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1、半导体光传感器半导体光传感器半导体光传感器的物理基础半导体光传感器的物理基础光电导效应型光传感器光电导效应型光传感器光生伏特效应型光传感器光生伏特效应型光传感器电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）光光传传感感器器是是各各种种光光电电检检测测系系统统中中实实现现光光-电电转转换换的的关关键键元元件件，它它是是把把光光信信号号（红红外外、可可见见及及紫紫外外光光辐辐射）转变成为电信号的器件射）转变成为电信号的器件。半导体光传感器半导体光传感器光光电电传传感感器器的的物物理理基基础础是是光光电电效效应应,是是指指物物体体吸吸收收了了光光能能后后转转换换为为该该物物体体中中某某些些电电子子的的能
2、能量量，从从而而产产生生的的电电效效应应。光光电电效效应应分分为为外外光光电电效效应应和和内内光光电电效应效应两大类。两大类。1 1、外光电效应、外光电效应在在光光线线的的作作用用下下，物物体体表表面面电电子子吸吸收收光光子子的的能能量量，逸逸出出物物体体表表面面向向外外发发射射的的现现象象称称为为外外光光电电效效应应。向向外外发发射射的的电电子子叫叫做做光光电电子子，基基于于外外光光电电效效应应的的光光电器件有光电管、光电倍增管等。电器件有光电管、光电倍增管等。外光电效应要求入射光子的能量：外光电效应要求入射光子的能量：E hh普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（光的
3、频率（s-1）半导体光传感器的物理基础半导体光传感器的物理基础入射光子引起材料内部产生或感应出电子或空穴，入射光子引起材料内部产生或感应出电子或空穴，这些载流子在材料内部引起电学性质的变化，这些载流子在材料内部引起电学性质的变化，称之称之为内光电效应，又叫内量子效应。半导体光传感器为内光电效应，又叫内量子效应。半导体光传感器多基于内光电效应，根据工作原理的不同，内光电多基于内光电效应，根据工作原理的不同，内光电效应分为效应分为光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应两类。两类。（1）光电导效应光电导效应其特点为入射光能改变材料电导率的现象，基其特点为入射光能改变材料电导率的现象，基于这
4、种效应的光电器件以于这种效应的光电器件以半导体光敏电阻为代表半导体光敏电阻为代表。2 2、内光电效应、内光电效应（2）光生伏特效应光生伏特效应在内部存在势垒的材料中，入射光子在势垒区在内部存在势垒的材料中，入射光子在势垒区产生电子产生电子-空穴对，光生电子和空穴在内建电场的作空穴对，光生电子和空穴在内建电场的作用下向相反的方向移动，从而产生感应电势，这种用下向相反的方向移动，从而产生感应电势，这种现象称为光生伏特效应。现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池、半导体光敏基于该效应的光电器件有光电池、半导体光敏二极管、三极管、二极管、三极管、CCD图象传感器等。图象传感器等。光电导效应
5、型光传感器的典型代表为光电导效应型光传感器的典型代表为光敏电光敏电阻。光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，阻。光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其阻其阻值随光照增强而减小值随光照增强而减小。在没有光照射时流过光敏。在没有光照射时流过光敏电阻的电流称为电阻的电流称为暗电流暗电流，当有光照射在光敏电阻，当有光照射在光敏电阻上时，电流就会增加，增加的电流称为上时，电流就会增加，增加的电流称为光电流光电流。该类光电传感器的优点是灵敏度高，光谱响该类光电传感器的优点是灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等；但不
6、足击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等；但不足之处是需要外部电源，有电流时会发热。之处是需要外部电源，有电流时会发热。光电导效应型光传感器光电导效应型光传感器一、光敏电阻的工作原理和基本结构一、光敏电阻的工作原理和基本结构 工工作作原原理理：当当光光照照射射到到光光敏敏电电阻阻上上时时，若若光光敏敏电电阻阻为为本本征征半半导导体体材材料料，而而且且光光辐辐射射能能量量又又足足够够强强，则则材材料料价价带带上上的的电电子子将将激激发发到到导导带带上上去去，从从而而使使导导带带的的电电子子和和价价带带的的空空穴穴数数目增加，致使光敏材料的电导率变大。目增加，致使光敏材料的电导率变大。为为实实现现能能
7、级级的的跃跃迁迁，入入射射光光的的能能量量必必须须大大于于光光导导体体材材料料的禁带宽度的禁带宽度EgEg，即，即 h=Eg(eV)h=Eg(eV)式式中中和和为为入入射射光光的的频频率率和和波波长长。因因此此，光光敏敏电电阻阻有有长长波波限限C C。以以CdS光光敏敏电电阻阻为为例例，其其结结构构如如图图2.1所所示示。管管芯芯是是一一块块安安装装在在绝绝缘缘衬衬底底上上带带有有两两个个欧欧姆姆接接触触电电极极的光电导体。的光电导体。A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬底引线电极引线光电导体由由于于光光电电导导效效应应大大多多发发生生在在接接受受光光
8、照照的的表表面面层层，所所以以光光电电导导体体一一般般都都做做成成薄薄层层。为为了了获获得得高高的的灵灵敏敏度度，光光敏敏电电阻阻的的电电极极一一般般采采用用梳状图案梳状图案。1-光导层光导层;2-玻璃窗口玻璃窗口;3-金属外壳金属外壳;4-电极电极;5-陶瓷基座陶瓷基座;6-黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃;7-电阻引线。电阻引线。RG1234567(a)结构(b)电极(c)符号它它是是在在一一定定的的掩掩模模下下向向光光电电导导薄薄膜膜上上蒸蒸镀镀金金或或铟铟等等金金属属形形成成的的。这这种种梳梳状状电电极极，由由于于在在间间距距很很近近的的电电极极之之间间有有可可能能采采用用大大的的灵灵敏敏面面
9、积积，所所以以提提高高了了光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度。图图（c）是是光光敏敏电电阻阻的的代代表表符号。符号。CdS光敏电阻的结构和符号光敏电阻的结构和符号光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度易易受受湿湿度度的的影影响响，因因此此要要将将导导光光电电导导体体严严密密封封装装在在玻玻璃璃壳壳体体中中。如如果果把把光光敏敏电电阻阻连连接接到到外外电电路路中中，在在外外加加电电压压的的作作用用下下，用用光光照照射射就就能能改改变变电电路路中中电电流流的的大大小小，其连线电路如图所示。其连线电路如图所示。光光敏敏电电阻阻具具有有很很高高的的灵灵敏敏度度，很很好好的的光光谱谱特特性性，光光谱谱响响应应可
10、可从从紫紫外外区区到到红红外外区区范范围围内内。而而且且体体积积小小、重重量量轻轻、性性能能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。RGRLEI光敏电阻的工作电路光敏电阻的工作电路二、光敏电阻的特性二、光敏电阻的特性暗电阻和亮电阻的阻值暗电阻和亮电阻的阻值暗电阻：暗电阻：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。定时间测量的电阻值，称为暗电阻。亮电阻：亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。阻。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电
11、阻越小则性能越好。也就光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至达甚至达100M，而亮电阻则在几而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。可见光敏电阻的灵敏度很高。光照特性光照特性下下图图表表示示CdS光光敏敏电电阻阻的的光光照照特特性性。在在一一定定外外加加电电压压下下，不不同同类类型型光光敏敏电电阻阻光光照照特特性性不不同同
12、，但但光光照照特特性性曲曲线线均均呈呈非非线线性性。因因此此它它不不宜宜作作定定量量检检测测元元件件，这这是是光光敏敏电电阻阻的的不不足足之之处处，常常在自动控制系统中用作在自动控制系统中用作光电开关光电开关。012345I/mA L/lx10002000CdS光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性光谱特性光谱特性光敏电阻对波长不同的单色光的响应灵敏度不同，其光光敏电阻对波长不同的单色光的响应灵敏度不同，其光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵
13、敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。（三个特点）（三个特点）204060801004080120160200240/m312相对灵敏度1硫化镉硫化镉2硒化镉硒化镉3硫化铅硫化铅CdS光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性伏安特性伏安特性在在一一定定照照度度下下，加加在在光光敏敏电电阻阻两两端端的的电电压压与与电电流流之之间间的的关关系系称称为为伏伏安安特特性性。图图中中曲曲线线1、2分分别别表表示示照照度度为为零零及及照照度度为为某某值值时时的的伏伏安安特特性性。由由曲曲线线可可知知，在在给给定定偏偏压压下下,光光照照度度（光光强强）较较大大
14、，光光电电流流也也越越大大，仍仍满满足足欧欧姆姆定定律律。在在一一定定的的光光照照度度下下，所所加加的的电电压压越越大大，光光电电流流越越大大，而而且且无无饱饱和和现象。现象。5010015020012U/V02040但但是是电电压压不不能能无无限限地地增增大大，因因为为任任何何光光敏敏电电阻阻都都受受额额定定功功率率、最最高高工工作作电电压压和和额额定定电电流流的的限限制制。超超过过最最高高工工作作电电压压和和最最大大额额定定电电流流，可可能能导致光敏电阻永久性损坏。导致光敏电阻永久性损坏。I/ACdS光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性频率响应特性频率响应特性用脉冲光照射时，光电流要经过一
15、段时间才能达到稳定值，用脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性（弛豫特性）。时延特性（弛豫特性）。20406080100I/%f/Hz010102103104由于不同材料的光敏电阻由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但镉高得多，但多数光敏电多数光敏电阻的时延都比较大，所以，阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应它不能用在要求快速响应的
16、场合的场合。硫化铅硫化镉CdS光敏电阻的频率响应特性光敏电阻的频率响应特性 在阶跃脉冲光照射下，光敏电阻的光电流要经在阶跃脉冲光照射下，光敏电阻的光电流要经历一段时间才达到最大饱和值；光照停止后，光电历一段时间才达到最大饱和值；光照停止后，光电流也要经历一段时间才下降到零，这称为光电导的流也要经历一段时间才下降到零，这称为光电导的驰豫现象，通常用响应时间来描述，响应时间又包驰豫现象，通常用响应时间来描述，响应时间又包括括上升时间上升时间tr（从光照到光敏电阻的时刻开始，到（从光照到光敏电阻的时刻开始，到光电流达到稳定值的光电流达到稳定值的63%为止所经历的时间）和为止所经历的时间）和衰衰减时间
17、减时间tf（从撤去光照时刻到光电流衰减到稳定值（从撤去光照时刻到光电流衰减到稳定值的的37%为止所经历的时间）。为止所经历的时间）。影响光敏电阻响应特性的因素有很多，我们可影响光敏电阻响应特性的因素有很多，我们可以注意以下三个方面：以注意以下三个方面：在暗处放置的时间长短；在暗处放置的时间长短；光照的强弱；光照的强弱；负载的影响。负载的影响。稳定性稳定性图图中中曲曲线线1、2分分别别表表示示两两种种型型号号CdS光光敏敏电电阻阻的的稳稳定定性性。初初制制成成的的光光敏敏电电阻阻，由由于于体体内内机机构构工工作作不不稳稳定定以以及及电电阻阻体体与与其其介介质质的的作作用用还还没没有有达达到到平平
18、衡衡，所所以以性性能能是是不不够够稳稳定定的的。但但在在人人为为地地加加温温、光光照照及及加加负负载载情情况况下下，经经一一至至二二周周的的老老化化，可使其性能稳定可使其性能稳定。I/%408012016021T/h0400 800 1200 1600光光敏敏电电阻阻的的使使用用寿寿命命在在密密封封良良好好、使使用用合合理理的的情情况况下下，几乎是无限长的。几乎是无限长的。CdS光敏电阻的稳定性光敏电阻的稳定性温度特性温度特性 光光敏敏电电阻阻的的性性能能(灵灵敏敏度度、暗暗电电阻阻)受受温温度度的的影影响响较较大大。随随着着温温度度的的升升高高，其其暗暗电电阻阻和和灵灵敏敏度度下下降降，光光
19、谱谱特特性性曲曲线线的的峰峰值值向向波波长长短短的的方方向向移移动动。硫硫化化镉镉的的光光电电流流I I和和温温度度T T的的关关系系如如图图所所示示。有有时时为为了了提提高高灵灵敏敏度度，或或为为了了能能够够接接收收较较长长波波段段的辐射，将元件降温使用。的辐射，将元件降温使用。I/A100150200-50-1030 5010-30T/C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20C-20CCdS光敏电阻的温度特性光敏电阻的温度特性光生伏特效应型光传感器光生伏特效应型光传感器光电二极管的光电二极管的基本结构也是一个基本结构也是一个PN结结，和普通二极管，和普通二极管相
20、比相比结面积小，因此它的频率特性特别好，光生电势与光结面积小，因此它的频率特性特别好，光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几A到几到几十十A。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。中最典型的是同质结硅光电二极管。一、一、PN结的光生伏特效应结的光生伏特效应 有光照时，若光子能量大于禁带宽度，耗尽区、有光照时，若光子能量大于禁带宽度，耗尽区、扩散区和扩散区
21、外都可能产生电子扩散区和扩散区外都可能产生电子-空穴对。其中耗空穴对。其中耗尽区的光生载流子在内建电场作用下产生定向移动，尽区的光生载流子在内建电场作用下产生定向移动，电子向电子向N区移动，空穴向区移动，空穴向P区移动；扩散区的光生载区移动；扩散区的光生载流子先向耗尽区扩散，进入耗尽区后如同耗尽区的流子先向耗尽区扩散，进入耗尽区后如同耗尽区的光生载流子一样也进行定向移动；扩散区以外的区光生载流子一样也进行定向移动；扩散区以外的区域，光生载流子会在扩散的过程中复合掉，所以对域，光生载流子会在扩散的过程中复合掉，所以对光电流并无太大作用。光电流并无太大作用。无光照时，在反向偏压下流过无光照时，在反
22、向偏压下流过PN结的电流称结的电流称为为暗电流暗电流IS；在光照下光生载流子的定向移动形成；在光照下光生载流子的定向移动形成的的PN结反向电流称为结反向电流称为光电流光电流IL；光照下将；光照下将PN结的结的两端电极之间开路时的电压称为两端电极之间开路时的电压称为开路电压开路电压VCO；光；光照下将照下将PN结的两端电极短路时，在结的两端电极短路时，在PN结中流过的结中流过的电流称为电流称为短路电流短路电流ICO。n硅光敏二极管的工作原理硅光敏二极管的工作原理 简单来说，硅光敏二极管在反向偏压下的反简单来说，硅光敏二极管在反向偏压下的反向电流随光照强度的变化而变化。向电流随光照强度的变化而变化
23、。具体而言：光敏二极管在没有光照射时，反向具体而言：光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，处于载止状态，这时只有少数载流子在电阻很大，处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，流即暗电流；受光照射时，PN结附近受光子轰击，结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使空穴对，从而使P区和区和N区区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层区的少数载流子渡越
24、阻挡层进入进入N区，区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，区，从而使通过从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光电流的大小随光照强度不同而变化，了光电流。光电流的大小随光照强度不同而变化，因此可通过光电流的强弱来判断光照的大小。因此可通过光电流的强弱来判断光照的大小。1.1.普通光敏二极管普通光敏二极管光光敏敏二二极极管管符符号号如如图图2.102.10，结结构构与与一一般般二二极极管管相相似似、它它装装在在透透明明玻玻璃璃外外壳壳中中，其其PNPN结结装装在在管管顶顶，可可直直接接受受到到光光照照射射。光光敏敏二二极
25、极管管在在电电路路中中一一般般是是处处于于反反向向工工作作状态状态，如图，如图2.112.11所示。所示。PN光光敏二极管符号光敏二极管符号RL 光PN光敏二极管工作电路光敏二极管工作电路二、典型的光生伏特效应型半导体光传感器二、典型的光生伏特效应型半导体光传感器硅光敏二极管的特性描述：硅光敏二极管的特性描述：光照特性光照特性 光敏二极管的光敏二极管的光电流与光照度之间呈线性关系光电流与光照度之间呈线性关系，其光照，其光照特性是线性的，所以适合定量检测等方面的应用。特性是线性的，所以适合定量检测等方面的应用。光谱特性光谱特性 特点是：特点是：存在长、短波限，存在峰值波长；存在长、短波限，存在峰
26、值波长；pn结靠近结靠近硅片表面可提高短波响应灵敏度；使用高阻单晶硅材料，硅片表面可提高短波响应灵敏度；使用高阻单晶硅材料，可使耗尽区在反偏压时加宽，提高长波响应灵敏度。可使耗尽区在反偏压时加宽，提高长波响应灵敏度。暗电流的影响暗电流的影响 在实际应用中，我们期望暗电流越小越好，管芯的在实际应用中，我们期望暗电流越小越好，管芯的受光受光面积大、所加电压高和环境温度高都会使暗电流增大面积大、所加电压高和环境温度高都会使暗电流增大，从，从而影响光电二极管的性能。而影响光电二极管的性能。2.PIN2.PIN型光电二极管型光电二极管 PINPIN管是光电二极管中的一种。它的管是光电二极管中的一种。它的
27、结构特点是，结构特点是，在在P P型半导体和型半导体和N N型半导体之间夹着一层（相对）很厚型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体的本征半导体I I层。层。这样，这样，PNPN结的耗尽区就基本上全集结的耗尽区就基本上全集中于中于 I I 层中，从而使层中，从而使PNPN结双电层的间距加宽，结电容结双电层的间距加宽，结电容变小。由式变小。由式=C Cj jR RL L与与 f f=1/2=1/2知，知，C Cj j小，小，则则小，频带将变宽，响应速度快。小，频带将变宽，响应速度快。P-SiN-SiI-SiPIN管结构示意图管结构示意图最大优点最大优点：频带宽频带宽，可达，可达10GHz，提
28、高了响应速度提高了响应速度。另一个特点是，因为另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用层很厚，在反偏压下运用可承可承受较高的反向电压，受较高的反向电压，线性输出范围宽线性输出范围宽。由耗尽层宽度。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。不足不足：I层电阻很大，层电阻很大，PIN管子的输出电流小管子的输出电流小，一般，一般多为零点几微安至数微安。目前有将多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运管与前置运算放大器集成在同一硅片上并
29、封装于一个管壳内的商算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。品出售。PIN型光电二极管的特性：型光电二极管的特性：3.3.雪崩式光电二极管雪崩式光电二极管(APD)(APD)雪雪崩崩式式光光电电二二极极管管是是利利用用PNPN结结在在高高反反向向电电压压下下产产生生的的雪雪崩崩效效应应来来工工作作的的一一种种二二极极管管。这这种种管管子子工工作作电电压压很很高高，约约100100200V200V，接接近近于于反反向向击击穿穿电电压压。其结构为其结构为 ，如下图所示。，如下图所示。N-SiP-SiP-Si+APD管结构示意图管结构示意图雪崩式光电二极管的特性：雪崩式光电二极管的特性
30、：优点优点：这种管子有：这种管子有很高的内增益（电流放大功能）很高的内增益（电流放大功能），可达到，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产，即产生所谓的雪崩，此时反向电流大大提高。这种管子生所谓的雪崩，此时反向电流大大提高。这种管子响应速度响应速度特别快，带宽可达特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电，是目前响应速度最快的一种光电二极管。二极管。缺点缺点：噪声大是这种管子目前的一个主要缺点噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等应是随机的
31、，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。光通信中应用前景广阔。4.4.光敏晶体三极管光敏晶体三极管光敏三极管有光敏三极管有PNP型和型和NPN型两种，如图型两种，如图2.14所示。其结构与一般三极管很相似，只是所示。其结构与一般三极管很相似，只是它的发射它的发射极一边做的很大极一边做的很大,以扩大光的照射面积以扩大光的照射面积,且其基极不且其基极不接引线。接引线。以以
32、NPN型光敏三极管为例，当集电极加上型光敏三极管为例，当集电极加上正电压正电压,基极开路时基极开路时,集电结处于反向偏置状态。集电结处于反向偏置状态。PPNNNPe b bc RL Eec光敏晶体管结构示意图、符号及工作电路光敏晶体管结构示意图、符号及工作电路光敏晶体管的工作原理：光敏晶体管的工作原理：当光线照射在集电结的基区时当光线照射在集电结的基区时,会产生会产生电子电子-空穴对空穴对,在内电场的作用下在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极光生电子被拉到集电极,基区留基区留下空穴下空穴,使基极与发射极间的电压升高处于正偏状态使基极与发射极间的电压升高处于正偏状态,同时由于同时由于大量的电子
33、流向集电极大量的电子流向集电极,形成集电极电流，为光电流的形成集电极电流，为光电流的倍，倍，具具有电流放大作用有电流放大作用。光敏三极管的基本工作模型光敏三极管的基本工作模型光敏三极管的主要特性：光敏三极管的主要特性：光光敏敏晶晶体体三三极极管管存存在在一一个个最最佳佳灵灵敏敏度度的的峰峰值值波波长长，并并且且与与具具体体的的三三极极管管材材料料有有关关。在在图图2.16中中，当当入入射射光光的的波波长长增增加加时时，相相对对灵灵敏敏度度要要下下降降。因因为为光光子子能能量量太太小小，不不足足以以激激发发电电子子空空穴穴对对。当当入入射射光光的的波波长长缩缩短短时时，相相对对灵灵敏敏度度也也下
34、下降降，这这是是由由于于光光子子在在半半导导体体表表面面附附近近就就被被吸吸收收，并并且且在在表表面面激激发发的的电电子空穴对不能到达子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。结，因而使相对灵敏度下降。（1 1）光谱特性）光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光/400080001200016000100806040200硅硅的的峰峰值值波波长长为为9000，锗锗的的峰峰值值波波长长为为15000。由由于于锗锗管管的的暗暗电电流流比比硅硅管管大大，因因此此锗锗管管的的性性能能较较差差。故故在在可可见见光光或或探探测测赤赤热热状状态态物物体体时时，一一般般选选用用硅硅管管；但但对对红红外外线线进进行
35、行探探测测时时,则则采采用用锗锗管管较较合合适。适。光敏三极管的光谱特性光敏三极管的光谱特性0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶体管的伏安特性光敏晶体管的伏安特性（2 2）伏安特性）伏安特性光光敏敏三三极极管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线如如图图2.17所所示示。光光敏敏三三极极管管在在不不同同的的照照度度下下的的伏伏安安特特性性，就就像像一一般般晶晶体体管管在在不不同同的的基基极极电电流流时时的的输输出出特特性性一一样样。只只要要把把不不同同光光照照下下所所产产生生的的光光电电流流看看作作基基极极电电流流，就就可可将将光光敏敏三三极
36、极管管看看作作一一般般的的晶晶体体管管。光光敏敏三三极极管管能能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。U/V光敏晶体管的光照特性光敏晶体管的光照特性I/AL/lx200400600800100001.02.03.0（3 3）光照特性）光照特性 光敏三极管的光照特性如图光敏三极管的光照特性如图2.182.18所示。它给出了光敏三所示。它给出了光敏三极管的输出电流极管的输出电流I I和照度之间的关系。和照度之间的关系。在很大的光照范围内，在很大的光照范围内，它们之间呈现了近似线性关系；它们之间呈现了近似线性关系；当当光照足够大光照足够大(几几klx)k
37、lx)时，会时，会出现饱和现象出现饱和现象，因此光敏三极管既可作线性转换元件，也可，因此光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。作开关元件。暗电流/mA光电流/mA10 20 30 40 50 60 70T/C2505010002003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶体管的温度特性光敏晶体管的温度特性（4 4）温度特性）温度特性 光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光温度变化对光电流的影响较小，而对暗
38、电流的影响很大电流的影响较小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中所以电子线路中需需要对暗电流进行温度补偿要对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。，否则将会导致输出误差。（5 5）光敏三极管的频率特性）光敏三极管的频率特性 光光敏敏三三极极管管的的频频率率特特性性曲曲线线如如图图所所示示。光光敏敏三三极极管管的的频频率率特特性性受受负负载载电电阻阻的的影影响响，减减小小负负载载电电阻阻可可以以提提高高频频率率响响应应。一一般般来来说说，光光敏敏三三极极管管的的频频率率响响应应比比光光敏敏二二极极管管差差。对对于于锗锗管管，入入射射光光的的调调制制频频率率要要求求在在5 5k kHzHz以以
39、下下。硅硅管管的的频频率率响响应应要要比锗管好。比锗管好。010010005005000 1000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）常见的摄像器件主要分为常见的摄像器件主要分为摄像管摄像管和和固体摄像器固体摄像器两大类两大类,它们它们都是利用某种光电效应，通过光学系统将输入的光信号转换成都是利用某种光电效应，通过光学系统将输入的光信号转换成电荷并储存在像素点中电荷并储存在像素点中,每个像素点上的电荷量反映了该点光每个像素点上的电荷量反映了该点光照的强度，最后利
40、用不同的扫描方式读取这些电荷而形成图象照的强度，最后利用不同的扫描方式读取这些电荷而形成图象信号。摄像管采用的是信号。摄像管采用的是电子扫描方式电子扫描方式读取，而固体摄像器则采读取，而固体摄像器则采用用固体扫描方式固体扫描方式读取。读取。常用摄像管有常用摄像管有Sb2S3光导管、光导管、PbO光导管、光导管、CdSe光导管等，光导管等，固态摄像器的典型代表有固态图象传感器固态摄像器的典型代表有固态图象传感器CCD（ChargeCoupledDevice，又称电荷耦合器件）。在本小节中，我们将，又称电荷耦合器件）。在本小节中，我们将对这两种不同的图象传感器进行认识。对这两种不同的图象传感器进行
41、认识。像素：像素：在图象处理系统中，组成画面的细小单元称为像在图象处理系统中，组成画面的细小单元称为像素。对尺寸一定的画面，像素越小则单位面积上的像素。对尺寸一定的画面，像素越小则单位面积上的像素点越多，构成的图象就越清晰。素点越多，构成的图象就越清晰。扫描：扫描：将组成一帧图象的像素，按某种顺序转换成电信将组成一帧图象的像素，按某种顺序转换成电信号的过程称为扫描。行扫描是指从左向右的扫描方式；号的过程称为扫描。行扫描是指从左向右的扫描方式；帧扫描是指自上而下的扫描方式。帧扫描是指自上而下的扫描方式。一、光电导型摄像管一、光电导型摄像管光电导型摄像管的基本结构光电导型摄像管的基本结构电子透镜和
42、聚焦线电子透镜和聚焦线圈将电子束聚焦成圈将电子束聚焦成一点，垂直打在光一点，垂直打在光电敏感膜上；偏转电敏感膜上；偏转线圈控制电子束能线圈控制电子束能按从左到右或自上按从左到右或自上而下的顺序依次扫而下的顺序依次扫描光电敏感膜上的描光电敏感膜上的各个像素点。各个像素点。光电导型摄像管的光电导型摄像管的基本结构图基本结构图摄像管的工作原理摄像管的工作原理电荷储能原理（电荷储能原理（ChargeStoragePriciple）假设物体成像在光电敏感膜上，出现三种亮度假设物体成像在光电敏感膜上，出现三种亮度的像素的像素暗、灰、亮。由光电导效应的原理知，暗、灰、亮。由光电导效应的原理知，暗像素点电阻暗
43、像素点电阻灰像素点电阻灰像素点电阻亮像素点电阻。亮像素点电阻。把光电敏感膜划分为无数个小的像素单元，每把光电敏感膜划分为无数个小的像素单元，每个像素单元可以看作如下图所示的一个等效电路，个像素单元可以看作如下图所示的一个等效电路，图中的图中的R代表该像素点的等效电阻，它的大小由照代表该像素点的等效电阻，它的大小由照在该像素上的入射光的强度决定；在该像素上的入射光的强度决定；C代表储能电容。代表储能电容。当电子束扫过某个像素点瞬间，电容当电子束扫过某个像素点瞬间，电容C充电；当电子束离开该像素点，充电；当电子束离开该像素点，电容电容C通过等效电阻通过等效电阻R放电，放电的速度和放电电荷量的大小由
44、放电，放电的速度和放电电荷量的大小由R阻值决定。阻值决定。由于暗、灰、亮三种程度时像素的阻值不同，导致每个像素点的放电情况也由于暗、灰、亮三种程度时像素的阻值不同，导致每个像素点的放电情况也不同，则在电子束扫描的过程中，流过负载不同，则在电子束扫描的过程中，流过负载RL的电流也不同，即输出不同的电流也不同，即输出不同的电信号。这样，根据电子束扫描到各个像素点时输出的电信号，就可以知的电信号。这样，根据电子束扫描到各个像素点时输出的电信号，就可以知道光电敏感膜上感受到的图象。道光电敏感膜上感受到的图象。摄像管的等效工作电路摄像管的等效工作电路二、电荷耦合器件二、电荷耦合器件CCD电荷耦合器件电荷
45、耦合器件CCD的工作过程是：的工作过程是：首先由光学系统首先由光学系统将被测物体成象在将被测物体成象在CCD的受光面上，受光面下的光的受光面上，受光面下的光敏单元形成了许多像素点，这些像素点将投射到它敏单元形成了许多像素点，这些像素点将投射到它的光强转换成电荷信号并存储。然后在时钟脉冲信的光强转换成电荷信号并存储。然后在时钟脉冲信号控制下，将反映光象的被存储的电荷信号读取并号控制下，将反映光象的被存储的电荷信号读取并顺序输出，从而完成了从光图象到电信号的转化过顺序输出，从而完成了从光图象到电信号的转化过程。程。1 1CCDCCD的基本结构的基本结构 CCD CCD图象传感器一般分为图象传感器一
46、般分为光敏区光敏区和和电荷转移区电荷转移区两两部分，是由若干个小单元（像素）组成，该单元的部分，是由若干个小单元（像素）组成，该单元的基本结构是基本结构是MOSMOS电容器。电容器。CCDCCD的最小单元是在的最小单元是在P P型（或型（或N N型）硅衬底上生长一层厚度约为型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm120nm的的SiO2SiO2，再，再在在SiO2SiO2层上依次沉积铝电极而构成层上依次沉积铝电极而构成MOSMOS电容器。将电容器。将MOSMOS阵列加上输入、输出端，便构成了阵列加上输入、输出端，便构成了CCDCCD。P型Si耗尽区电荷转移方向123输出栅输入栅输入二极管输出二极管
47、SiO2图图2.23CCD的的MOS结构结构CCD器件的工作原理器件的工作原理MOS电容器形成的电子陷阱电容器形成的电子陷阱以以P型型MOS结结构构为为例例，当当向向SiO2表表面面的的电电极极加加正正偏偏压压时时，P型型硅硅衬衬底底中中形形成成耗耗尽尽区区（势势阱阱），耗耗尽尽区区的的深深度度随随正正偏偏压压升升高高而而加加大大。当当正正电电压压大大于于开开启启电电压压时时，由由于于表表面面势势为为正正值值，电电子子被被吸吸引引到到最最高高正正偏偏压压电电极极下下的的区区域域内内（如如图图中中2极极下下），形形成成电电子子势势阱阱（又又称称电电荷荷包包），MOS结结构构进进入入了了少少子子反
48、反型型状状态态。对对于于N型型硅硅衬衬底底的的CCD器器件件，电电极极加加负负偏偏压压时，少数载流子为空穴。时，少数载流子为空穴。CCD是是由由若若干干个个电电荷荷耦耦合合单单元元组组成成，该该单单元元的的结结构构如如上上图图所所示示。CCD的的最最小小单单元元是是在在P型型（或或N型型）硅硅衬衬底底上上生生长长一一层层厚厚度度约约为为120nm的的SiO2，再再在在SiO2层层上上依依次次沉沉积积铝铝电电极极而而构构成成MOS电电容容器器。将将MOS阵阵列加上输入、输出端，便构成了列加上输入、输出端，便构成了CCD。CCD器件的工作原理器件的工作原理MOS电容器形成的电子陷阱电容器形成的电子
49、陷阱以以P型型MOS结结构构为为例例，当当向向SiO2表表面面的的电电极极加加正正偏偏压压时时，P型型硅硅衬衬底底中中形形成成耗耗尽尽区区（势势阱阱），耗耗尽尽区区的的深深度度随随正正偏偏压压升升高高而而加加大大。当当正正电电压压大大于于开开启启电电压压时时，由由于于表表面面势势为为正正值值，电电子子被被吸吸引引到到最最高高正正偏偏压压电电极极下下的的区区域域内内（如如图图中中2极极下下），形形成成电电子子势势阱阱（又又称称电电荷荷包包），MOS结结构构进进入入了了少少子子反反型型状状态态。对对于于N型型硅硅衬衬底底的的CCD器器件件，电电极极加加负负偏偏压压时，少数载流子为空穴。时，少数载流
50、子为空穴。少子的反型状态少子的反型状态空间电荷区内能带进一步向下空间电荷区内能带进一步向下弯曲使费米能级位置高于禁带弯曲使费米能级位置高于禁带中线，意味着表面处出现了一中线，意味着表面处出现了一个与衬底导电类型相反的一层个与衬底导电类型相反的一层，叫做反型层。反型层发生在，叫做反型层。反型层发生在紧靠在半导体表面处，从反型紧靠在半导体表面处，从反型层到半导体内部之间还夹着一层到半导体内部之间还夹着一个耗尽层。此时，空间电荷区个耗尽层。此时，空间电荷区由两部分组成，一部分是耗尽由两部分组成，一部分是耗尽层中的电离受主，另一部分是层中的电离受主，另一部分是反型层中的电子，后者主要堆反型层中的电子，