光电式传感器3

3.5光电传感器雪崩式光电二极管APD半导体色敏传感器光电闸流晶体管热释电传感器达林顿光电三极管光电耦合器件光导摄像管CCD图像传感器13.5.7雪崩式光电二极管(APD)

雪崩式光电二极管具有高速响应和放大功能：使用时在PN结上施加近于击穿的反偏压,利用PN结处产生的雪崩效应而制成的电子倍增管。外来的光线通过薄的P+层,然后被P层吸收产生载流子。由于P层存在着105V/cm的电场,电荷载流子能从电场获取足够的能量,将位于价带上的电子冲击离子化产生雪崩效应,使光电流在管内得到倍增。23.5.8半导体色敏传感器

半导体色敏传感器可用来直接测量从可见光到红外波段内单色辐射的波长。它有两个深浅不同的PN结,形成反向连接的两个光电二极管PD1和PD2,故又称为双结光电二极管。3当外部光照射到色敏器件上时,P1层吸收光子产生电子—空穴对,电子扩散到P1N结,形成电流I1。在N层中吸收透过P1层的长波光,产生电子—空穴对,其中一半向P1层一侧扩散,另一半向P2层一侧扩散,分别形成电流I2和I3。到达P2层的红外光区域的光在这里被吸收,产生电子,扩散到P2N结,形成电流I4。光电二极管PD1和PD2的短路电流Isc1和Isc2为4

光电二极管的光谱特性与PN结的结深有关,在靠近表面的PN结的PD1对短波长的光比较灵敏,而远离表面的PN结的PD2对长波长比较灵敏。上面的一个PN结距离上表面约0.5μm,对580nm波长具有峰值灵敏度,距上表面深度为10μm的另一PN结,对900nm波长具有峰值灵敏度。5使用方法：将这两个光电二极管等效电路串联连接,先取出PD1的短路电流Isc1及PD2的短路电流Isc2,测出它们的电流比Isc2/Isc1，短路电流比与波长有一一对应的关系。因此,如果测出短路电流比,就可以求出对应的入射光的波长,即可分辨出不同的颜色。6具体的比较电路7实际应用的比较电路如图：Ic1和Ic2分别由各自的运算放大器放大,同时也进行对数压缩。将信号引入下一级的比较电路,就可得到Isc2/Isc1之比值。这样得出的输出电压U0与波长一一对应。可检测出从400~1000nm以上范围内的波长。输出电压与波长的关系3.5.9光电闸流晶体管

光电闸流晶体管是由入射光触发而导通的可控硅,简称光控晶闸管（光激可控硅）。在硅片上作成NPNP四个薄层,阳极置于基片上,最上面的N区为阴极,紧接着阴极的P层为控制极,在表面上作一层SiO2保护膜,再密封在有透光窗口的管壳中,最后接出引线。当P1接电源正极,N2接电源负极时,J1结和J3结处于正向,J2结处于反向。8

其等效电路类似于可控硅,四层结构可以看成P1N1P2和N2P2N1两个晶体管在内部连接在一起而构成,且每个晶体管的基极均与另一个晶体管的集电极相连。等效电路中的二极管D用来表示J2的PN结的反向漏电流。设两个三极管V1和V2的共基极(短路)电流放大系数(小于1)为α1、α2,则有如下的关系:9图3.63光电闸流晶体管结构以及原理电路和常用符号

(a)结构；(b)原理电路10

则光控晶闸管的导通电流IA为

因

IP的大小取决于光照射,IG可为零。当满足α1+α2=1,在光照射时IP增加,IA将急剧增大,晶闸管进入导通状态。113.5.10热释电传感器热释电传感器利用热释电效应来检测受光面的温度升高值,得知光的辐射强度,工作在红外波段内。这种传感器在常温下工作稳定可靠,使用简单,时间响应能到微秒数量级,已得到普遍使用。12

在垂直极化轴的方向上把具有热释电效应的晶体切成薄片,再研磨成厚度为5~50μm的极薄片,在两面蒸镀上电极,类似于电容器的构造。晶体本身能很好地吸收从红外波段到毫米波段的电磁波,必要时也用黑化以后的晶体或在透明电极表面涂上黑色膜。13图3.65热释电传感器结构示意图14图为温度和自发极化的关系。传感器工作在曲线ΔP大（热释电系数q=dP/dT大）的部分。为得到好的时间响应,希望热释电材料的介电常数ε和tanδ要小,比热CP和密度ρ越小越好。15

当热释电材料由于热释电传感器受到频率为f的调制光照射时,自发极化P也以频率f作周期性变化。如果f>1/τ（τ为中和平均时间）,就会输出频率为f的电信号。热释电传感器可以看作电流源,图中电流

传感器输出电压为：16电极面积17无线人体热释电红外传感器在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎3.5.11达林顿光电三极管达林顿光电三极管是光电三极管与普通三极管内部采用达林顿接线方式集成在一起的组件,达林顿管的增益很大,其电流放大系数近似为两个管子分离时电流放大系数的乘积。能更可靠地使输出为开关状态,也更容易驱动负载。183.5.12光电耦合器件光电耦合器件是一种光电结合的器件。从结构上看,就是将发光元件和受光元件完全封装起来,并将外部光线加以遮断的元件。常用硅光电三极管作受光部分,砷化镓发光二极管作发光部分。发光二极管（LED）是靠注入PN结的载流子自发跃迁产生的自发辐射发光的。发射的是相干光,波长在可见光或红外光区域。发光二极管的开启电压约为1～2V,发光亮度与流过管子的电流密度有关。19

光电耦合器件工作时,在输入端接入电信号,使发光器件发光,而受光器件管芯在此光辐射的作用下输出光电流。通过电-光、光-电两次转换,进行输入端和输出端之间的电的耦合。203.5.13光导摄像管光导摄像管出现于20世纪60年代,以后性能得到很大改善,广泛应用于电视摄像等方面。作为摄像装置,必须有三个功能:把图像的像素图转换为相应电荷图的功能，把电荷图暂存器起来的功能和把各个像素依次读出的功能。21图3.70光导摄像管的结构和等效电路22

图3.70(b)示出了原理性的等效电路。R与C并联电路代表光电导膜的像素小单元,并假定为射束的撞击面积。工作时,用电子束逐点扫描像素小单元,把各小单元均充至电源电压V,然后中断。在光的照射下,由于光电导效应,R会变小,C则会放电,电压降低。23

电压降低的多少与光强成比例,实现把图像的像素图转换为相应的电荷图,并把电荷图暂存起来。当用电子束再次逐点扫描时,如图3.70(b)所示形成闭合电路,(电子束)所放出的电荷量使C充电。充电电流大小与小单元电压降低的程度成正比。充电电流流过负载电阻RL,从而输出与强弱程度不同的光成正比的电压信号。根据这样的工作原理来扫描二维的光电膜表面,就可获得二维图像信号,完成各个像素信号的依次读出。电子束的偏转有电磁方式和静电方式两种。为使电子加速必须外加300~600V的电压。243.5.14CCD图像传感器电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,简称CCD)是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的,由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且集成度高、功耗低,因此随后得到飞速发展,是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件,广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。25CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成的阵列,其构造如图3.71所示。在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约1200）的二氧化硅,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极）,形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。26图3.71CCD芯片的构造27

图3.71中所示为64位CCD结构。每个光敏元（像素）对应有三个相邻的转移栅电极1、2、3,所有电极彼此间离得足够近,以保证使硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的1电极相连并施加时钟脉冲φ1,所有的2、3也是如此,并施加时钟脉冲φ2、φ3。这三个时钟脉冲在时序上相互交迭,如图3.72所示。28图3.72三个时钟脉冲的时序29MOS电容器和一般电容器不同的是,其下极板不是一般导体而是半导体。假定所用半导体是P型硅,其中多数载流子是空穴,少数载流子是电子。若在栅极上加正电压,衬底接地,则带正电的空穴被排斥离开Si-SiO2界面,带负电的电子被吸引到紧靠Si-SiO2界面。当电压高到一定值,形成对电子而言的所谓势阱,电子一旦进入就不能复出。电压愈高,产生的势阱愈深。可见MOS电容器具有存储电荷的功能。如果衬底是N型硅,则在电极上加负电压,可达到同样目的。30

光照射到光敏元上,会产生电子-空穴对（光生电荷）,电子被吸引存储在势阱中。入射光强则光生电荷多,弱则光生电荷少,无光照的光敏元则无光生电荷。这样就在转移栅实行转移前,把光的强弱变成与其成比例的电荷的数量,实现了光电转换。若停止光照,电荷在一定时间内也不会损失,可实现对光照的记忆。31

转移栅实行转移的工作原理是,t1时刻φ1是高电平,于是在电极1下形成势阱,并将少数载流子(电子)吸引至聚集在Si-SiO2界面处,而电极2、3却因为加的是低电平,形象地称为垒起阱壁。图3.71所示的情况是,第62、64位光敏元受光,而第1、2、63位等单元未受光照。32t2时刻,φ1的高电平有所下降,φ2变为高电平,而φ3仍是低电平。这样在电极2下面势阱最深,且和电极1下面势阱交迭,因此储存在电极1下面势阱中的电荷逐渐扩散漂移到电极2下的势阱区。由于电极3上的高电平无变化,所以仍高筑势垒,势阱里的电荷不能往电极3下扩散和漂移。33t3时刻,φ1变为低电平,φ2为高电平,这样电极1下面的势阱完全被撤除而成为阱壁,电荷转移到电极2下的势阱内。由于电极3下仍是阱壁,所以不能继续前进,这样便完成了电荷由电极1下转移到电极2下的一次转移,如图3.73