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10.3 色敏传感器 10.3.1 半导体色敏传感器的基本原理 ◆半导体色敏传感器相当于两只结深不同的光电极二极管的组合，故又称光电双结二极管。其结构原理及等效电路如图10-9所示。为了说明色敏传感器的工作原理，有必要了解光电二极的工作机理。 图10-9 半导体色敏传感器结构 第三十页，共64页 10.3 色敏传感器 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，在受光照射时，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对电子-空穴。这些由光子激发而产生的电子—空穴统称为光生载流子。光电二极管的基本部分是一个Ｐ-Ｎ结，产生的光生载流子只要能扩散到势垒区的边界。 第三十一页，共64页 10.3 色敏传感器 ◆其中少数载流子（专指P区中的电子和N区的空穴）就受势垒区强电场的吸引而被拉向对面区域，这部分少数载流子对电流做出贡献。多数载流子（P区中的空穴或N区中的电子）则受势垒区电场的排斥而留在势垒区的边缘。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。 第三十二页，共64页 10.3 色敏传感器 ◆用能带图来表示上述过程如图10-10（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，即与无光照射P-N结的反向饱和电流方向相同。 第三十三页，共64页 10.3 色敏传感器 图10-10 光照下的P-N结 第三十四页，共64页 10.3 色敏传感器 ◆当P-N结外电路短路时，这个光电流将全部流过短接回路，即从P区和势垒区流入N区的光生电子将通过外短接回路全部流到P区电极处，与P区流出的光生空穴复合。因此，短接时外回路中的电流是IL，方向由P端经外接回路流向N端 。这时，P-N结中的载流子浓度保持平衡值，势垒高度（图10-10（a）中的q（UD-U））亦无变化。 第三十五页，共64页 10.3 色敏传感器 ◆当P-N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10-10（b）所示。该电动势使原P-N结的势垒高度下降为q（UD-U））。其中V即光生电动势，它相当于在P-N结上加了正向偏压。只不过这是光照形成的，而不是电源馈送的，这称为光生电压，这种现象就是光生伏特效应。 第三十六页，共64页 10.3 色敏传感器 ◆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10-11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。 第三十七页，共64页 10.3 色敏传感器 图10-11 吸收系数随波长的变化 第三十八页，共64页 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10-12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。 第三十九页，共64页 10.3 色敏传感器 图10-12 量子效应随波长的变化 第四十页，共64页 10.3 色敏传感器 2．半导体色敏传感器工作原理 ◆在图10-9中所表示的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。如上所述，紫外光部分吸收系数大，经过很短距离已基本吸收完毕。在此，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，深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度较高。 第四十一页，共64页 10.3 色敏传感器 ◆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，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10-13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。 第四十二页，共64页 10.3 色