微電子傳感器與微執(zhí)行器3-1

1、1,第三章 光敏傳感器 第一節(jié) 光敏器件概述 第二節(jié) 光電導(dǎo)效應(yīng)及光伏效 第三節(jié) 光敏器件的結(jié)構(gòu)及工作原理 第四節(jié) 不同結(jié)構(gòu)的光敏二極管 第五節(jié) 電荷耦合成像器件CCD,2,本章內(nèi)容： 首先介紹半導(dǎo)體光敏器件的物理基礎(chǔ)：光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。然后介紹各種光敏傳感器結(jié)構(gòu)和基本工作原理。,3,第一節(jié) 光敏器件概述 11 光敏傳感器定義及類型 定義：光敏傳感器是能夠把入射光轉(zhuǎn)換成對應(yīng)電信號的電子器件。 光敏傳感器類型：光電導(dǎo)器件、光敏二極管（包括PN結(jié)、PIN、肖特基勢壘、異質(zhì)結(jié)、雪崩光敏二極管等）、光敏晶體管（含異質(zhì)結(jié)光敏晶體管）、光電耦合、集成光敏器件、特種光敏器件、電荷耦合器件及其陣列等等。

2、還有一個大類就是太陽電池。 基本原理：光敏傳感器的基本工作原理主要是基于半導(dǎo)體內(nèi)的光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。,4,1.1.1 光敏器件的發(fā)展歷程 如果以1919年T.W.Case取得硫化鉈TlS(Ta,Tuo)光電導(dǎo)探測器專利算起，半導(dǎo)體光敏器件出現(xiàn)至今已有90多年。但有較大發(fā)展是從60、70年代開始，隨著半導(dǎo)體技術(shù)以及新材料、新器件、新工藝的發(fā)展，光敏器件也進入一個新的發(fā)展階段。 1.出現(xiàn)了數(shù)十種可以用于制作光敏器件的半導(dǎo)體材料，它們的結(jié)構(gòu)有單晶、多晶薄膜、非晶；有元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。如對紫外光敏感的CdS,ZnO,ZnS,CdSe（硒化鎘）等，對可見光敏感的Se,TiS（硫化鈦）,Bi

3、S（硫化鉍bi）,CdS以及Si,Ge等。對紅外光敏感的PbS,PbTe(碲化鉛),InSb（銻化銦）等。其中，硅是研究得最深入最透徹的一種材料，原料豐富、工藝成熟、適合于制作多種光敏器件。,5,2.結(jié)合半導(dǎo)體光電效應(yīng)和器件原理的研究，廣泛地試驗和發(fā)展了各種類型的光敏器件?？晒嵱玫墓饷羝骷陀泄怆妼?dǎo)器件、光敏二極管、光敏晶體管、雪崩光敏二極管、場效應(yīng)光敏管、光電耦合器件、電荷耦合光敏器件、組合型陣列型光敏器件等。 3.薄膜工藝的研究發(fā)展以及平面工藝、集成電路技術(shù)的發(fā)展，也使光敏器件向功能模塊化、集成化發(fā)展提供了技術(shù)保證。CCD固體攝像技術(shù)、數(shù)碼相機、高精度紅外遙感、輻射測量、光纖通信等技術(shù)的

4、發(fā)展也反過來促進光敏器件繼續(xù)不斷發(fā)展。,6,1.1.2 半導(dǎo)體的光電效應(yīng) 半導(dǎo)體吸收光子后會產(chǎn)生各種宏觀可測的物理效應(yīng)。例如：晶格振動在吸收光子后會使半導(dǎo)體的溫度升高，產(chǎn)生光熱效應(yīng)。半導(dǎo)體光電效應(yīng)則是半導(dǎo)體中束縛電子在吸收光子后所產(chǎn)生的電學效應(yīng)，是各類光敏器件的基礎(chǔ)。 半導(dǎo)體光電效應(yīng)可以分成內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)兩大類。 一、半導(dǎo)體內(nèi)的電子在吸收光子后，如果能克服表面勢壘逸出半導(dǎo)體表面，就會產(chǎn)生外光電效應(yīng)或稱為光電子發(fā)射效應(yīng)。利用這一效應(yīng)可以制作半導(dǎo)體陰極真空光電器件，如高質(zhì)量光電倍增管的陰極就是用半導(dǎo)體砷化鎵制成。,7,二、如果半導(dǎo)體內(nèi)的電子吸收光子后不能躍出半導(dǎo)體，則所產(chǎn)生的電學效應(yīng)稱為內(nèi)

5、光電子效應(yīng)。它是光敏傳感器的物理基礎(chǔ)。 基本機理：半導(dǎo)體價（jie）帶中束縛的電子在吸收光子后，若能夠躍遷到導(dǎo)帶，則會產(chǎn)生電子空穴對；若只能躍遷到雜質(zhì)或缺陷的束縛能級，則會產(chǎn)生空穴。而雜質(zhì)、缺陷能級上的束縛電子在吸收光子后也可以躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子。所有這些由光輻射激發(fā)的載流子可統(tǒng)稱為光生載流子。入射光在半導(dǎo)體內(nèi)激發(fā)了載流子后，就會出現(xiàn)一些光電效應(yīng),它們對材料電特性的影響如下：,8,1。光生載流子將使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增大，這就是光電導(dǎo)效應(yīng)。利用該效應(yīng)可制造光電導(dǎo)器件。 2。若半導(dǎo)體樣品沿光照方向足夠厚，則光生載流子將沿此方向出現(xiàn)濃度梯度，在光照方向會出現(xiàn)電位差，使樣品內(nèi)出現(xiàn)一個電動勢，該效應(yīng)

6、為丹倍效應(yīng)。 3。如果在上面的樣品兩側(cè)加上磁場，則光生電子和光生空穴在沿光照方向擴散時，會受到洛倫茲力作用，向兩個相反方向偏轉(zhuǎn)。從而在樣品的另外兩側(cè)產(chǎn)生電動勢。即產(chǎn)生光電磁效應(yīng)。該效應(yīng)可以制作光電磁（PEM）探測器。,9,4。*在PN結(jié)、肖特基結(jié)等具有內(nèi)建電場的半導(dǎo)體樣品中，光生載流子將受到內(nèi)建電場的作用，作反方向運動，產(chǎn)生光生電動勢。這就是光伏效應(yīng)。利用該效應(yīng)可以制作多種光敏器件。這是本章重點內(nèi)容之一。 5。自由載流子吸收相應(yīng)于帶內(nèi)躍遷，不產(chǎn)生光生載流子，一般也不引起電學效應(yīng)。但如果入射的光子密度足夠強，使自由載流子在吸收了光子后明顯地改變了按照動量的分布，產(chǎn)生了沿光子流方向的平均速度，則也

7、會產(chǎn)生沿光照方向的電動勢，出現(xiàn)光壓效應(yīng)和光子牽引效應(yīng)。光子牽引效應(yīng)產(chǎn)生于自由載流子受光子推動所產(chǎn)生的運動，是入射光子與自由載流子間動量交換的結(jié)果?？赏糜诩t外激光系統(tǒng)中作探測器。,10,12 半導(dǎo)體的光學性質(zhì) （一）光敏器件所探測的光譜范圍：從紅外光、可見光到紫外光。僅僅占電磁輻射頻譜的極小范圍，光的波長從幾十nm到106nm范圍。 圖 電磁波的頻譜及光敏傳感器的響應(yīng)范圍,11,本征吸收過程：價帶電子吸收了能量大于或等于禁帶寬度的光子后，直接躍至導(dǎo)帶，產(chǎn)生自由電子并在價帶留下自由空穴。因此，本征吸收時每吸收一個光子就產(chǎn)生一個電子空穴對。 由于每個光子的具有的能量為 E=hv，本征吸收過程中被吸

8、收的光子要滿足如下條件： h為普朗克常數(shù)6.631034 J/s，v為頻率，Eg為介質(zhì)材料的禁帶寬度。 本征吸收譜是連續(xù)譜，因為導(dǎo)帶是由一系列能量間隔很小的能級組成，并且本征吸收有低頻限：,12,或者本征吸收長波限( )： （37） 頻率低于v0或波長長于0的入射光，不能參與本征吸收。 硅材料 Eg(Si)=1.12eV,長波限01.1m；砷化鎵材料的禁帶寬度 Eg(GaAs)=1.43eV,長波限 0 0.867m。 對硅材料，波長限在近紅外范圍，長于1.1微米的光不能參與本征吸收；對砷化鎵材料，長波吸收限在紅外到近紅外附近區(qū)域。,13,衡量半導(dǎo)體光傳感器的性能參數(shù) 光敏器件能對入射光信息作

9、出電響應(yīng)，輸出光電流或光電壓。衡量光敏器件輸入輸出性能的參數(shù)有響應(yīng)度、線性度、量子效率、響應(yīng)時間、噪聲等效功率、探測度等，現(xiàn)簡單介紹如下： 1。響應(yīng)度R響應(yīng)度R定義為均方根光電流IL或均方根光電壓VL與入射光的均方根功率P之比， 其意義是投射于光敏器件上的單位輻射功率所產(chǎn)生的光電流或光電壓。 2。線性度線性度表征入射光功率P()與響應(yīng)量（IL或VL）在線性區(qū)內(nèi)與實際響應(yīng)曲線接近擬合直線的程度。許多器件都有線性度要求。,14,3。量子效率定義為流出器件的光生電子流與入射光子流之比。其意義是單位時間內(nèi)每入射一個光子所引起的流動電子數(shù)。 4。響應(yīng)速度 tr定義為輸出信號從峰值的10上升到90所需的時

10、間。 其他光傳感器的性能參數(shù)還有噪聲等效功率和探測度。,15,圖33 光敏器件線性區(qū)示意圖,16,圖34 光敏二極管和光敏三極管的脈沖響應(yīng)時間,17,實際的半導(dǎo)體不是本征半導(dǎo)體，對N型和P型材料，其附加電導(dǎo)率實際上可以用上式中的第一項或第二項表示。電導(dǎo)率的相對變化率為：,第二節(jié) 光電導(dǎo)效應(yīng)及光伏效應(yīng) 半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng) 定義：半導(dǎo)體吸收入射光子的能量通過本征激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對，使載流子濃度增加引起電導(dǎo)率增大的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。,18,2.2 半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng) 定義：半導(dǎo)體材料吸收光能后，在P-N結(jié) 上產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱光生伏特效應(yīng)。 照射的光子能量大于禁帶寬度Eg時，PN結(jié)兩側(cè)會產(chǎn)

11、生光生電子空穴對，勢壘區(qū)兩邊的光生載流子總有一部分能在復(fù)合前擴散到勢壘邊界，其中少子受勢壘區(qū)電場吸引被掃向?qū)γ鎱^(qū)域，多子受勢壘區(qū)電場排斥而留在本區(qū)。勢壘區(qū)內(nèi)的光生載流子一經(jīng)產(chǎn)生就受電場作用分別被掃向N區(qū)和P區(qū)，因此該區(qū)域的光生載流子對光生伏特效應(yīng)有重要貢獻。,19,第三節(jié) 光敏器件的結(jié)構(gòu)及工作原理 31光敏二極管 光敏二極管是一種光伏器件。其基本工作 原理是受光照時，在光敏二極管的PN結(jié)會產(chǎn)生 一個光生電動勢。 光敏二極管有PN結(jié)型，PIN型，雪崩型等多 種類型。 光敏二極管有兩種工作模式，工作時不加 電壓的為光伏模式，如光伏二極管或光伏式探 測器；工作時加反向偏壓的稱為光電導(dǎo)模式， 如光導(dǎo)式

12、二極管。,20,一。光敏二極管的基本結(jié)構(gòu)： PN結(jié)光敏二極管與普通二極管一樣，都是有兩根引腳的非線性單向?qū)щ娖骷?。但光敏管外殼上有一個光照窗口，上面還有玻璃透鏡。此外，光敏管的管芯面積較大，電極面積較小，以增加受光面積；光敏管的PN結(jié)結(jié)深也較淺（一般小于100nm），以提高光電轉(zhuǎn)換效率。為了減少暗電流和防止光的反射，器件表面往往采用減反射層結(jié)構(gòu)。,21,22,二、光照下PN結(jié)的伏安特性曲線 光敏二極管無光照時加上反偏，PN結(jié)上會有稱為暗 電流ID的反向電流流過。暗電流一般在50V時應(yīng)小于 0.1A。 光照下，由于光激發(fā)產(chǎn)生光生電子空穴對，形成光 生電流IL，對于不同的光強度，激發(fā)的光生電流不同

13、， 理想伏安特性可以如式（318）所示： 式中V為外電壓和光電壓共同作用時的實際電壓，式中 光電流IL正比于入射輻射功率。當無光照時，加反偏電 壓PN結(jié)流過的反向電流稱為暗電流ID,暗電流應(yīng)越小越 好。光照時，由于光伏效應(yīng)產(chǎn)生的光生電流IL與光照的 強度成正比。一般希望在同樣的光強下IL越大越好。,23,I V ID VOC IL1 IL2 IL3 ISC3 IL4ISC4,IL,I j,24,工藝結(jié)構(gòu)簡述： 光敏二極管通常采用半導(dǎo)體N型Si材料，硅的禁帶寬度為1.12EV。當入射光波長在0.8-0.9微米時，其量子效率達80。在輕摻雜N型硅襯底上用擴散或離子注入制作一層很薄的重摻雜P+層，形

14、成PN結(jié)。在P+結(jié)上直接制作電極。為減少接觸電阻，襯底背面擴散一薄N+層，通過在N+層上作為下電極的引出。,25,3.2 PN結(jié)光敏二極管的量子效率 要設(shè)計一個良好的PN結(jié)光敏二極管，必須了解與器特性相關(guān)的機理、設(shè)計方法以及工藝結(jié)構(gòu)。 對于PN結(jié)光敏二極管，入射光除了一部分被表面反射外，其余進入二極管的光子有可能激發(fā)出電子空穴對，形成光生電流。被PN結(jié)收集的光生載流子來自P區(qū)、N區(qū)和勢壘區(qū)。因此回路中的光生電流密度可以寫成三部分之和： JL = J1 + J2 + J3 J1、J2、J3分別代表P區(qū)、N區(qū)和勢壘區(qū)貢獻的光電流密度。,26,根據(jù)前面的討論，光敏二極管的內(nèi)量子效率 可以寫成： 1、

15、2、3分別是P區(qū)、N區(qū)和勢壘區(qū)的內(nèi)量子效率，是反射比，F(xiàn)是入射在器件表面的光子流密度。 顯然，光敏二極管的內(nèi)量子效率是 P區(qū)、N區(qū)和勢壘區(qū)的內(nèi)量子效率之和。下面分別就不同條件下P區(qū)、N區(qū)和勢壘區(qū)的量子效率隨波長變化的關(guān)系曲線加以討論：,27,（一）P區(qū)的內(nèi)量子效率 考慮了P區(qū)內(nèi)部的本征吸收、SiSiO2界面處的表面復(fù)合速度以及P區(qū)平均漂移電場的綜合影響。 （1）P區(qū)表面復(fù)合速度S/Dn(硅與二氧化硅界面處復(fù)合速度S/電子擴散系數(shù)Dn)和電子擴散長度Ln不變時，淺的PN結(jié)有較好的藍紫光靈敏度。深結(jié)則有利于紅外靈敏度的提高。,28,（2）結(jié)深和電子擴散長度不變時，表面復(fù)合速度小則藍紫光靈敏度好。反

16、之，隨著表面復(fù)合速度加大，藍紫光靈敏度迅速下降。 （3）在一定結(jié)深和表面復(fù)合速度下，短的電子擴散長度會使藍紫光靈敏度大大下降。 此外可知，P區(qū)是決定光敏二極管籃紫光性能的主要區(qū)域，要提高藍紫光靈敏度，必須同時做到淺結(jié)、減少表面復(fù)合和增加擴散長度。,29,（二）N區(qū)的內(nèi)量子效率 近紅外光的基本吸收區(qū)在十到幾十微米的區(qū) 域之間，因此N區(qū)是決定近紅外量子效率的主要 區(qū)域。 （1）N區(qū)寬度Xb較大時，N區(qū)收集光生空穴的 最大范圍由擴散長度Lp決定。Lp大，紅外量子 效率高；Lp減小，紅外量子效率低。 （2）LpXb時，紅外量子效率的大小主要由 Xb的大小決定。,30,（三）勢壘區(qū)的內(nèi)量子效率 一般光敏

17、二極管的襯底材料電阻率在數(shù)歐姆厘米以上，勢壘區(qū)寬度至少寬1微米，常能與P區(qū)的寬度相比擬。反偏時勢壘區(qū)寬度更寬，因此該區(qū)的光生電流不可忽略。 反偏時，勢壘區(qū)的凈熱復(fù)合可以忽略，光生電子空穴對一經(jīng)產(chǎn)生立即被結(jié)電場分開，分別漂向N區(qū)和P區(qū)，因而這里量子效率最高。 由于勢壘區(qū)量子效率最高，人們便設(shè)法擴大該區(qū)，在P區(qū)和N區(qū)之間加入I區(qū)，制成PIN光敏管。PIN管的勢壘區(qū)很寬，紅光及近紅外光的基本吸收均落在該區(qū)。因此PIN光敏管有很好的紅光及近紅外光量子效率。,31,3.3 光敏二極管的設(shè)計考慮 主要討論如何控制光敏二極管的光譜特性，縮短 響應(yīng)時間，降低噪聲等。其中許多設(shè)計方法對光敏晶 體管等器件有同樣的

18、效果。 一、 光譜特性 半導(dǎo)體材料的性質(zhì)對光敏二極管有決定性影響。 圖312給出鍺Ge、硅Si、硒Se三種材料制成的結(jié) 型光敏器件的光譜響應(yīng)范圍。由圖可見硒的主要光譜 響應(yīng)范圍約在0.40.7；硅在0.61.0；鍺在0.81.8。 此外砷化銦光伏探測器可用于紅外探測器，室溫下其 探測波長介于13.8 m之間。銻化銦光伏器件在液 氮下可在2 5.8 m 波長內(nèi)使用。,32,圖312鍺、硅、硒結(jié)型光敏器件的光譜響應(yīng),33,二、提高光譜響應(yīng)的器件設(shè)計方法和工藝措施 為提高硅光敏器件的光譜響應(yīng),需要針對不同的入射光波長從結(jié)構(gòu)、工藝、材料等多方面采取措施，常用的方法有： （1）硅光敏二極管藍紫性能的提高

19、 必須從淺結(jié)、加大發(fā)射區(qū)（光敏二極管的P區(qū)）電子擴散長度Ln和減小表面復(fù)合速度S/Dn三方面著手。,（2）光敏管近紅外特性的考慮 N區(qū)是決定近紅外靈敏度的主要區(qū)域，為得到較好的紅外靈敏度，選用高阻單晶做襯底材料，既能擴大量子效率最高的勢壘區(qū)，又能使基區(qū)少子擴散長度較長。 工藝上盡量減少引起復(fù)合中心和陷阱作用的雜質(zhì)沾污，實行高溫氮退火，可提高紅外靈敏度。,34,（3）二氧化硅膜的考慮 根據(jù)薄膜光學，P區(qū)表面上的SiO2膜能起到抗反射和增透作用。 （i）單層膜的反射系數(shù) 在硅襯底上長一層SiO2即形成了單層反射膜。單層膜有兩個界面，一個是入射光所在介質(zhì)（一般為空氣）與膜構(gòu)成的界面，另一個是膜與基底

20、組成的界面。當光入射到薄膜上時，光在兩個界面上將出現(xiàn)如圖313所示的依次反射和透射，產(chǎn)生多光束的干涉并決定了薄膜的透射特性。其中n0、n1、n2分別是三種介質(zhì)的折射率，h是膜厚。 得到單層增透膜的條件是：增透膜的折射率必須比基底?。ǚ粗褪窃龇瓷淠ぃ?。根據(jù)理論計算，只有當n0n2=n12時，在n1h為四分之一波長奇數(shù)倍的位置時，才具有最好的增透效果（反射比為零）?；蛘哒f，所謂增透只是對薄膜光學厚度滿足四分之一波長奇數(shù)倍的那些光而言。,35,r1和t1分別為第一個界面的反射振幅比和折射振幅比。 圖313 光在單層膜上的反射和透射,Si,SiO2,空氣,36,n0（空氣）=1，n1（SiO2）1.

21、5，n2（Si）3.4。若為了提高入射光波長等于4000埃（紫光）時光敏管的靈敏度，最理想的氧化層厚度應(yīng)滿足四分之波長的奇數(shù)倍，即 n1h=奇數(shù)1000埃。 由此得到氧化層的厚度應(yīng)該為： h=奇數(shù)1000/1.5奇數(shù)667埃 即約700埃，2000埃，3300埃等。 由于增透膜只對薄膜光學厚度滿足四分之一波長奇數(shù)倍的那些光而言，對于其他波長的光，增透效果較差。因此為了得到更多波長入射光的增透作用，可以采用多層膜結(jié)構(gòu)。,37,三、減小暗電流Id和降低噪聲的措施 光敏二極管的暗電流來自P區(qū)、N區(qū)、勢 壘區(qū)和Si-SiO2界面。 設(shè)P區(qū)、N區(qū)對暗電流的貢獻表示為： (329) Aj是結(jié)面積，Dp和p

22、分別為少子擴散系數(shù)和少子 壽命。降低平衡少子濃度Np0 和 Pn0，提高少子壽 命均能使暗電流下降。 反偏時，PN結(jié)勢壘區(qū)（體內(nèi)和表面）對暗 電流的貢獻很大 (330),38,減小IDJ必須減小Xm與增長少子壽命，例 如選用低阻襯底材料，加較小的反向偏壓，避 免金屬雜質(zhì)沾污，實行高溫氮氣退火等，都可 以減低IDJ。 與普通二極管一樣，光敏二極管中的噪聲 主要是f-1噪聲、散粒噪聲和熱噪聲。光敏管串 聯(lián)電阻很小，熱噪聲可以忽略，f-1噪聲只在低 頻下起重要作用，所以主要考慮如何降低與暗 電流有關(guān)的散粒噪聲。因此降低暗電流也就同 時可以降低噪聲的影響。,39,3.4 設(shè)計原則小結(jié) 根據(jù)前面的分析，

23、可以知道要獲得較好的光敏二極管特性，可以采取如下的措施： 1。襯底材料的選擇：高阻和外延硅片均可以作為襯底材料。 *高阻硅單晶（100歐姆厘米）紅外靈敏的光敏二極管；串聯(lián)電阻和漏電流較大，由于整個基區(qū)都是高阻區(qū)，紅外光的響應(yīng)時間長。 *低阻外延層硅襯底（10歐姆厘米、10微米厚外延層）暗電流小，開路電壓高，串聯(lián)電阻小，結(jié)電容增加不多，適合作高速光敏管。但紅外靈敏度下降，成本較高。,40,2。結(jié)深的選擇：結(jié)深主要影響短波光特性，淺結(jié)可同時增加發(fā)射區(qū)少子擴散長度，降低表面復(fù)合速度，得到良好的藍紫光響應(yīng)。但淺結(jié)使結(jié)電容偏大，暗電流變大，擊穿電壓下降。 3。退火作用：高溫氮退火能延長發(fā)射區(qū)、基區(qū)、勢壘

24、區(qū)載流子壽命，減小表面復(fù)合速度，有效提高響應(yīng)度，降低暗電流。但會使紅外響應(yīng)速度變慢。,41,3.5 工藝流程： 普通PN結(jié)光敏二極管的工藝流程如下： 硅單晶 光刻 或外延片 氧化 發(fā)射區(qū) 硼擴散 磷處理 光刻引線孔 蒸鋁 鋁反刻 背底蒸金 初測 劃片 封帽 老化 成測 發(fā)射區(qū)11mm2 引線孔8080 m2 鋁電極100100 m2 圖315 普通光敏二極管底工藝流程及版圖,42,第四節(jié) 不同結(jié)構(gòu)的光敏二極管 為了得到特定光譜響應(yīng)性能的光敏二極管，人們又研制出PIN光敏二極管，雪崩光敏二極管等多種器件。 4.1.1 PIN光敏二極管 1.機理：由于光生載流子在勢壘區(qū)中渡越時間遠小于少子壽命，勢

25、壘區(qū)的量子效率接近1。因此加大勢壘區(qū)寬度將有利于展寬光電轉(zhuǎn)換的有效區(qū)域，提高了靈敏度和擊穿電壓，減小了串聯(lián)電阻和結(jié)電容，勢壘區(qū)載流子在場強作用下的漂移速度大于擴散速度，對少子渡越時間影響不大，可以提高頻率響應(yīng)，結(jié)電容的減小也有利于改善速度。,43,2.PIN光敏管結(jié)構(gòu)和電場分布： 用N型高阻硅材料（10002000歐姆厘米），兩面拋光，分別擴散N和P雜質(zhì)濃度，然后上下兩面做歐姆接觸引出電極。 3.特點：勢壘區(qū)Xm寬度大，結(jié)電容小Cj，因為串聯(lián)電阻區(qū)域被耗盡層消耗，所以Rs也很小，量子效率高，響應(yīng)特性好。 4.工作過程：在較低的反偏下，I 區(qū)就完全耗盡，Xm寬度就等于I區(qū)厚度。例如100歐姆厘米

26、的材料，10V時Xm=50微米。所以串聯(lián)電阻Rs和結(jié)電容Cj 很小，截止頻率Fc=(2RsCj)-1很高，光電響應(yīng)特性良好。在通信、光測距、光度測量、光電控制等方面得到重要應(yīng)用。,44,4.1.2四象限PIN二極管 將PIN光敏二極管做成四象限陣列，可以對運動的光目標進行探測、跟蹤、定位、制導(dǎo)。其平面與剖面結(jié)構(gòu)見圖317。 1。結(jié)構(gòu)：四象限PIN光敏二極管陣列由四個受光面積相等圖形對稱的光敏二極管組成，四個光敏二極管均勻分布在直角坐標的四個象限中，故稱四象限光敏二極管。 2。原理：由于四個光敏管面積相等，圖形、位置對稱，當四個象限光照均勻時，四個光敏管給出的光生電流相等。若任意一個象限的光照減

27、弱或無光照，就可以由不同象限二極管的光電流檢測出來。,45,如果在瞄準時經(jīng)聚焦的運動目標（自發(fā)光或反射被照光）的光斑照在四個象限的中心位置，四個象限二極管給出相等的電流。運動物體位置變化時，聚焦的光斑將偏離四象限中心，各光敏管輸出的電流就不同。利用四象限管的光電流變化，就可以確定運動目標的方位。該器件用高阻硅單晶材料，通過雜質(zhì)擴散制成P+V(高阻N或弱N) N+結(jié)構(gòu)或N+ （高阻P或弱P）P+結(jié)構(gòu)。若 I 層電阻率為2000 歐姆厘米，在3050V的電壓下勢壘寬度達到 150 m以上，就可使高阻區(qū)全部耗盡。為了使光斑照在四象限管之間的槽區(qū)時仍有光電流輸出，槽區(qū)寬度一般設(shè)計得較小，使四象限陣列管

28、不會有光敏的盲區(qū)。光敏區(qū)的直徑一般為310mm。,46,圖317 PIN四象限光敏管結(jié)構(gòu)與工作原理,47,4.2 雪崩光敏二極管 雪崩光敏二極管簡稱（APD）, 是有倍增放大響應(yīng)作用的器件。它利用PN結(jié)勢壘區(qū)的高場強區(qū)域中載流子的雪崩倍增響應(yīng)制成，所以其光電轉(zhuǎn)換靈敏度比一般PN結(jié)光敏器件要高的多。 用途：光電信號檢測、控制、光纖通信。 一、器件結(jié)構(gòu): 有N+PP+和P+NN+兩種類型,三種結(jié)構(gòu)：MAPD(臺面結(jié)構(gòu))、GAPD（平面保護環(huán)結(jié)構(gòu)）、RAPD（拉通型結(jié)構(gòu)），其中以RAPD性能最優(yōu)。主要采用鍺、硅材料制作，鍺管一般為臺面結(jié)構(gòu)。,48,圖318 雪崩倍增光敏管結(jié)構(gòu)形式,49,二. RAP

29、D拉通型結(jié)構(gòu)器件特點： （i）由于型區(qū)摻雜濃度很低，在稍高偏壓下，耗盡層就可以從表面N+區(qū)一直延伸到襯底的P+區(qū)。在臨近N+區(qū)的P型一側(cè)為高場強雪崩倍增區(qū)。碰撞倍增在勢壘區(qū)不是均勻發(fā)生，而是集中于PN+結(jié)界面附近的場強約大于105V/cm的高場區(qū)。而接近區(qū)的P型一側(cè)為低場強漂移區(qū)，通過控制層摻雜濃度和厚度，就可以決定電壓范圍。 （ii）由于勢壘區(qū)很寬，在較寬的光譜范圍內(nèi)具有高量子效率。 （iii）響應(yīng)速度快，但線性度差，溫度效應(yīng)明顯，噪聲較大。,50,四、APD的設(shè)計原則： 1。由于半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù)隨波長有很大變化，并有一個吸收的長波限，因此需要根據(jù)光譜范圍選用適當材料。 2。若要加強短

30、波光的響應(yīng)，則應(yīng)取淺結(jié)結(jié)構(gòu)，并要提高表面層少子壽命。 3?；鶇^(qū)濃度適當?shù)停约哟髣輭緟^(qū)寬度，以便在勢壘區(qū)獲得高的量子效率。對高速器件，中性基區(qū)厚度要盡量小。 4?；鶇^(qū)要有較高的少子壽命，盡量減小暗電流，提高對微弱光的探測能力。 5。APD應(yīng)有適當?shù)难┍辣对鰠^(qū)最大場強的設(shè)計，在材料選定后主要取決于摻雜濃度和工作電壓。 6。采用合適的器件結(jié)構(gòu)， 以提高器件的耐壓。如臺面結(jié)構(gòu)（MAPD）器件。平面保護環(huán)結(jié)構(gòu)（GAPD），周邊為深結(jié)包圍，可以減小周邊表面的棱角電場。還有一種拉通型結(jié)構(gòu)（RAPD），可以獲得比上面兩種更好的特性。,51,4.3 肖特基勢壘光敏二極管簡介 肖特基勢壘二極管的勢壘區(qū)全部在半導(dǎo)

31、體一側(cè)，光生載流子既少了基區(qū)渡越時間，又減少了基區(qū)的復(fù)合，勢壘區(qū)的量子效率又高，其中產(chǎn)生的光生載流子一經(jīng)產(chǎn)生就被電場掃向結(jié)兩側(cè)。因此這種管子響應(yīng)時間短，量子效率高。但暗電流較大，擊穿電壓低。適合與做無外加偏壓的光伏探測器和短波長光響應(yīng)器件。器件結(jié)構(gòu)見圖322。 肖特基光敏管必須考慮金屬層光反射與光吸收的影響。金屬層要足夠薄，能夠讓大部分入射光通過。圖中金層厚度為75埃。此外硅與金屬接觸之間總有一層很薄的氧化層，約數(shù)埃至數(shù)十埃。所示實際的肖特基結(jié)構(gòu)不是純粹的MS結(jié)構(gòu)，而是MIS結(jié)構(gòu)。但由于隧道效應(yīng)，金屬半導(dǎo)體之間可以有穿過薄SiO2層的隧道電流。通過控制氧化層的厚度，可以改善肖特基光敏二極管的特

32、性。,52,53,4.4 光敏晶體管簡介 結(jié)構(gòu)： 光敏晶體管是將B-C結(jié)作為光敏二極管的普通晶體管，其結(jié)構(gòu)如圖3.25所示。一般基區(qū)面積較大，發(fā)射區(qū)面積較小，入射光主要被基區(qū)吸收。 從器件的結(jié)構(gòu)看，光敏管的等效電路相當于在普通晶體管的B-C極上并聯(lián)了一只光敏管。 原理：入射光在基區(qū)激發(fā)出光生電子空穴對，在基區(qū)漂移電場作用下，電子被拉向集電區(qū)，空穴被掃向發(fā)射區(qū)一側(cè)。由于空穴的積累，引起發(fā)射區(qū)勢壘的下降，其結(jié)果相當于在發(fā)射區(qū)兩端加上一個正信號。引起電子注入，有電流流過晶體管。,54,圖325 光敏晶體管結(jié)構(gòu)、符號及等效電路,55,4.6半導(dǎo)體色敏器件 利用兩個深淺不同的PN結(jié)對不同波長的光有不同響

33、應(yīng)的原理，可以制作色敏器件。色敏器件可用于色彩、光源色溫以及單色輻射波長的測量。 一、結(jié)構(gòu) 由兩個深淺不同的PN結(jié)構(gòu)成，淺結(jié)P1N二極管PD1對短波光較靈敏，深結(jié)P2N二極管PD2對長波光較靈敏。 等效電路如兩個對接的光敏管，兩個PN結(jié)的結(jié)深根據(jù)器件要求設(shè)定，一般淺結(jié)0.5-2微米左右，深結(jié)810微米左右。,56,圖326 色敏器件的結(jié)構(gòu)及等效電路,57,二、工作原理 光照時，在P1層吸收的短波光生電子擴散到達P1N結(jié)形成電流I1，n層中吸收的長波光產(chǎn)生的空穴分成兩部分,分別向P1N和NP2結(jié)擴散，形成電流I2和I3。到達P2層的紅外光在此區(qū)域被吸收，產(chǎn)生電子擴散到達NP2結(jié)形成電流。 光敏二

34、極管PD1、PD2的短路電路為： ISC1=I1+I2 （343） ISC2=I3+I4 （344） 兩種不同型號色敏器件的相應(yīng)光譜曲線見圖327，色敏管PD1和PD2的短路電流比與入射單色光波長的關(guān)系曲線見圖328。,58,59,圖328 色敏管光譜曲線,60,三、檢測方法： （1）單色光的檢測，只要先對Isc1/Isc2與波長的關(guān)系作出標定，就可以由器件短路電流比Isc1/Isc2直接測出單色入射光的波長； （2）對于光源色溫的測量，對于給定的光源，色溫不同，則入射功率的光譜密集度P不同,器件的Isc1/Isc2不同，將色敏器件的短路電流比標定后，就可以由器件的短路電流比直接確定該光源中未

35、知光源的色溫。 （3）對于實際色源光的測定，需要對入射光功率的光譜密集度進行積分，處理，比較困難。,61,第五節(jié) 電荷耦合成像器件CCD,62,63,光傳感器的應(yīng)用,光電式傳感器=光源+光學元件+光電元件 設(shè)計應(yīng)用中，要特別注意光電元件與光源的光譜特性匹配。 模擬式光電傳感器 模擬式光電傳感器將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電信號， 與被測量間呈單值對應(yīng)關(guān)系。主要有四種基本形式，如圖3- 30所示。,圖3-30 光電元件的應(yīng)用方式 （a）吸收式；（b）反射式；（c）遮光式；（d）輻射式,光電式傳感器的應(yīng)用,脈沖式光電傳感器 脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有 兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即“通”和“斷”

36、的開關(guān)狀態(tài)，稱為光電元件的開關(guān)應(yīng)用狀態(tài)。這種形式的光電傳感器主要用于光電式轉(zhuǎn)速表、光電計數(shù)器、光電繼電器等。,光電式傳感器的應(yīng)用,應(yīng)用實例 1光電式帶材跑偏儀 圖3-31是光電式帶材跑偏儀原理圖，主要由邊緣位置傳 感器、測量電路和放大器等組成。它是用于冷軋帶鋼生產(chǎn) 過程中控制帶鋼運動途徑的一種自動控制裝置。,圖3-31 光電式邊緣位置傳感器原理圖 圖3-32 測量電路,光電式傳感器的應(yīng)用,帶材邊緣位置檢測選用遮光式光電傳感器，如圖3-33所 示，光電三極管（3DU12）接在測量電橋的一個橋臂上，如圖3-32所示。 采用角矩陣反射器能滿足安裝精度不高、工作環(huán)境有振動場合中使用，原理如圖3-34所

37、示。,圖3-33 帶材跑偏引起光通量變化 圖3-34 角矩陣反射器原理,光電式傳感器的應(yīng)用,光電式轉(zhuǎn)速計 光電轉(zhuǎn)速計主要有反射式和直射式兩種基本類型，如圖3-35所示。,圖3-35 光電轉(zhuǎn)速計 （a）反射型；（b）直射型,光電式傳感器的應(yīng)用,2光電式轉(zhuǎn)速計,圖3-36 利用光電斷續(xù)器測量轉(zhuǎn)速和圈數(shù) 1-光電斷續(xù)器；2-不銹鋼薄圓片；3-透光縫；4-旋轉(zhuǎn)物轉(zhuǎn)軸,光電式傳感器的應(yīng)用,為了提高轉(zhuǎn)速測量的分辨率，采用機械細分技術(shù)，使轉(zhuǎn)動體每轉(zhuǎn)動一 周有多個（Z）反射光信號或透射光信號。 若直射型調(diào)制盤上的孔（或齒）數(shù)為Z（或反射型轉(zhuǎn)軸上的反射體數(shù) 為Z），測量電路計數(shù)時間為T秒，被測轉(zhuǎn)速n(r/min

38、)，則計數(shù)值為 N=nZT/60 為了使計數(shù)值N能直接讀出轉(zhuǎn)速n值，一般取ZT=6010m（m=0,1,2,） 光電脈轉(zhuǎn)換電路如圖3-36所示。,圖3-37 光電脈沖轉(zhuǎn)換電路,光電式傳感器的應(yīng)用,圖3-38 路燈自動控制器,光電式傳感器的應(yīng)用,光電耦合器 將發(fā)光器件與光電元件集成在一起便構(gòu)成光電耦合器，如圖3-39所示。,圖3-39 光電耦合器典型結(jié)構(gòu) （a）窄縫透射式；（b）反射式；（c）、（d）全封閉式,光電式傳感器的應(yīng)用,ST188光電反射式傳感器,光纖傳感器,光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理,圖3-40 光纖的基本結(jié)構(gòu),光纖傳感器,光纖液位傳感器,光纖傳感器,結(jié)構(gòu)特點：光纖測頭端有一個圓錐體反射

39、器。當測頭置于空氣中沒接觸液面時，光線在圓錐體內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射而回到光電二極管。當測頭接觸液面時，由于液體折射率與空氣不同，全內(nèi)反射被破壞，有部分光線透入液體內(nèi)，使返回到光電二極管的光強變?nèi)?；返回光強是液體折射率的線性函數(shù)。返回光強發(fā)生突變時，表明測頭已接觸到液位。 光電接收器的要求不高。由于同種溶液在不同濃度時的折射率不同，經(jīng)標定，這種液位傳感器也可作濃度計。光纖液位計可用于易燃、易爆場合，但不能探測污濁液體及會粘附在測頭表面的粘稠物質(zhì)。,光纖傳感器,光纖電流傳感器,光纖傳感器,根據(jù)法拉第旋光效應(yīng)，由電流所形成的磁場會引起光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)；檢測偏轉(zhuǎn)角的大小，就可得到相應(yīng)電流值。如圖所示，從

40、激光器發(fā)生的激光經(jīng)起偏器變成偏振光，再經(jīng)顯微鏡（10）聚焦耦合到單模光纖中。為了消除光纖中的包層模，可把光纖浸在折射率高于包層的油中，再將單模光纖以半徑R繞在高壓載流導(dǎo)線上。,光纖傳感器,圖327為一種全光纖結(jié)構(gòu)的光纖電流傳感器。其中單偏光纖代替了上述結(jié)構(gòu)中的起偏器，并用了一個多圈傳感線圈。電流測量范圍可達0.l5000A。,光纖傳感器,簡單光纖開關(guān)、定位裝置，如圖3-43所示。 圖3-43(a)：光纖計數(shù)；測位移（工件間隔均勻、已知）。 圖3-43(b)：測角；測轉(zhuǎn)速。 圖3-43(c)：工件加工定位裝置。 圖3-43(d)：光纖液位檢測、控制裝置。,圖3-43 簡單光纖開關(guān) 定位裝置,光纖

41、傳感器,移動球鏡式光纖開關(guān)傳感器，如圖3-44所示。,圖3-44 移動球透鏡位移傳感器 （a）原理圖；（b）光強比值與位移關(guān)系,光纖傳感器,2.傳光型光纖位移傳感器 由兩段光纖構(gòu)成，當它們之間產(chǎn)生相對位移時，通過它們 的光強發(fā)生變化，從而達到測量位移的目的。 反射型光纖位移傳感器，如圖3-46所示。,圖3-46 反射型光纖位移傳感器 （a）原理圖；（b）輸出電壓與位移關(guān)系,光纖傳感器,直射型光纖位移傳感器，如圖3-45所示。,圖3-45 直射型光纖 位移傳感器,光纖傳感器,圖3-45光柵式光纖 水聲傳感器,輸出光纖,輸入光纖,光柵,膜片,相對位移/m,相 對 光 強,光纖傳感器,其它光纖位移傳

42、感器，如圖3-47所示。 圖3-47 光纖位移傳感器 （a）檔光型；（b）楔合型,光纖傳感器,3.受抑全內(nèi)反射光纖位移（液面）傳感器 基于全內(nèi)反射被破壞，而導(dǎo)致光纖傳輸特性改變的原理，可以制成位移傳感器來測位移、壓力溫度、液位等。 受抑全內(nèi)反射光纖位移傳感器，如圖3-48所示，直接耦合。,圖3-48 受抑全內(nèi)反射位移傳感器,光纖傳感器,棱鏡式全內(nèi)反射光纖位移傳感器，如圖3-49所示，棱鏡 耦合。,圖3-49 棱鏡式全內(nèi)反射光纖位移傳感器,光纖傳感器,光纖液體分界面探測器，如圖3-51所示，液體耦合。,圖3-51 光纖液體分界面探測器 （a）原理圖；（b）改進測頭,光纖傳感器,4光纖干涉型位移傳感器 為了提高測量精度或擴大測量范