西安电子科技大学：《光电探测技术与系统》课程电子教案（PPT课件讲稿）位敏传感器

S4.8、位敏传感器 光电位置传感器是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光 电器件，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。 特点 它对光斑的形状无严格要求，即输出信号与光的聚焦无关，只与 光的能量中心位置有关： 光敏面无需分割，消除了死区，可连续测量光斑位置，位置分辨率 很高，一维可以达到0.2um; 可同时检测位置和光强。 2022/10/7 1

2022/10/7 1 S4.8、位敏传感器 光电位置传感器是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光 电器件，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。 它对光斑的形状无严格要求,即输出信号与光的聚焦无关，只与 光的能量中心位置有关； 光敏面无需分割，消除了死区，可连续测量光斑位置，位置分辨率 很高，一维可以达到0.2um； 可同时检测位置和光强。 特点：

4.8.1.PSD器件的工作原理 当光束入射到PSD器件光敏层 上距中心点的距离为X时，在入I, 射位置上产生与入射辐射成正比 的信号电荷，此电荷形成的光电 p层 流通过电阻p型层分别由电极1 i层 与2输出。 n层 设p型层的电阻是均匀的，两 电极间的距离为2L,流过两电 0 极的电流分别为山和山，则流 过n型层上电极的电流lo为l和 2之和。 图3-33PSD器件结构示意图 2022/10/7

2022/10/7 2 4.8.1. PSD器件的工作原理 设p型层的电阻是均匀的，两 电极间的距离为2L，流过两电 极的电流分别为I 1和I 2，则流 过n型层上电极的电流I 0为I 1和 I 2之和。 当光束入射到PSD器件光敏层 上距中心点的距离为xA时，在入 射位置上产生与入射辐射成正比 的信号电荷，此电荷形成的光电 流通过电阻p型层分别由电极1 与2输出

② 0=+ 层 1=1 L-XA i 层 21 n层 12=10 L+x A 2L 12-1 XA 12+I1 图3-33PSD器件结构示意图 2022/10/7 3

2022/10/7 3 I 0 = I 1+I 2          + − = + = − = L I I I I x L L x I I L L x I I A A A 2 1 2 1 2 0 1 0 2 2

4.8.2.一维PSD器件 维PSD器件主要用来 测量光斑在一维方向上的位置 2 或位置移动量的装置。图3-34 (a)为典型一维PSD器件 S1543的结构示意图，其中1和 2为信号电极，3为公共电极。 30 它的光敏面为细长的矩形条。 (a) (b) 图3-34一维PSD器件 2-1L (a)原理结构 (b)等效电路 2+I 2022/10/7 4

2022/10/7 4 4.8.2. 一维PSD器件 一维PSD器件主要用来 测量光斑在一维方向上的位置 或位置移动量的装置。图3-34 （ a ） 为典型一维 PSD 器 件 S1543的结构示意图，其中1和 2为信号电极，3为公共电极。 它的光敏面为细长的矩形条。 L I I I I x 2 1 2 1 + − =

图3-35所示，为维PSD位置检测电路原理图，光电流1经 反向放大器A放大后分别送给放大器A,与A4,而光电流经反向 放大器A放大后也分别送给放大器A,与A4,放大器A3为加法电路， 完成光电流L与L相加的运算（放大器A,用来调整运算后信号的相 位)；放大器A,用作减法电路，完成光电流L,与山相减的运算。 2022/10/7 5

2022/10/7 5 图3-35所示，为一维PSD位置检测电路原理图，光电流I 1经 反向放大器A1放大后分别送给放大器A3与A4，而光电流I 2经反向 放大器A2放大后也分别送给放大器A3与A4，放大器A3为加法电路， 完成光电流I 1与I 2相加的运算（放大器A5用来调整运算后信号的相 位）；放大器A4用作减法电路，完成光电流I 2与I 1相减的运算

50pf R (11+12) 受光面 50pf (12-1) (2-I) (1+12) 位置信号 2 图3-35一维PSD位置检测电路原理图 2022/10/7 6

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4.8.3.二维PSD器件 如图3-36(a)所示，在正 方形的PN硅片的光敏面上 X3 R 设置2对电极，分别标注为 Y,Y2和X3,X4,其公共N 极常接电源Uob。三 维PSD 器件的等效电路如图336 b Ubb Ix4-Ix3 X二 (a) (b) Ix4+Ix3 图3-36二维DSP的结构图与等效电路 12-1 (a)二维DSP结构图 (b)等效电路 y= I2+1n 2022/10/7

2022/10/7 7 4.8.3.二维PSD器件 如图3-36（a）所示，在正 方形的PIN硅片的光敏面上 设置2对电极，分别标注为 Y1，Y2和X3，X4，其公共N 极常接电源Ubb。二维PSD 器件的等效电路如图3-36 （b）所示        + − = + − = 2 1 2 1 x 4 x 3 x 4 x 3 y y y y I I I I y I I I I x

为了减少测量误差常将二维PSD器件的光敏面进行改进，改进后的 P$D光敏面如图337所示图形，四个引出线分别从四个对角线端引出，光 敏面的形状好似正方形产生了枕形畸变。这种结构的优点是光斑在边缘的 测量误差被大大地减少。 0 ● (Ix+I)-(Ix+I)》 X二 Ix+Ix+Iy+Iy 光敏面 x (I+I)-(Is+I) Rs y Ix+Ix+I+Iy b (a) (6) 图3-37改进后的PSD器件 (a)结构示意图(b)等效电路 2022/10/7 8

2022/10/7 8 为了减少测量误差常将二维PSD器件的光敏面进行改进，改进后的 PSD光敏面如图3-37所示图形，四个引出线分别从四个对角线端引出，光 敏面的形状好似正方形产生了枕形畸变。这种结构的优点是光斑在边缘的 测量误差被大大地减少。        + + + + − + = + + + + − + = x x' ' ' ' x x' ' ' ' I I ( ) ( ) I I ( ) ( ) y y x y x y y y x y x y I I I I I I y I I I I I I x

4.8.4光生伏特器件的偏置电路 ● 9 ● R Ubb (a) 反向偏置电路 图3-40反向偏置电路 (a)光伏器件的反向偏置 2022/10/7 9

2022/10/7 9 Ubb RL Uo 反向偏置电路 4.8.4光生伏特器件的偏置电路

1.反向偏置电路的输出特性 光生伏特器件在反向偏置状态，P结势垒区加宽，有利于光生载流子 的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围和光电变换的动态范围加宽。 在如图3-40所示的反向偏置电路中，Ub>KT/q时，流过负载电阻R, 的电流为 9 1=1。-1'=1p-1,(e-1)=1p+1, 极管两端的电压可以写成 U(I=UBb-IRL 2022/10/7 10

2022/10/7 10 1.反向偏置电路的输出特性 在如图3-40所示的反向偏置电路中，Ubb>>KT/q时，流过负载电阻RL 的电流IL为 p s KT q U p s I = I − I = I − I (e −1) = I + I p  0 KT qU e 二极管两端的电压可以写成 bb L U(I) =U − IR 光生伏特器件在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载流子 的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围和光电变换的动态范围加宽