半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合，故又称双结光电二极管。其结构原理及等效电路示于图12-16。为了说明色敏传感器的工作原理，有必要对光电二极管的工作原理作一回顾。

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hf大于硅的禁带宽度E_g，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，其中少数载流子(P区中的电子或N区中的空穴)就受势垒区强电场的吸引而被拉向背面区域。这部分少数载流子对电流做出贡献。多数载流子(N区中的电子或P区中的空穴)则受势垒区电场的排斥而留在势垒的边缘。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。用能带图来表示上述过程如图12-17a所示。图中Ec表示导带底能量；Eν表示价带顶能量。“○”表示带正电荷的空穴；“●”表示电子。I_L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，即与无光照时P-N结的反向饱和电流方向相同。

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12-17b所示。该电动势使原P-N结的势垒高度下降为q(VD-V)。其中V即光生电动势。它相当于在P-N上加了正向偏压。只不过这是光照形成的，而不是用电源馈送的。这个电压称为光生电压，这种效应就是光生伏特效应。

我们知道，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12-18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，波长短的光子衰减较快，穿透深度较浅，而波长长的光子则能进入硅的较深的区域。

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12-19所示。图中x_j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．

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12-17b所示。该电动势使原P-N结的势垒高度下降为q(VD-V)。其中V即光生电动势。它相当于在P-N上加了正向偏压。只不过这是光照形成的，而不是用电源馈送的。这个电压称为光生电压，这种效应就是光生伏特效应。

我们知道，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12-18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，波长短的光子衰减较快，穿透深度较浅，而波长长的光子则能进入硅的较深的区域。

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12-19所示。图中x_j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．

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