路简化集成度提高：64，128，256，512～4096线阵、面阵两种形式电荷储存工作方式工作原理复杂2023年9月2日401.4.1像元结构N型硅表面扩散P型硅材料，形成P-N结蒸涂SiO2（透明）覆盖铝膜，氧化层部分外露引出栅极、漏极、源极形成MOSFET场效应管SiO2N-SiP栅极Al膜漏极源极玻璃罩2023年9月2日41等效电路VD：理想光敏二极管Cd：结电容Ug：栅极控制电压1－通；0－短Uc：PN结反偏电压RL：负载电阻IL：负载电流VT：场效应管（开关）Ug栅极控制电压RLUcVDCdILVTU0开关光敏二极管2023年9月2日421.4.2工作过程预充电放电(积分)充电(信号输出)放电充电......循环往复,负载上周期性的输出像元上的光信号.Ug栅极控制电压RLUcVDCdILVTU02023年9月2日43预充电Ug=1,VT开VD反向截止电源Uc经RL给Cd充电UcCdVTRLP-N结上所充电荷QQ=CdUc充电结束Ug=1RLUcVDCdILVTU0++2023年9月2日44放电(积分)Ug=0,VT关断Cd经VD放电CdVDCd放电荷为ΔQΔQ=(Ip+Id)Ts≈IpTsCd电压减小为UcdUcd=Uc-ΔQ/CdUg=0RLUcVDCdILVTU0++暗电流Id<<Ip亮电流2023年9月2日45循环充电(信号输出)Ug=1，VT开VD反向截止Uc经CdVTRL充电,Cd电压由Ucd开始至UcCd上充电量为ΔQRl上最大电压增量为Uomax=ΔQ/Cd=Ip(Ts/Cd)Ip与光强成正比Ug=1RLUcVDCdILVTU0++UcdIL≈Ip~E2023年9月2日461.4.3线阵SSPD结构感光阵列+多路开关+移位寄存器公共端相连(COM)各管性能相同多路开关多选一在时钟与脉冲的作用下依此输出2023年9月2日47移位输出_以4像素SSPD为例预充电:S=[1111]循环输出U0U2U1U31111φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVT2023年9月2日48U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ42023年9月2日49Φ1周期:S=[0111]VT1关闭,VD1放电其余截止无输出U2U1U3

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

φ5U2U3U4φ2φ42023年9月2日50Φ2周期:S=[1011]VT1通,VD1充电VD1输出至U0VT2关闭,VD2放电U2U1U31011φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU1U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ42023年9月2日51Φ3周期:S=[1101]VT2通,VD2充电VD2输出至U0VT3关闭,VD3放电以此类推......Φn+1周期输出VDn充电时间<<时钟周期U2U1U31101φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU2U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ42023年9月2日52电流放大输出+_ILU0RsRf2023年9月2日53SSPD特点光电线性：Q∝曝光量（E＊Ts)；暗电流：室温下1pA随温升加大，1倍／7℃随积分时间增大液氮致冷：积分时间可延至几小时，测微光信号动态范围：500:1输出饱和信号与暗电流之比代替象限探测器10－510H1010－3Qmax2023年9月2日541.5PSD光电位置传感器PositionSensitiveDetector

连续检测光点位置的光电元件2023年9月2日55一、PSD的工作原理基于内光电效应。具有PIN三层结构的平板半导体硅片图2－10PSD结构示意图2023年9月2日56光点位移与光电流的关系图2－10PSD结构示意图2023年9月2日57PSD的特点1）响应速度快，可靠性高。2）光点位置测量精度与光斑的形状

无关，只与光斑的能量中心有关，减小杂光日光的干扰；2023年9月2日58PSD的特点3）光敏面上无须分割，消除了死区，可连续测量光斑的位置，分辨率高，一维PSD可达0.02μm；4）可同时检测光点的位置和强度，PSD总输出电流反映光点的光强，两极电流之差反映光点的位置。2023年9月2日59PSD的特点5）PSD对光的波长具有选择性。如图2－11是S1543的光谱特性图，这种器件的响应范围在300～1100nm内，峰值波长在900nm左右的红外区。图2－11S1543PSD的光谱响应曲线2023年9月2日60二、PSD结构及其转换电路一维PSD图2－10PSD结构示意图2023年9月2日61一维PSD转换电路图2－13一维PSD转换电路图2023年9月2日62三、二维PSD结构及其转换电路图2－12二维PSD的结构二维PSD2023年9月2日63二维PSD转换电路图2－14二维PSD转换电路图2023年9月2日641.6光电传感器的应用2023年9月2日65一、烟尘浊度检测仪光源：400nm~700nm光检测器范围：400~600nm图2-10吸收式烟尘浊度检测仪框图2023年9月2日66二、光电转速传感器

图2-11光电转速测量略去2例2023年9月2日67光电脉冲转换电路

图2-12光电脉冲转换电路2023年9月2日68三、路灯自动控制

图2-13路灯自动控制器2023年9月2日69原理当天亮时，硅光电池受光照射后，它产生0.2～0.5Ｖ电动势，使BG1正偏压而截止，后面多级放大器不工作，BG4截止，继电器Ｊ不动作，路灯回路触头断开，路灯不亮；当天黑无光照时，光电池无光生电动势，使BG1的基极为低电位，B