最新微电子传感器与微执行器资料课件PPT.ppt

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1、微电子传感器与微执行器资料本章内容：首先介绍半导体光敏器件的物理基础：光电效应和光生伏特效应。然后介绍各种光敏传感器结构和基本工作原理。2第一节光敏器件概述1．1光敏传感器定义及类型定义：光敏传感器是能够把入射光转换成对应电信号的电子器件。光敏传感器类型：光电导器件、光敏二极管（包括PN结、PIN、肖特基势垒、异质结、雪崩光敏二极管等）、光敏晶体管（含异质结光敏晶体管）、光电耦合、集成光敏器件、特种光敏器件、电荷耦合器件及其阵列等等。还有一个大类就是太阳电池。基本原理：光敏传感器的基本工作原理主要是基于半导体内的光电效应和光生伏特效应。3二、如果半导体内的电子

2、吸收光子后不能跃出半导体，则所产生的电学效应称为内光电子效应。它是光敏传感器的物理基础。基本机理：半导体价（jie）带中束缚的电子在吸收光子后，若能够跃迁到导带，则会产生电子空穴对；若只能跃迁到杂质或缺陷的束缚能级，则会产生空穴。而杂质、缺陷能级上的束缚电子在吸收光子后也可以跃迁到导带，成为自由电子。所有这些由光辐射激发的载流子可统称为光生载流子。入射光在半导体内激发了载流子后，就会出现一些光电效应,它们对材料电特性的影响如下：71。光生载流子将使半导体的电导率增大，这就是光电导效应。利用该效应可制造光电导器件。2。若半导体样品沿光照方向足够厚，则光生载流子将

3、沿此方向出现浓度梯度，在光照方向会出现电位差，使样品内出现一个电动势，该效应为丹倍效应。3。如果在上面的样品两侧加上磁场，则光生电子和光生空穴在沿光照方向扩散时，会受到洛伦兹力作用，向两个相反方向偏转。从而在样品的另外两侧产生电动势。即产生光电磁效应。该效应可以制作光电磁（PEM）探测器。84。*在PN结、肖特基结等具有内建电场的半导体样品中，光生载流子将受到内建电场的作用，作反方向运动，产生光生电动势。这就是光伏效应。利用该效应可以制作多种光敏器件。这是本章重点内容之一。5。自由载流子吸收相应于带内跃迁，不产生光生载流子，一般也不引起电学效应。但如果入射的光

4、子密度足够强，使自由载流子在吸收了光子后明显地改变了按照动量的分布，产生了沿光子流方向的平均速度，则也会产生沿光照方向的电动势，出现光压效应和光子牵引效应。光子牵引效应产生于自由载流子受光子推动所产生的运动，是入射光子与自由载流子间动量交换的结果。可望用于红外激光系统中作探测器。91．2半导体的光学性质（一）光敏器件所探测的光谱范围：从红外光、可见光到紫外光。仅仅占电磁辐射频谱的极小范围，光的波长从几十nm到106nm范围。图电磁波的频谱及光敏传感器的响应范围10本征吸收过程：价带电子吸收了能量大于或等于禁带宽度的光子后，直接跃至导带，产生自由电子并在价带留下

5、自由空穴。因此，本征吸收时每吸收一个光子就产生一个电子空穴对。由于每个光子的具有的能量为E=hv，本征吸收过程中被吸收的光子要满足如下条件：h为普朗克常数＝6.63×10－34J/s，v为频率，Eg为介质材料的禁带宽度。本征吸收谱是连续谱，因为导带是由一系列能量间隔很小的能级组成，并且本征吸收有低频限：11或者本征吸收长波限()：（3－7）频率低于v0或波长长于λ0的入射光，不能参与本征吸收。硅材料Eg(Si)=1.12eV,长波限λ0＝1.1μm；砷化镓材料的禁带宽度Eg(GaAs)=1.43eV,长波限λ0＝0.867μm。对硅材料，波长限在近红外范围，长

6、于1.1微米的光不能参与本征吸收；对砷化镓材料，长波吸收限在红外到近红外附近区域。12衡量半导体光传感器的性能参数光敏器件能对入射光信息作出电响应，输出光电流或光电压。衡量光敏器件输入输出性能的参数有响应度、线性度、量子效率、响应时间、噪声等效功率、探测度等，现简单介绍如下：1。响应度R－－响应度R定义为均方根光电流IL或均方根光电压VL与入射光的均方根功率P之比，其意义是投射于光敏器件上的单位辐射功率所产生的光电流或光电压。2。线性度－－线性度表征入射光功率P(λ)与响应量（IL或VL）在线性区内与实际响应曲线接近拟合直线的程度。许多器件都有线性度要求。13

7、3。量子效率－－定义为流出器件的光生电子流与入射光子流之比。其意义是单位时间内每入射一个光子所引起的流动电子数。4。响应速度tr－定义为输出信号从峰值的10％上升到90％所需的时间。其他光传感器的性能参数还有噪声等效功率和探测度。14图3－3光敏器件线性区示意图15图3－4光敏二极管和光敏三极管的脉冲响应时间16实际的半导体不是本征半导体，对N型和P型材料，其附加电导率实际上可以用上式中的第一项或第二项表示。电导率的相对变化率为：第二节光电导效应及光伏效应半导体的光电导效应定义：半导体吸收入射光子的能量通过本征激发产生电子－空穴对，使载流子浓度增加引起电导率增

8、大的现象称为光电导效应。172.2半导