新型固态光电传感器-Read课件

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9/27/20231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9/27/20232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PSD9/27/20233本章内容提要光电效应8/6/202331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：外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应9/27/202341光电效应定义：8/6/202341.1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9/27/202351.1外光电效应产生外光电效应的条件：+_光电子光子光电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\镁化镉等举例:光电管\光电倍增管9/27/202361.1.1原理与结构光照物质电子获能逸出表面光电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：阳极阴极结构IURE测量电路9/27/202371.1.2真空光电管

1.组成：光电阴极＋阳极A＋透明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

9/27/20238真空光电管的特点8/6/202381.1.3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9/27/202391.1.3光电倍增管组成：光电阴极K＋阳极A＋倍增极＋外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9/27/202310光电倍增管的特点很高的放大倍数（可达106）；8/6/2021.2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。9/27/2023111.2内光电效应

——光敏器件进行光电转换的物理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用途:测光/光导开关材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅mAI9/27/2023121.2.1光电导效应—光敏电组光照半导体材料电子空穴对光敏电阻的特性9/27/202313光敏电阻的特性8/6/202313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！9/27/202314光谱特性硫化镉：可见光区域,λ=0.4~0.76μm8/6/1.2.2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。9/27/2023151.2.2光电导效应—光敏晶体管结构8/6/202315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9/27/202316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9/27/202317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。9/27/202318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IeIeboIcboIc9/27/202319光敏三极管电路集电结反向偏置图2-8NPN光敏三极管电路I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IeIeboIcbo9/27/202320原理无光照时图2-8NPN光敏三极管电路IeIeboIcb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9/27/202321应用—“电眼睛”光电编码器8/6/202321光电晶体管特性—光谱、伏安特性9/27/202322光电晶体管特性—光谱、伏安特性8/6/202322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。9/27/202323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1.2.3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9/27/2023241.2.3光生伏特效应—光电池物理基础—光生伏特效应8/6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9/27/202325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：0.5~1μm9/27/202326光谱特性—光谱特性硒光电池光谱响应范围：0.3~0.7μm8光谱特性—光电、温度特性短路工作状态温度补偿！9/27/202327光谱特性—光电、温度特性短路工作状态温度补偿！8/6/2021.3普通光敏器件阵列象限探测器光敏器件阵列9/27/2023281.3普通光敏器件阵列象限探测器8/6/2023281.3.1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。9/27/2023291.3.1象限探测器作用8/6/202329划分形式：9/27/202330划分形式：8/6/202330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。3241U4U3U2U1XY9/27/202331原理3241U4U3U2U1XY8/6/202331和差坐标换算Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y9/27/202332和差坐标换算Y方向：3241U4U3U2U1Y8/6/202和差测量电路9/27/202333和差测量电路8/6/202333直差坐标换算—器件旋转45°Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y9/27/202334直差坐标换算—器件旋转45°Y方向：3241U4U3U2U1直差测量电路9/27/202335直差测量电路8/6/202335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。9/27/202336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；8/61.3.2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。9/27/2023371.3.2光敏二极管阵列一种低集成度的集成传感器8/6/多路开关输出9/27/202338多路开关输出8/6/2023381.4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9/27/2023391.4自扫描光电二极管阵列SSPD普通光电二级管阵列＋数1.4.1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9/27/2023401.4.1像元结构N型硅表面扩散P型硅材料，形成P-N结等效电路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9/27/202341等效电路VD：理想光敏二极管Ug栅极控制电压RLUcVDCd1.4.2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RLUcVDCdILVTU09/27/2023421.4.2工作过程预充电放电(积分)充电(信号输出)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++9/27/202343预充电Ug=1,VT开Ug=1RLUcVDCdILVTU0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9/27/202344放电(积分)Ug=0,VT关断Ug=0RLUcVDCdIL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~E9/27/202345循环充电(信号输出)Ug=1，VT开Ug=1RLUcVDC1.4.3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9/27/2023461.4.3线阵SSPD结构8/6/202346移位输出_以4像素SSPD为例预充电:S=[1111]循环输出U0U2U1U31111φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVT9/27/202347移位输出_以4像素SSPD为例预充电:S=[1111U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ49/27/202348U1φ1φ3φ5U2S1=011Φ1周期:S=[0111]VT1关闭,VD1放电其余截止无输出U2U1U3

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

φ5U2U3U4φ2φ49/27/202349Φ1周期:S=[0111]U2U1U30Φ2周期:S=[1011]VT1通,VD1充电VD1输出至U0VT2关闭,VD2放电U2U1U31011φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU1U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ49/27/202350Φ2周期:S=[1011]U2U1U31Φ3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=1110U3U4φ2φ49/27/202351Φ3周期:S=[1101]U2U1U31电流放大输出+_ILU0RsRf9/27/202352电流放大输出+ILU0RsRf8/6/202352SSPD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10－510H1010－3Qmax9/27/202353SSPD特点光电线性：Q∝曝光量（E＊Ts)；10－51.5PSD光电位置传感器PositionSensitiveDetector连续检测光点位置的光电元件9/27/2023541.5PSD光电位置传感器Positio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9/27/202355一、PSD的工作原理基于内光电效应。图2－10PSD结构光点位移与光电流的关系图2－10PSD结构示意图9/27/202356光点位移与光电流的关系图2－10PSD结构示意图8/6/PSD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；9/27/202357PSD的特点1）响应速度快，可靠性高。8/6/202357PSD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。9/27/202358PSD的特点3）光敏面上无须分割，消除了死区，可连续测量光斑PSD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9/27/202359PSD的特点5）PSD对光的波长具有选择性。如图2－11是S二、PSD结构及其转换电路一维PSD图2－10PSD结构示意图9/27/202360二、PSD结构及其转换电路一维PSD图2－108/6/20一维PSD转换电路图2－13一维PSD转换电路图9/27/202361一维PSD转换电路图2－13一维PSD转换电路图8/6/三、二维PSD结构及其转换电路图2－12二维PSD的结构二维PSD9/27/202362三、二维PSD结构及其转换电路图2－12二维PSD8/6二维PSD转换电路图2－14二维PSD转换电路图9/27/202363二维PSD转换电路图2－14二维PSD转换电路图8/6/1.6光电传感器的应用9/27/2023641.6光电传感器的应用8/6/202364一、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9/27/202365一、烟尘浊度检测仪光源：400nm~700nm图2-10二、光电转速传感器

图2-11光电转速测量略去2例9/27/202366二、光电转速传感器图2-11光电转速测量略去2例8/6/光电脉冲转换电路

图2-12光电脉冲转换电路9/27/202367光电脉冲转换电路图2-12光电脉冲转换电路8/6/20三、路灯自动控制

图2-13路灯自动控制器9/27/202368三、路灯自动控制图2-13路灯自动控制器8/6/20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，BG1导通，经BG2、BG3、BG4构成多级直流放大，