《测试技术与传感器》课件第11章.ppt

1.光电二极管的工作原理对于用半导体硅制造的光电二极管，当受光照射时，若入射光子的能量hυ大于硅的禁带宽度Eg，则光子就激发价带中的电子跃迁到导带，而产生一个电子-空穴对。这些由光子激发而产生的电子-空穴对统称为光生载流子。光电二极管的基本部分是一个PN结。产生的光生载流子只要能扩散到势垒区的边界，其中少数载流子(P区中的电子或N区中的空穴)就受势垒区强电场的吸引而被拉向背面区域，这部分少数载流子将对电流做出贡献。多数载流子(N区中的电子或P区中的空穴)则受势垒区电场的排斥而留在势垒的边缘。在势垒区内产生的光生电子和光生空穴则分别被电场扫向N区和P区，它们对电流也有贡献。用能带图来表示上述过程如图11-9(a)所示。图中Ec表示导带底能量；Ev表示价带顶能量。“。”表示带正电荷的空穴；“·”表示电子。IL表示光电流，它由势垒区两边能运动到势垒边缘的少数载流子和势垒区中产生的电子-空穴对构成，其方向是由N区流向P区，即与无光照时PN结的反向饱和电流方向相同。图11-9光照下的PN结当PN结开路或接有负载时，势垒区电场收集的光生载流子便要在势垒区两边积累，从而使P区电位升高，N区电位降低，造成一个光生电动势，如图11-9(b)所示。该电动势使原PN结的势垒高度下降为q(UD-U)。其中，U即光生电动势。它相当于在PN结上加了正向偏压，只不过这是光照形成的，而不是用电源馈送的。这个电压称为光生电压，这种效应就是光生伏特效应。我们知道，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了导带。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11-10所示。图中实线和虚线分别表示不同开尔文温度下的响应曲线。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，波长短的光子衰减较快，穿透深度较浅，而波长长的光子则能进入硅的较深区域。图11-10硅的本征吸收系数随入射光波长变化的曲线图11-11量子效率随波长变化的曲线对于光电器件而言，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11-11所示。图中，xj即表示结深。浅的PN结有较好的蓝紫光灵敏度，深的PN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。2.半导体色敏传感器的工作原理图11-8中所示的P+NP是结深不同的两个PN结二极管。浅结的二极管是P+N结;深结的二极管是NP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。如上所述，紫外光部分吸收系数大，经很短距离已基本吸收完毕。因此，浅结的那只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，因此深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度高。这就是说，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，即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，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，即测定在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。因而两者的比值与入射单色光波长的关系就可以确定。图11-12示出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。图11-12硅色敏管中VD1和VD2的光谱响应曲线11.3.2半导体色敏传感器的基本特性1.光谱特性光谱特性表示半导体色敏器件所能检测的波长范围。图11-13(a)给出了国产CS-1型半导体色敏器件的光谱特性，其波长范围是400～1000nm。2.短路电流比-波长特性短路电流比-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。上述CS-1型半导体色敏器件的短路电流比-波长特性曲线示于图11-13(b)中。图11-13半导体色敏器件特性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的短路电流之比，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，因此通常可不考虑温度的影响。11.3.3半导体色敏传感器的应用图11-14所示为检测光波长(即颜色)的应用电路，它由色敏半导体传感器、两路对数放大器电路及运算放大