第10章半导体传感器预案.ppt

10.3 色敏传感器 10.3.1 半导体色敏传感器的基本原理 1.光电二极管的工作原理 ◆光在半导体中传播时的衰减是由于价带电子吸收光子而从价带跃迁到导带的结果，这种吸收光子的过程称为本征吸收。硅的本征吸收系数随入射光波长变化的曲线如图所示。由图可见，在红外部分吸收系数小，紫外部分吸收系数大。这就表明，波长短的光子衰减快，穿透深度较浅，而波长长的光子则能进入硅的较深区域。 图 吸收系数随波长的变化 10.3 色敏传感器 ◆对于光电器件而言，还常用量子效率来表征光生电子流与入射光子流的比值大小。其物理意义是指单位时间内每入射一个光子所引起的流动电子数。根据理论计算可以得到，P区在不同结深时量子效率随波长变化的曲线如图所示。图中xj即表示结深。浅的P-N结有较好的蓝紫光灵敏度，深的P-N结则有利于红外灵敏度的提高，半导体色敏器件正是利用了这一特性。 图 量子效应随波长的变化 10.3 色敏传感器 2．半导体色敏传感器工作原理 半导体色敏传感器的P -N-P不是晶体管，而是结深不同的两个P -N结二极管，浅结的二极管是P -N结；深结的二极管是P-N结。当有入射光照射时，P 、N、P三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收，但效果不同：紫外光部分吸收系数大，经过很短距离已基本吸收完毕；浅结的即是光电二极管对紫外光的灵敏度高，而红外部分吸收系数较小，这类波长的光子则主要在深结区被吸收。因此，深结的光电二极管对红外光的灵敏度较高。 图 半导体色敏传感器结构和等效电路图 10.3 色敏传感器 ◆在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。这一特性给我们提供了将这种器件用于颜色识别的可能性，也就是可以用来测量入射光的波长。将两只结深不同的光电二极管组合，图硅色敏管中VD1和VD2的光谱响应曲线就构成了可以测定波长的半导体色敏传感器。在具体应用时，应先对该色敏器件进行标定。 图 硅色敏管中VD1 和VD2的光谱响应曲线 10.3 色敏传感器 ◆也就是说，测定不同波长的光照射下，该器件中两只光电二极管短路电流的比值ISD2/ISD1，ISD1是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大。ISD2是深结二极管的短路电流，它在长波区较大，因而二者的比值与入射单色光波长的关系就可以确定。根据标定的曲线，实测出某一单色光时的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。上图表示了不同结深二极管的光谱响应曲线。图中VD1代表浅结二极管，VD2代表深结二极管。 10.3 色敏传感器 10.3.2 半导体色敏传感器的基本特征 1．光谱特性 表示半导体色敏器件所能检测的波长范围，不同型号之间 略有差别。 2．短路电流比—波长特性 表征半导体色敏器件对波长的识别能力，是赖以确定被测 波长的基本特性。 10.3 色敏传感器 图10-14 国产CS—１型半导体色敏器件特性 10.3 色敏传感器 3.温度特性 ◆由于半导体色敏器件测定的是两只光电二极管短路电流之比，而这两只光电二极管是做在同一块材料上的，具有相同的温度系数，这种内部补偿作用使半导体色敏器件的短路电流比对温度不十分敏感，所以通常可不考虑温度的影响。 10.3.3 彩色信号处理电路 如图所示为检测光波长（即颜色）处理电路。它由色敏半导体传感器、两路对数放大器A1A2电路及运算放大器A3构成。 图 色彩信号处理电路 10.3 色敏传感器 要识别色彩，必须获得两只光电二极管的短路电流比。故采用对数放大器电路，在电流较小的时候，二极管两端加上的电压和流过电流之间存在近似对数关系，即A1、A2输出分别跟lnISD1、lnISD2成比例， A3取出它们的差。输出为 其正比于短路电流比ISD2/ISD1的对数。其中C为比例常数。将电路输出电压经A/D变换、 处理后即可判断出与电平相对应的波长（即颜色）。 10.3 色敏传感器 10.4 半导体式传感器的应用 10.4.3 CO探测报警器 ◆冬季用煤炭取暖燃烧不充分，室内会存在大量一氧化碳，能引起煤气中毒。本CO探测报警器可用于对室内CO含量进行检测报警。本探测器可使用专用一氧化碳传感器UL281或MQ-Y1型半导体气敏传感器。探测报警电路由加热电路、电压输出电路、报警电路，气敏元件损坏指示电路和电源指示电路组成，如图10-17所示。 10.4 半导体式传感器的应用 图10-17 CO探测报警器 10.4 半导体式传感器的应用 ◆UL281工作时需对其加热丝进行加热，其加热电源要求稳定，故采用稳压电路对其供电。稳压电路由IC1，VT1和R1～R4组成。IC1正输入端上