半導(dǎo)體傳感器教學(xué)課件ppt-資料下載頁(yè)
2025-04-14 00:04本頁(yè)面
【正文】 80..500 mm 模擬輸出： 4線 (0..20 mA, 4..20 mA, 0..1 V, 0..10 V) 2,5 % rh 精度 更快的 響應(yīng)時(shí)間 即使長(zhǎng)期暴露在冷凝液中也 不會(huì)腐蝕 可能不需鹽溶液調(diào)節(jié) 第 11章 半導(dǎo)體傳感器 ? 半導(dǎo)體色敏傳感器是一種半導(dǎo)體光敏器件，工作原理基于 內(nèi)光電效應(yīng) ，可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光輻射探測(cè)器。 ? 一般光電器件是檢測(cè)在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光強(qiáng)度或光子數(shù)目。而色敏器件可以直接測(cè)量從 可見(jiàn)光到近遠(yuǎn)紅外波段內(nèi)單色輻射波長(zhǎng)。 ? 半導(dǎo)體色敏傳感器相當(dāng)于兩只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管，實(shí)際不是晶體管而是兩個(gè)深淺不同的PN結(jié)，又稱光電雙結(jié)二極管。 色敏傳感器 圖 118 半導(dǎo)體色敏傳感器的結(jié)構(gòu)原理和等效電路 1. 光電二極管的工作原理 對(duì)于用半導(dǎo)體硅制造的光電二極管，當(dāng)受光照射時(shí)，若入射光子的能量 hυ 大于硅的禁帶寬度 Eg，則光子就激發(fā)價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生一個(gè)電子 空穴對(duì)。這種吸收光子的過(guò)程稱為 本征吸收 ，硅的本征吸收系數(shù)隨入射光波長(zhǎng)變化的曲線如圖 1110所示。圖中實(shí)線和虛線分別表示不同開(kāi)爾文溫度下的響應(yīng)曲線。由圖可見(jiàn)，在 紅外部分吸收系數(shù)小，紫外部分吸收系數(shù)大。這就表明，波長(zhǎng)短的光子衰減較快，穿透深度較淺，而波長(zhǎng)長(zhǎng)的光子則能進(jìn)入硅的較深區(qū)域。 圖 1110 硅的本征吸收系數(shù)隨入射光波長(zhǎng)變化的曲線 對(duì)于光電器件而言，還常用 量子效率 來(lái)表征光生電子流與入射光子流的比值大小。其物理意義是 單位時(shí)間內(nèi)每入射一個(gè)光子所引起的流動(dòng)電子數(shù)。 根據(jù)理論計(jì)算可以得到 P區(qū)在不同結(jié)深時(shí)量子效率隨波長(zhǎng)變化的曲線，如圖 1111所示。 圖 1111 量子效率隨波長(zhǎng)變化的曲線 圖中， xj即表示結(jié)深。淺的 PN結(jié)有較好的藍(lán)紫光靈敏度，深的 PN結(jié)則有利于紅外靈敏度的提高，半導(dǎo)體色敏器件正是利用了這一特性 第 11章 半導(dǎo)體傳感器 ? 淺 P+N結(jié)的光電二極管對(duì)紫外光靈敏度高， ? 深 PN結(jié)的光電二極管對(duì)紅外光靈敏度高； ? 波長(zhǎng)短的光子衰減快，穿透深度淺，波長(zhǎng)長(zhǎng)的光子衰減較慢，能穿透硅片較深區(qū)域。 ? 這一特征為色敏器件提供了識(shí)別顏色的可能。 色敏傳感器工作原理 在具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)先對(duì)該色敏器件進(jìn)行標(biāo)定，即測(cè)定在不同波長(zhǎng)的光照射下，該器件中兩只光電二極管 短路電流的比值ISD2/ISD1。 ISD1是淺結(jié)二極管的短路電流，它在短波區(qū)較大。ISD2是深結(jié)二極管的短路電流，它在長(zhǎng)波區(qū)較大。因而兩者的比值與入射單色光波長(zhǎng)的關(guān)系就可以確定。 圖 1112示出了不同結(jié)深二極管的光譜響應(yīng)曲線。圖中VD1代表淺結(jié)二極管， VD2代表深結(jié)二極管。 半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特性 1. 光譜特性 光譜特性表示半導(dǎo)體色敏器件所能檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍。圖1113(a)給出了國(guó)產(chǎn) CS1型半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性，其波長(zhǎng)范圍是 400～ 1000 nm。 2. 短路電流比 波長(zhǎng)特性 短路電流比 波長(zhǎng)特性表征半導(dǎo)體色敏器件對(duì)波長(zhǎng)的識(shí)別能力，是賴以確定被測(cè)波長(zhǎng)的基本特性。上述 CS1型半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比 波長(zhǎng)特性曲線示于圖 1113(b)中。 3. 溫度特性 由于半導(dǎo)體色敏器件測(cè)定的是兩只光電二極管的短路電流之比，而這兩只光電二極管是做在同一塊材料上的，具有相同的溫度系數(shù)，這種內(nèi)部補(bǔ)償作用使半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比對(duì)溫度不十分敏感，因此通?？刹豢紤]溫度的影響。 第 11章 半導(dǎo)體傳感器 色敏傳感器 色敏傳感器檢測(cè)電路框圖 要識(shí)別色彩，必須獲得兩只光電二極管的短路電流比，故采用對(duì)數(shù)放大器電路。在電流較小的時(shí)候，二極管兩端所加的電壓和流過(guò)的電流之間存在近似對(duì)數(shù)關(guān)系，即 OP OP2的輸出分別跟 lnISD lnISD1成比例，由 OP3輸出它們的差，計(jì)算公式為 輸出正比于短路電流比 ISD2/ISD1的對(duì)數(shù)。其中， C為比例常數(shù)。將電路輸出電壓經(jīng) A/D變換、 處理后即可判斷出與電平相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng) (即顏色 )。 ???????????S D 1S D 2S D 1S D 2o ln)ln( l n IICIICU第 11章 半導(dǎo)體傳感器 本章要點(diǎn) ? 氣敏傳感器，半導(dǎo)體氣敏傳感器類型及 結(jié)構(gòu)，電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器、非電 阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器工作原理及應(yīng)用 方法； ? 濕敏傳感器， 氯化鋰濕敏電阻、半導(dǎo)體 陶瓷濕敏電阻測(cè)濕原理； ? 色敏傳感器工作機(jī)理。 思考題與習(xí)題 111 簡(jiǎn)述氣敏元件的工作原理。 112 濕敏元件有哪些類型？各有什么特點(diǎn)？ 113 根據(jù)半導(dǎo)體色敏傳感器的結(jié)構(gòu)和等效電路，試述其工作原理。 114 半導(dǎo)體色敏傳感器為什么不利用單個(gè)光敏二極管的光譜特性測(cè)量單色光譜，而是用兩個(gè)光敏二極管的短路電流比作為單色光譜的標(biāo)定曲線？
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