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中 華 大 學

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Academic year: 2022

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(1)

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目:類視覺反應之環境光感測元件之設計探討

Studies on Human-Vision-Like Ambient Light Sensor Design

系 所 別:機械與航太工程研究所 碩士班 學號姓名:M09308042 吳秉潞 Ping-Lu Wu

指導教授:林君明 博士 Prof. Jium-Ming Lin

中華民國九十五年七月

(2)
(3)
(4)
(5)

誌 謝

首先要感謝的是指導教授林君明博士,由於老師的學識 廣闊,使學生有任何學術上的疑問時,能得到適當的解答,

不論是專業學識或是待人處世方面,都讓我獲益良多。

在研究的過程中,感謝樺晶科技股份有限公司的全體員 工,給予學生相當大的幫助。感謝總經理謝正雄博士及副總 經理李文岑先生,謝教授與李副總在研究方面給予學生正確 的研究方向,使得本論文得以順利完成。亦感謝謝吉勇經 理、沈源洲大哥及陳科謀學長,在製作與量測方面的協助,

使得學生能順利的得到實驗結果。

感謝實驗室的夥伴,建煜學長,同學俊杰、政嶽、安槿、

明宏,學弟敬庭、春發、柏程、俊男等的協助。在兩年的研 究生涯中,不論日常生活的相互扶持,或是課業上的疑難解 惑,研究中的相互砥礪,都讓學生備感溫馨。讓學生在這兩 年的研究生活過得多姿多采,充滿美好的回憶。

最後將此論文獻於我的家人、女友以及曾幫助我的朋

友,在求學的過程中給我關懷與鼓勵,讓學生在學業上能全

心全意的學習與研究,使學生能順利完成此論文。

(6)

摘 要

1. 較佳之環境光感測器須有下列特性(1)如同日視視覺光譜響應(2) 高感光度(3)寬的動態範圍(4)成本效益。此研究之目的為探討設計 利用半導體製程與光學塗佈方法的環境光感測器之可行性。

2. 環境光感測器的研究包含光學探測器和信號處理電路。光學探測 器為矽基材之光二極體,其可以充分地將信號處理電路整合在單 晶矽基材之光電 IC。

3. 矽光二極體之光譜響應範圍從紫外光到近紅外光區域,附加光學 塗佈程序,如四分之一波段多層塗佈和濺鍍彩色濾光膜,用於改 造光譜響應曲線。

4. 信號處理電路是一種電流放大器。高動態範圍和高增益為其特 色,電流放大器可使室內與室外需求的條件互相結合。

5. 測試結果驗證了有效益的環境光感測器在設備水平的展現下可藉 由以上所提到的論點來達成。

(7)

Abstract

1. A good ambient light sensor should have the characteristics of (1) photopic vision like spectral response, (2) high sensitivity, (3) wide dynamic range, and (4) being cost effective. The purpose of this research is to explore the feasibility of designing such an ambient light sensor using the available semiconductor process and optical coating techniques.

2. The ambient light sensor under research comprises an optical detector and a signal processing circuit. The optical detector is a silicon-based photodiode, which can be fully integrated with the signal processing circuit into a single silicon-based

opto-electronic IC.

3. Since the spectral response of a silicon photodiode ranges from UV to NIR region, additional optical coating processes, such as quarter-wave multi-layer coating and color filter sputtering, are employed to reshape the spectral response curve.

4. The signal processing circuit is a current amplifier. Featuring high dynamic range and high gain, the current amplifier can meet both indoor and outdoor application requirements.

5. The test results demonstrate that a cost effective ambient light sensor with instrument-level performance can be achieved by using the design philosophy mentioned above.

(8)

目 錄

頁次 中文摘要 Ⅰ 英文摘要 Ⅱ 目錄 Ⅲ 表目錄 Ⅴ 圖目錄 Ⅵ

第一章 研究目的與背景...1.

第二章 原理與推導...6.

2-1 視感度...6.

2-2 色彩原理...9.

2-3 光吸收與光吸收係數...12.

2-4 二極體原理...15.

2-4-1 光二極體...15.

2-4-2 p-n 接面太陽電池的基本元件特性...18.

2-5 干涉型截止濾光片之對稱膜堆...23.

第三章 進行方法與模擬...26.

3-1 創意之元件結構...26.

(9)

3-3 最佳化結構與相似度...35.

第四章 實驗數據與結果...38.

第五章 環境光感測元件之系統整合...43.

第六章 結論...47.

第七章 未來展望...49.

第八章 附錄...51.

8-1 各種環境下的光強度變化程度...51.

8-2 資料庫建立...52.

8-3 皮耳森相關係數...56.

8-4 The 1931 & 1976 CIE Chromaticity Diagram...57.

8-5 樺晶科技公司 製作之環境光感測 IC 數據表...58.

參考文獻...64.

(10)

表目錄

頁次 表1-1 手機應用本元件所能的節省電池能源的調查效果。...5.

表2-1 Spectral Luminous Efficiency for the Standard CIE

Observer。……….7.

表3-1 以日視曲線為標準之皮耳森相關係數(相似度)。…...37.

表3-2 最佳相似度之最終參數資料。...37.

表4-1 波長為 360nm~960nm 所量測出相對光譜響應感光度數據 (a)編號為 G1~G5 測試感測器元件之數據結果;(b)編號為 G6~G10 測試感測器元件之數據結果。...40.

表4-2 比較 ALS-avg.曲線與日視曲線之皮耳森相關係數。…....42.

表8-1 各種環境下的光強度變化程度。...51.

表8-2-1 說明資料庫參數建立的架構。...52.

(11)

圖目錄

頁次 圖1-1 明碁電通新平面電視之產品已開始採用環境光感測元件,據

悉為HP 之元件。...2.

圖1-2 Purkinje phenomenon:V(λ)曲線為適應白日環境下之人眼 視覺光譜,稱日視曲線(photopic efficacy, V(λ)),其感應峯 值在555nm 之綠光波長;S(λ)曲線為適應夜晚時,稱夜視 曲線 [scotopic efficacy, S(λ)] 峯值藍移至 510nm。PD 曲 線:矽感光元件特性;CdS 曲線為傳統硫化鎘光譜特性。...3.

圖2-1 標準 CIE 視感度曲線。...8.

圖2-2 人眼對三原色刺激值之感應強度。...10.

圖2-3 背光光源與彩色濾光片之分光特性圖。...10.

圖2-4 穿透式彩色濾光片之光譜(RGB Type)特性圖。...11.

圖2-5 反射式彩色濾光片之光譜(CMY Type)特性圖。...11.

圖2-6 半導體之中光產生電子-電洞對的形成。...13.

圖2-7 一微長度之中的光吸收。...14.

圖2-8 兩個吸收係數的光子強度對距離的圖形。...14.

圖2-9 數種半導體的吸收係數表示為波長的一個函數。...15.

圖2-10 光二極體的構造圖及能階圖(a)無光之狀態;(b)入射光時之

(12)

狀態;(c)開放電壓Vop及短路電流Ish。...17.

圖2-11 光入射於光二極體時之動作特性曲線,向負方向移動因入射 光而生的光電流量,A點為零偏壓的動作點,B點為逆偏壓 時的動作點。...18.

圖2-12 表示矽p-n接面太陽電池的結構圖形。...18.

圖2-13 (a)就長的或短的波長光照下,電子-電洞對的產生率隨著自 半導體表面的距離變化之關係;(b)太陽電池尺寸與副載體擴 散距離;(c)假設為陡形掺雜輪廓的太陽電池。...19.

圖2-14 對稱膜堆有交互為通道及截止帶變化的變化。...25.

圖3-1 測試感測器元件結構示意圖。...26.

圖3-2 模擬 IRC 加上 PD 光譜,所得之結果為 IRC+PD 曲線。...27.

圖3-3 模擬 GF 加上 PD 光譜,所得之結果為 GF+PD 曲線。...28.

圖3-4 將 ALS 標準化形成 ALS’,並與日視光譜曲線比較。...29.

圖3-5 說明不同波長及厚度之矽晶濾光膜(PF)傳遞百分率。...30.

圖3-6 沈積矽晶濾光膜(PF)在 PD 外層上,因而改變原始之 PD 與 ALS 曲線。...31.

圖3-7 改變矽晶濾光膜(PF)之厚度,其曲線峯值位移的變化。...32.

圖3-8 改變彩色濾光膜(GF)之厚度,其曲線的變化。...33.

圖3-9 說明本創意之匹配結果的例子。(此例主要為對準峯值) ….34.

(13)

圖3-10 說明本創意之匹配結果的例子。(此例主要為對準波形兩

側) ...35.

圖3-11 本創意求得之最佳相似於日視曲線之曲線 1102。……….36.

圖4-1 完成環境光感測元件之製作與封裝。...38.

圖4-2 不同尺寸大小之環境光感測元件。...38.

圖4-3 委託中山科學研究院量測之光譜響應感光度。(a)波長範圍設 定在360nm~960nm;(b)波長範圍設定在 400nm~800nm, 以放大檢視波峰位置之變化。...39.

圖4-4 將量測所得之十組光譜響應,加總後取平均並與日視曲線做 比較。...42.

圖5-1 A 公司之 B 產品的結構示意圖。...43.

圖5-2 A 公司之 B 產品的實體外觀圖。(a)Metal can 封裝方式; (b)不同需求之封裝。...44.

圖5-3 A 公司之 B 產品之光二極體及電流放大示意圖。...45.

圖5-4 A 公司之 B 產品的交流電路量測架構示意圖。...45.

圖5-5 A 公司之 B 產品的應用示意圖。...46.

圖8-2-1 概略說明所建立的資料庫參數。...52.

圖8-2-2 TFCalc 程式之物理系統模型。...53.

圖8-2-3 TFCalc 程式之環境參數視窗。...54.

(14)

圖8-2-4 膜堆方程式之對話視窗。...54.

圖8-2-5 說明前-表面膜層資料視窗。...55.

圖8-2-6 得到所設計之紅外線截止光學鍍膜光譜圖。...55.

圖8-4-1 The 1931 CIE Chromaticity Diagram...57.

圖8-4-2 The 1976 CIE Chromaticity Diagram...57.

(15)

第一章 研究目的與背景

近年來電視機逐漸流行大尺寸,其耗電量大增,某些機種之顯示 面板消耗能量幾達300 瓦之巨。夜晚觀看螢幕時,若不適當調整會 感覺太亮。此時不僅浪費能源,而且引起肉眼之不適。但若以人工按 鍵來調光又十分不便。

因此,目前之電視產品中常附設自動調光器(圖1-1),以克服上 述問題。光度之自動調整必須以人體視覺工學之數據為基礎,其中所 含感光元件之光譜必須具備近似人眼之視覺特性,方能有最佳效果。

目前本元件已有許多應用的市場,未來將更為擴大。當應用在 數位電子相機時,可自動調制快門得適當之曝光量,如傳統相機中之 硫化鎘(CdS)光敏阻體作用。然而應用在手機時,則可調制面板顯示 器之明暗亮度:夜晚時減弱亮度,以得舒適觀看及節省能源之效,並 得延長手機再充電時間之便利;白日則提高面板亮度,來增強與環境 之視對比,同時取消鍵盤之光源以達省電。當本元件應用在大尺寸之 監視器或電視機時,此效果將更明顯。

依市場調查對上述之應用之估計本元件在全世界之年用量不久 將達10億顆之巨。它除了提供舒適觀看外,也兼具省能及延長電池壽 命等綠色環保功效。

(16)

1-1 明碁電通新平面電視之產品已開始採用環境光感測元件,據悉為 HP 之 元件。(來源自 2005.06.01 中國時報)

有關人眼之視覺光譜如下圖 1-2 之 V(λ)及 S(λ)曲線所示:適 應白日環境下,人眼特性為日視曲線(photopic efficacy),其感應峯值 在555nm 之波長(綠光如 V(λ)曲線);夜晚時,此峯值則往藍色偏移 至510 nm 波長,如 S(λ)曲線然,稱為夜視曲線 (scotopic

efficacy)[1,2]。學理上,此效應稱 Purkinje phenomenon。V(λ)及 S(λ) 二曲線差距並不大,因此設計感光元件時,可依據應用器具的常用環 境,取其中之一或平均特性。

事實上,在傳統相機中早已有內建之硫化鎘(Cadmium Sulfide, CdS)光敏電阻,用為偵測環境光之強度之曝光錶。照相者用手調快 門及光圈,來擷取最麗質之照片。但CdS 光敏電阻在現代的數位電 子相機上已不合使用,原因在:

(17)

a. 一般商用 CdS 之感度不足,小於 1000 倍;

b. 相較電子相機之體積,CdS 元件太大;

c. CdS 不能與 IC 放大電路整合成單晶片元件,不利於小型化之 生產組裝;

d. 元件與 V(λ)曲線仍有相當差異(圖 1-2 之 CdS 曲線);

e. 含鎘元素有環境污染的缺點,各國已停止生產。

以上種種因素,使設計一類視覺感光IC,來配合目前相關光電產品 之需求十分急迫。

1-2 Purkinje phenomenon:V(λ)曲線為適應白日環境下之人眼視覺光譜,

稱日視曲線 (photopic efficacy, V(λ)) ,其感應峯值在 555nm 之綠光波長; S(λ) 曲線為適應夜晚時,稱夜視曲線 [scotopic efficacy, S(λ)] 峯值藍移至 510nm。

PD 曲線:矽感光元件特性;CdS 曲線為傳統硫化鎘光譜特性。

一般皆知,半導體元件中之 p-n 接合二極體皆具有感光作用,稱 之感光二極體(photodiode)。單晶矽之光二極體元件可與 IC 整合而成

(18)

單晶片元件(monolithic device),體積小、感度高、封裝容易且成本 低廉,更能利用回授控制或補償作用,達到自動調光之功效。因此之 故,晚近本元件在光電應用上已日漸普遍。但如圖 1-2 之 PD 曲線所 示,矽材質之一般光二極體其光譜反應與人眼之視覺曲線相差甚遠,

連CdS(CdS 曲線)都不如。其因在矽元件之能帶間隙為 1.1ev,此值 使其近紅外光領域(~950 nm)之感度最高;而該區波長在人眼則完全 無感應。特別是夜晚環境下兩者所得反應完全不同。

因此,用矽二極體感光元件來替代人眼是不正確的。如何設計來 改良矽光二極體之光譜反應曲線,使能達到與視覺曲線相符的特性,

技術上是有相當的難度。如何能以代工廠之低成本製作,而又得所希 望之感光元件特性即是本論文所關心而欲達成之目標。

簡言之,欲以標準 IC 製程,完成具有類似人眼視覺曲線效果之 感光IC,並能達到低成本之量產,以提供顯示器或照明器材產業應 用之自動調光,節省能源及舒適的視覺工學功能。

下表1-1 所示,為本元件在手機上應用所能達到的能源節省的調 查效果。其中極端之例,手機持有用者若夜間使用較頻繁時,再充電 之時間可延伸達5.6 倍,效果十分明顯。這點對手機使用者而言,不 僅方便且可增長電池壽命並省錢。同樣的效應會發生在耗電更多的大 型顯示器,省能源之效更加明顯。因此可以了解,本元件未來隨平面 電視、手機電視、及數位相機的成長,將更為業界所採用。

(19)

表1-1 手機應用本元件所能的節省電池能源的調查效果。

(20)

第二章 研究原理與構想

本章節為探討環境光感測元件之相關基礎理論,如視感度與色彩 原理介紹、光吸收與光吸收係數、光二極體原理、多層干涉膜原理,

唯有以基礎理論為出發點,方能設計出較正確且完整之元件。

2-1 視感度

人眼對光的頻譜反應被稱為luminosity functions。在人眼頻譜反 應特性方面,由於人類的視網膜(retina)有兩類光感受體,分別為數 目較多約有1.2×108個,且能有較好感度的視桿(rod);以及約有 6~7×106個,提供色彩感度的視錐(cone)。視錐有三種不同的色彩感 受體,其反應波段峰值分別落在445nm、535nm、575nm,而半寬 則約100~150nm[3]

視錐能充分發揮其功能之程度的明亮度大約為 2 [cd/m2]以上,稱 之為日視曲線(Photopic efficacy, V(λ) ),如圖 2-1 中之實線。單色光 進入眼睛時,其明亮度並非一定。雖然受等能量之光刺激,但是因波 長之不同,乃其對明暗的感覺並不一樣,而在波長555 nm 的黃綠色 之光,感到最明亮。若波長由此愈偏離,即明亮的感覺將愈減少,而 大約在波長380 nm 以下、780 nm 以上,則沒有任何響應。

背景輝度為 0.01 [cd/m2]以下的黑暗處場合,稱為夜視曲線 (Scotopic efficacy, V'(λ)或 S(λ) ),如圖 2-1 中之虛線,其主要以視桿 作用之。視桿的感度於波長507 nm 處為最大,而在短波長側之感度 較高,但無色感。從夜視曲線移行至日視曲線的薄日視時,對紅色現 象看得較暗,對藍色現象看得較亮,而稱之為普耳金耶現象(Purkinje

(21)

phenomenon) [4]。如圖2-1 所示。

國際照明委員會(CIE)在 1942 年對視錐的反應訂出的標準反應 函數,被稱為 photopic luminous function。另外 CIE 在 1951 年對視 桿視覺訂出另一個標準函數,被稱為scotopic luminous function。如 表2-1 所示,為標準 CIE 視感度量測數值。圖 2-1 為標準 CIE 視感 度曲線。

2-1 Spectral Luminous Efficiency for the Standard CIE Observer。[5]

Wavelength λ nm

Photopic vision V(λ)

Scotopic vision V'(λ)

380 0.000039 0.000589

390 0.000120 0.00221

400 0.000396 0.00929

410 0.00121 0.0348

420 0.00400 0.0966

430 0.0116 0.1998

440 0.0230 0.328 450 0.0380 0.455 460 0.0600 0.567 470 0.0910 0.676 480 0.129 0.793 490 0.208 0.904 500 0.323 0.982 510 0.503 0.997 520 0.710 0.935 530 0.862 0.811 540 0.954 0.650 550 0.995 0.481 560 0.995 0.329 570 0.952 0.208 580 0.870 0.121

590 0.757 0.0655

600 0.631 0.0332

(22)

610 0.503 0.0159

620 0.381 0.00737

630 0.265 0.00334

640 0.175 0.00150

650 0.107 0.000677

660 0.0610 0.000313

670 0.0320 0.000148

680 0.0170 0.0001715

690 0.00821 0.0000353

700 0.00410 0.0000178

Note: The table lists luminous efficiency values only from 380 to 700 nm in 10-nm steps. Complete values in 1-nm steps are available in Wyszecki & Stiles, (1982) and CIE Publication No. 18 (E-1.2) for photopic vision (from 380 to 830 nm) and in CIE Compte Rendu, 12th Session, Stockholm, 1951, Vol. III,

pp.32-40, for scotopic vision (from 380 to 780 nm). [5]

0%

20%

40%

60%

80%

100%

350 400 450 500 550 600 650 700 750

Wavelength (nm)

Spectral Luminous Efficiency

Photopic Scotopic

2-1 標準 CIE 視感度曲線。

(23)

2-2 色彩原理[6]

在物理學上,當光波長(wave length)位於 400~700 nm 之間時,

會因波長的不同而顯示不同的色彩。對人類而言,色彩是一種生理刺 激值,人眼之所以能辨識顏色,是因為人眼細胞中含有長波長感應細 胞ρ、中波長感應細胞γ、及短波長感應細胞β。這三種細胞的光波 長頻率感應波長峰值分別接近紅色光(R)、綠色光(G)、藍色光(B)。

當不同顏色的物體光進入人眼時,這三種細胞的感應強度將隨物體的 光頻譜分佈差異(顏色不同)而改變。如圖 2-2 所示,藍色物體在短波 長380~500 nm 有較大的反射率,短波長感應細胞β將有較強的感應 強度;綠色物體在中波長500~570 nm 有較大的反射率,中波長感應 細胞γ會有較強的感應強度;紅色物體則在長波長580~650 nm 有較 大的反射率,長波長感應細胞ρ會有較強的感應強度。

人眼就是依這三種細胞的感應強度不同來辨識物體的顏色,顯示 器模擬人眼視覺效應,把物體顏色用不同強度的紅色光(R)、綠色光 (G)、藍色光(B)強度來顯示各種顏色。雖然顯示器色彩光波長頻譜分 佈和原來物體的光波長頻譜分佈無法相同,但人眼視覺有同色異譜現 象,所以雖然光波長頻譜不同,只要人眼視覺感應細胞所感受到的強 度相同,人眼仍會認為它們的色彩是一樣,亦即人眼無法將物體混合 成的色彩成份(色彩光波長頻譜分佈)加以解析,因此不論光波長頻譜 分佈是否相同,只要人眼色彩感覺相同,就認為是一樣的顏色。

彩色濾光片即是提供顏色之色相值,再加上外界反射光或者是由 背光模組提供光源,即可對人眼形成刺激值,觀察者大腦即可依不同

(24)

之刺激值,解讀出多采多姿之色彩。如圖2-3 背光光源與彩色濾光片 之分光特性圖。

2-2 人眼對三原色刺激值之感應強度[6]。

2-3 背光光源與彩色濾光片之分光特性圖[6]。

目前用於穿透式(Transmissive)彩色濾光片是運用色彩學理論之

(25)

加法原理,以光之三原色,紅、綠、藍為基礎色光,將各色之能量相 加,眼睛感受到相加成之光譜。例如紅光、綠光混合得到黃光,紅光、

綠光與藍光混合得到白光。反射式(Reflective)彩色濾光片則是使用減 法原理,由紫紅(M)、黃(Y)、青(C)三原色之補色組成,因反射式 LCD 光線需穿透彩色濾光片兩次,故一般使用減法原理以提高亮度。穿透 式彩色濾光片之光譜與特性如圖2-4 (RGB Type),反射式彩色濾光 片如圖2-5 (CMY Type) [6]

2-4 穿透式彩色濾光片之光譜(RGB Type)特性圖[6]。

2-5 反射式彩色濾光片之光譜(CMY Type)特性圖[6]。

(26)

2-3 光吸收與光吸收係數[7,8]

將光波視為粒子來處理,這種粒子稱為光子(photon)。而其光子 能量是

E

=

h ν

,其中

h

是普朗克常數,

ν

是頻率。經由下式將波長與 能量予以聯結起來

E E

hc V

c

= = 1.24

λ

= (µm) (2.2.1)

其中

E

是光子的能量,其單位是eV;而 c 是光速。

有許多存在於光子-半導體之間的交互作用的可能性。例如光子 可以與晶格交互作用,而光子的能量會被轉換為熱量。不論是施體或 受體的雜質原子,光子也可以與其做交互作用,或者它們也可以與半 導體之中的缺陷交互作用。而最感興趣的基本光子交互作用過程乃是 與價電子之間的交互作用。當光子與價電子撞擊時,可能會有足夠的 能量授予電子,並且將電子提升進入傳導帶之中。這種過程會產生電 子-電洞對,並製造過量的載子濃度。

光子吸收係數:

當半導體被光線照射時,光子可能會被吸收,或者它們也有可能 會傳播通過半導體,這是由光子的能量以及能帶隙的能量

E

g 所決定

的。如果光子的能量小於

E

g ,則光子並不容易被吸收。在這種狀況 之下,光線會傳播通過材料,而半導體則如同是透明的。

(27)

2-6 半導體之中光產生電子-電洞對的形成[7,8]。

如果

E

=

h ν

>

E

g ,光子可以與價電子交互作用,並且將電子提 升進入傳導帶之中。價帶之中包含許多電子,而傳導帶則包含許多空 置狀態,因此當

h ν

>

E

g 時,發生這種交互作用的機率相當高。這種 交互作用會在傳導帶之中產生一個電子,並在價帶之中產生一個電 洞:即電子-電洞對。圖 2-6 中顯示對不同

h ν

值的基本吸收過程。當

ν

h

>

E

g 時,會產生一組電子-電洞,而多餘的能量可以使用電子或電 洞具有額外的動能,並在半導體之中會以熱量的形式發散掉。

光子通量強度是以符號 I

( ) x

來表示,單位是能量/cm2-sec。圖 2-7 中所示,在位置

x

處的入射光子的強度,以及在

x + dx

處射出的 光子通量。在單位時間之內,在距離

dx

之中所吸收的能量是

α I ( ) x dx

(2.2.2) 其中

α

是吸收係數(absorption coefficient),單位是 cm-1。吸收係數 是在每單位距離之內被吸收的光子的相對數目。

由圖2-7 所示,可寫出

( ) ( ) ( ) dx ( ) x dx dx

x x d

dx

x

I I I

I + − = ⋅ = −

α

(2.2.3) 或

(28)

( ) ( ) x dx

x

d I = − α I

(2.2.4)

若起始條件是

I ( ) 0 = I

0,則所得的解答是

I ( ) x = I

0

e

αX (2.2.5) 光子通量的強度會隨著通過半導體材料的距離而呈現指數地下降。

圖2-8 中顯示在兩個一般性的吸收係數值時的光子強度表示為

x

的 一個函數。如果吸收係數很大,光子會在一段相當短的距離之內被吸 收。

圖 2-7 一微長度之中的光吸收 圖 2-8 兩個吸收係數的光子強度對距離的圖形 [7,8] [7,8]

半導體之中的吸收係數是光子能量及能帶隙能量的一個非常強 烈的函數。圖 2-9 是在數種半導體材料之中,光吸收係數

α

的波長函 數圖形。當

h ν

>

E

g 或當

λ

<1.24/

E

g 時,吸收係數會非常快速地 上升。當

h ν

<

E

g 時,吸收係數會非常小,因此在這個能量範圍之 內,半導體對光子如同是透明般[7,8]

(29)

2-9 數種半導體的吸收係數表示為波長的一個函數。[7,8]【引用 Shur[9]】

2-4 二極體原理 2-4-1 光二極體[4]

光電裝置可分成兩個方面,一方面是光產生裝置,像是發光二極 體和雷射;和另一方面是光感測裝置,像是光感電晶體、電荷耦合裝 置 (charge-coupling devices, CCDs) 和光二極體。如下說明為光二 極體的結構及在分光譜測量和輻射測定中的行為[10]

假若能取出某程度的電流與功率的廣面積者為太陽電池(solar

(30)

cell),而僅以光之檢出為目的之小電流的小型者為光二極體

(photodiode)。兩者均利用在 p-n 接面處所產生的光起動勢。利用光 入射於金屬與半導體,或P 型半導體與 n 型半導體的接合面時,所 產生的光起動勢之檢出器,其金屬使用銅(Au),而半導體為矽(Si)或 砷化鎵(GaAs)等。

如圖 2-10a 所示,為無光入射時之 p-n 接面處狀態,並為熱平衡 狀態,故其p 層與 n 層的費米爾能階(Fermi level)為一致,而在空乏 層產生電位梯度。

如圖 2-10b 所示,在接面處近偏照射光時,電子被激發而上昇至 傳導帶,並成為自由電子。又電子移動後有電洞殘留。由於p 層與 n 層的電位差,使電子向n 層,而電洞向 p 層擴散,結果,電子積蓄在 n 層,而電洞即積蓄在 p 層,乃產生 p 層與 n 層的費米爾準位(能階) 差,使介面兩端產生電壓,此為光起動勢。其電壓於因電子與電洞之 電位梯度所產生的擴散,與因濃度而生的擴散相互平衡之處,成為飽 和,而該飽和電壓,稱為開路電壓。

如圖2-10c 所示,當連接外部電路而短路 p 層與 n 層,而欲強制 使費米爾準位一致,即因光而產生的電子將均流出外部,而電洞就與 流入的電子再結合,該電流稱之為短路電流。

所以,因光而產生的電壓,稱為光電壓,電流稱為光電流。由於 光電壓會飽和,故與入射光的強度不成比例,而為非線性響應,而短 路外部時的光電流,即比例於光強度,並有線性響應。

p-n 接面型的二極體有光入射時之動作特性曲線,是將ㄧ般之二

(31)

極體的特性曲線,在電流軸方向平行移動相當於所產生的光電流之 量。光電流的流動方向與二極體使用為整流之場合的電流方向相反,

故光入射時之特性曲線,如圖2-11 所示。由圖可知,若向電流軸的 負方向平行移動,而其移動量即比例於所入射之光的強度[4]

圖2-10 光二極體的構造圖及能階圖 (a)無光之狀態 (b)入射光時之狀態 (c)開路電壓Vop及短路電流Ish[4]。

(32)

圖2-11 光入射於光二極體時之動作特性曲線,向負方向移動因入射光而生的光 電流量,A點為零偏壓的動作點,B點為逆偏壓時的動作點[4]。

2-4-2 p-n 接面太陽電池的基本元件特性[11,12]

如圖 2-12 所示為典型的太陽電池元件結構。包括表面的淺 p-n 接面,前面接觸的柵條,涵蓋整個底部的背部接觸,以及表面的抗反 射層等。

圖2-12 表示矽p-n接面太陽電池的結構圖形[11,12]。

當波長為λ的單色光照射到表面時,可根據下列關係導出光電流

(33)

與光譜響應,後者為單一波長的每個入射光子作用下能收集到的載體 數目。由半導體表面算起距離為

x

處,電子-電洞對的產生率示於圖 2-13a,並可寫為

G ( ) ( ) ( ) λ , x = α λ F λ [ 1 R ( ) λ ] exp [ α ( ) λ x ]

(2.3.1) 其中α(λ)為吸收係數,F (λ)為每單位波寬入射光子/cm2/s 的數目,

而R(λ)表示這些光子自表面反射的比例。

圖2-13 (a)就長的或短的波長光照下,電子-電洞對的產生率隨著自半導體表面 的距離變化之關係;(b)太陽電池尺寸與少數載子擴散距離;(c)假設為陡形掺雜

輪廓的太陽電池[11,12]。

(34)

假設在低注入條件下,對 p 型半導體的電子而言,一度空間的穩 態連續方程式可寫為:

1 0 G

n

− + =

dx

dJ q n

n

n

n po p

τ

(2.3.2)

n 型半導體的電洞連續方程式為

1 0 G

p

− − − =

dx dJ q n

n

p

p no

n

τ

(2.3.3)

又電流密度方程式為

dx qD dn n

q

J

n

= µ

n p

ξ +

n p (2.3.4)

dx qD dn n

q

J

p

= µ

p n

ξ −

p n (2.3.5)

對於接面兩邊為固定掺質濃度的陡形 p-n 接面太陽電池而言,如 圖2-13b 與 c,則在空乏區外面沒有電場存在。就前面為 n 型與底部 為p 型的 n 在 p 上接面情況而言,可組合(2.3.1)、(2.3.3)與(2.3.5) 以求出接面上邊的表示方程式為:

( 1 ) ( exp ) 0

2

2

− =

− +

p no n

n p

p x p

R dx F

p D d

α τ

α

(2.3.6)

上式的一般解為:

( ) ( ) ( ) ( ) x

L R L F

x B

L x A

p p

p p p

p no

n

α

α

τ

α −

− − +

=

− exp

1 sinh 1

cosh

2 2 (2.3.7)

其中

L

p

= ( D

p

τ

p

)

12為擴散距離。此處可利用兩個邊界條件;在表面

(35)

上,為以表面速度

S

p的表面結合作用:

(

n no

)

p

(

n no

)

p

S p p

dx p p

D d − = −

x = 0

(2.3.8)

在空乏區邊緣,由於空乏區的電場使過量載體密度變得很小:

≅ 0

no

n

p

p

x = x

j (2.3.9) 將邊界條件代入式(2.3.7),則電洞密度為:

( )

( )

⎢ ⎣

= −

− 1

1

2 2 p p

no

n

L

R p F

p α

τ α

+

+

+

+

×

x

p j p

j p

p p

p p

p p p x

p j p

p p p

e L

L D

L S

L L

D L e S

L L D

L

S

j

α α

χ χ

χ χ χ

α χ

cosh sinh

cosh sinh

sinh

(2.3.10)

以及在空乏區邊緣造成的電洞光電流密度為:

( )

( )

=

= 1

1

2 2 p p

x n p

p

L

L R qF

dx qD dp

J

j

α

α

+

+

+

×

j j

x p

p j p

j p

p p

p j

p j

p p p x p

p p p

e L L

x L

x D

L S

L x L

x D

L e S

D L L S

α α

α α

cosh sin

sinh cosh

(2.3.11)

假設在n 在 p 上接面太陽電池的上面區域為均勻的活期、移動率與掺 質濃度,則已知入射波長下可在表面收集到光電流。

從電池背面欲計算收集的電子光電流時,可利用式(2.3.1)、(2.3.2) 與(2.3.4)並配合邊界條件:

≅ 0

po

p

n

n

x = x

j

+ W

(2.3.12)

(36)

( n n ) D dn dx

S

n p

po

= -

n p

x = H

(2.3.13) 其中

W

為空乏層寬度與

H

為整個電池的寬度。式(2.3.12)說明在空 乏層邊緣的過量少數載子密度近乎為零,而式(2.3.13)為背面的結合 作用發生於歐姆連接處。

利用這些邊界條件,則在均勻掺質的 p 型基極之電子分佈為

( ) [ ( ) ] [ (

W

) ]

n j j

n po

p

e

j

L W W

L R n F

n

⎩ ⎨

⎧ ⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ − − +

− −

=

− χ χ

α χ χ

χ α α

τ

α exp cosh 1

- 1

2 2

( ) [ ( ) ( ) ] ( )

( ) ( )

⎜ ⎞

⎝ + ⎛

+ +

− −

n n

n n n

H n n

n n

n n

H L L

H D

L S

e L L

H H

L H D

L S

cosh ' '

sinh

' sinh '

exp '

cosh α α

α '

⎭ ⎬

⎟⎟ ⎫

⎜⎜ ⎞

⎛ − −

×

n j

L χ W

sinh χ

(2.3.14)

而且光電流係由於電子在空乏層收集邊緣,

x = x

i

+ W

,為

( ) [ ( + ) ] × {

= −

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

= ⎛

+

n j

n

n W

x p n

n

x W L

L

L R qF

dx qD dn

J

j

α α α

α exp 1

1

2 2

( ) [ ( ) ( ) ] ( ) ( )

( ) ( )

⎪⎪ ⎬

⎟ ⎠

⎜ ⎞

⎝ + ⎛

− +

+

n n

n n n

n n

n n

n n

H L L

H D

L S

H L

L H H

L H D

L S

cosh ' '

sinh

' exp

' sinh '

exp '

cosh

α α α

(2.3.15)

其中

H

'示於圖 2-13b 為 p 基座中性區域的厚度。式(2.3.15)係假設基 座區域的活期,移動率和掺質濃度為均勻不變時導出的。若這些參數 隨著

x

軸變化,則必須使用數值分析法求其解。

同樣地,在空乏層區域內也會產生一些光電流。ㄧ般而言,這個 區域裡的電場非常高,光產生的載體在結合以前均被加速通過此空乏

(37)

( R ) ( x ) [ ( W ) ]

qF

J

dr

= 1 − exp − α

j

1 − exp − α

(2.3.16) 對於固定波長的全部光電流,則為式(2.3.11)、(2.3.15)與(2.3.16) 的相加總和:[11,12]

( ) λ J ( ) λ J

n

( ) λ J

dr

( ) λ

J =

P

+ +

(2.3.17)

2-5 干涉型截止濾光片之對稱膜堆[13]

在此節所描述之對稱膜堆是一個多層膜堆。由其中間看向左右兩 邊之膜層是一樣的膜堆。例如ABCBA 或 ABCDCBA 等。最簡單的 對稱膜堆為三層式ABA。

[ ] [ ] [ ] [ ]

M = A B A

⎥⎦

⎢ ⎤

22 21

12 11

m m

m m

= ⎥⎥

⎢⎢

A A

A

A A A

cos sin

i

i sin cos

δ δ

η

η δ δ

⎥⎥

⎢⎢

B B

B

B B B

cos sin

i

i sin cos

δ δ

η

η δ δ

⎥⎥

⎢⎢

A A

A

A A A

cos sin

i

i sin cos

δ δ

η

η δ δ

由膜堆矩陣特性之一為行列式等於1,所以

1

C det B det A det M

det = =

又其任一對稱膜堆

M

sym,可視為一膜堆

A

及其倒序膜堆

A

rev之合。

M

sym=

A

A

rev

⎥⎦

⎢ ⎤

⎥⎡

⎢ ⎤

=⎡

11 21

12 22 22 21

12 11

sym iA A

iA A

A iA

iA M A

(38)

⎥⎦

⎢ ⎤

= −

12 21 22 11 21

22

12 11 21

12 22 11

A A A A A

2iA

A 2iA A

A A A

m

11

= m

22,可見對稱膜堆之主對角線的值相同,即

22 B

A B

A A B B

A

11

sin 2 sin m

2 cos 1

2 cos

m ⎟⎟ =

⎜⎜ ⎞

⎛ +

= δ δ

η η η δ η

δ

(2.4.1)

[

B

]

A B B A B

A B

A A B B

A A

12

sin

2 sin 1 2 2 cos

cos 1 2 i sin

m δ

η η η δ η

η δ η η δ η

η δ ⎟⎟

⎜⎜ ⎞

⎛ −

⎟⎟ +

⎜⎜ ⎞

⎛ +

+

=

(2.4.2)

[

B

]

A B B A B

A B

A A B B

A A

21

sin

2 sin 1 2 2 cos

cos 1 2 sin i

m δ

η η η δ η

η δ η η δ η

δ

δ ⎟⎟

⎜⎜ ⎞

⎛ −

⎟⎟ −

⎜⎜ ⎞

⎛ +

+

=

(2.4.3)

可知m11與m22為實數而 m12與 m21為虛數,且m11=m22。因此 可視對稱膜堆為一等效單層膜,其等效折射率為

E

(有時稱為 Herpin index),等效相厚度為γ。亦即

22

11

cos m

m = γ =

(2.4.4)

γ E sin

m

12

= i

(2.4.5)

γ sin iE

m

21

=

(2.4.6)

12 21

m E = m

(2.4.7)

對於對稱膜堆有下列幾項特性:

1. 如果膜層多於三層時,可先從中間三層化成一等效層,然後將此 等效層及其左右兩膜層再構成一新的等效層,同樣的步驟,最終 可得到一層等效膜層。

(39)

例如:

A B C D E D C B A = A B C E' C B A

= A B E'' B A

= A E''' A

= M

2. 假設對稱膜堆有

S

週期,則新的等效膜層折射率仍為

E

,相厚度 為

S

γ 。即:

[ ]

=

=

γ γ

γ γ

γ γ

γ γ

cosS S

sin iE

S Esin S i

cos cos

sin iE

Esin cos i

M S

S

(2.4.5)

3. 由於│m11│>1 時,

E

及γ 為虛數,表示只要膜層夠多,這波域為 截止帶,即反射率很高。相反的當│m11│<1 時,

E

及 γ 為實數,

表示此波域為透射帶。

因此,可知對稱膜堆隨 λ λ0

=

g 之變化而有通帶、截止帶的交互變 化。如圖2-14 所示。

2-14 對稱膜堆有交互為通道及截止帶變化的變化[13]。

所以對稱膜堆為截止濾光片的基本結構。在通帶區,

E

及γ 為實 數,只要膜堆型式寫出,我們就可以算出其值[13]

(40)

第三章 進行方法與模擬

本章節為嘗試各種匹配於人眼日視曲線之模擬:改變多層光學鍍 膜厚度、彩色濾光膜塗佈厚度、矽薄膜沈積厚度。最佳化相似之結果:

利用皮耳森相關係數法,得出與人眼視覺之日視曲線的相似度。最後 將環境光感測元件做系統整合。

3-1 創意之元件結構

如圖 3-1 所示,為本元件之結構表示圖。如下分別說明在光二極 體(Photodiode, PD)上,加上紅外線截止(infrared-cutoff, IRC)光學鍍 膜、綠色濾光膜(Green Filter, GF),觀察頻譜響應是否與日視曲線(即 V(λ), 曲線 102)相似。

3-1 測試感測器元件結構示意圖。

1. 紅外線截止(infrared-cutoff, IRC)光學鍍膜+光二極體 (Photodiode, PD):

矽光二極體(silicon photodiode)的紅外線靈敏度是使用紅外線截 止(infrared-cutoff, IRC)光學鍍膜之單邊截止(曲線 202)。紅外線截止 光學多層鍍膜技術實行,以廣泛地在現代化鏡片工業中使用。

圖3-2 所示,為曲線 202 之紅外線截止(IRC)光學鍍膜的傳遞在

(41)

645 nm 處被截止邊緣。當此塗佈放置在矽光二極體(曲線 108)表面 上時,結果如同曲線204 的靈敏度光譜(編號 IRC+PD 曲線)。雖然此 紅外線截止光學鍍膜檢光裱對所看不見的紅外光沒有任何的感光 度,所產生的靈敏度光譜仍與人眼視覺曲線(即 V(λ), 曲線 102)不相 似。

3-2 模擬 IRC 加上 PD 光譜,所得之結果為 IRC+PD 光譜曲線。

2. 綠色濾光膜(Green Filter, GF)+光二極體(Photodiode, PD):

在圖3-3 中,藉由結合特殊的綠色濾光膜(如曲線 302 所示)與裸 矽光二極體,而得到相似於人眼視覺曲線102 之光譜形狀,此結果 如圖3-3 所示之曲線 304 之光譜靈敏度。

這種由日本富士軟片(FUJIFILM)公司[14]或是美國Brewer Science 公司[15]製造的濾光膜可廣泛利用與使用在電子之電壓耦合 元件(charge coupling devices, CCD)或互補型金屬氧化半導體 (complementary metal oxide semiconductor, CMOS)與綠色檢光裱

(42)

所構成的影像感應器中。這種綠色濾光膜的光譜形狀如曲線302 所 示,其接近人眼視覺的日視曲線之峯值在波長為555 nm 處。

3-3 模擬 GF 加上 PD 光譜,所得之結果為 GF+PD 曲線。

然而,幾乎每種的綠色濾光膜在紅外線的波長中是可穿透的。因 此,儘管在可見光的範圍內使形狀相似於日視曲線之綠色濾光膜組成 的光二極體,對於環境光感測的用途其仍非有效的抑制紅外線傳遞。

3-2 模擬分析 CASE--1

在圖3-4 中,完成修改之矽光二極體其接近相似於日視曲線形狀 之方法為結合上述的二個濾光膜,即紅外線截止光學多層鍍膜和綠色 濾光膜,所以兩者會消除彼此的缺點。如圖3-4 所示之 ALS(曲線 402) 為上述的二個濾光膜放置在矽光二極體上之響應光譜結果。

(43)

將ALS 曲線標準化形成 ALS'(曲線 404),使其為一致。並且我 們了解所抑制的表現相當類似於日視曲線(曲線 102)的形狀。當調整 些許綠色濾光膜的厚度,它幾乎完全地相似於日視曲線之光譜峯值的 藍光側壁,而在紅光側壁則有一些差異。此緊密地匹配優於目前市場 上大部份商業產品之環境光感應器(Ambient Light Sensor, ALS),且 確實比傳統硫化鎘(Cadmium Sulfide, CdS)檢波器(圖 1-2,曲線 106) 好很多。

3-4 將 ALS 標準化形成 ALS’,並與日視光譜曲線比較。

因此,使用低成本的矽光二極體,藉由適當波長的紅外線截止光 學多層鍍膜來截止波長的邊緣和適當厚度的綠色濾光膜,能把矽質感 測器的光譜靈敏度形狀轉變成接近相似於人眼類視覺的日視曲線。此 獨特方法對於本論文之環境光感測是非常有用。

(44)

CASE--2

在圖3-5 所示,為不同的波長和厚度之多晶矽或單晶矽的矽薄膜 (Poly-silicon Filter, PF)傳遞百分率。可以從曲線了解到長波長比短波 長之薄膜更加容易穿透。這完全由於矽材料之大量吸收短波長之光 源。此描述矽材料的光吸收特性如同吸收濾光膜般抑制短波長。

3-5 說明不同波長及厚度之矽晶濾光膜(PF)傳遞百分率。

此濾光膜特性亦成為我們所利用的目的:製造出更好的環境光感 測器,因為多晶矽方便於矽鑄造廠的製程中得到。

當然,矽薄膜的藍光抑制特性如同吸收濾光膜般同樣地存在於所 有其他半導體材料中,像鍺或矽-鍺,且我們的藍光過濾的效果也能 取代矽材。

CASE--3

在圖3-6 中,曲線 602 為多晶矽薄膜沈積於矽光二極體上的效

(45)

應,將適當的紅外線截止光學鍍膜和綠色濾光膜組成而放置在矽光二 極體之上於圖3-4 之曲線 404 所示。

當加上裸矽時,能了解到光譜靈敏度在較短之藍光波長處更為傾 斜,如曲線602 所示;當其沈積在元件上時,使檢光裱響應峯值的 藍光側壁消減且紅光側壁變胖之結果,峯值稍微地被位移到較長之波 長處,如曲線604 所示。

3-6 沈積矽晶濾光膜(PF)在 PD 外層上,因而改變原始之 PD 與 ALS 曲線。

這種輕鬆將峯值位移的效果是非常有用而且使我們能進一步地 修改檢光裱響應光譜,其表現更加接近如圖 1-2 中之曲線 102 的日視 效應,因為此綠色濾光膜是目前在市場上得到唯一接近日視曲線555 nm 光譜峯值。綠色濾光膜是聚合物材料與綠色染料混合而成的。描 述其化學成分之光譜特性是無變化的。幾乎所有商業的綠光濾光膜產

(46)

品所得其峯值大約在540 nm,如圖 3-3 之曲線 302 所示,非準確地 在我們需要的日視感測器之峯值555 nm 處。因此檢光裱峯值波長的 微調能力,對我們此發明之目的是非常重要的。

圖3-6 所示之微調的結果:曲線 604 說明沈積厚度為 0.25 微米 的多晶矽薄膜將峯值波長位移至紅光且同時將光譜的紅光側壁變 胖。此極佳地補償曲線404 之不足的紅光響應。

CASE--4

在圖3-7 中,依照半導體材料所發表出版的資料,利用多晶矽薄 膜厚度的改變,決定檢光裱響應光譜的塑造(修整)和位移程度。

3-7 改變矽晶濾光膜(PF)之厚度,其曲線峯值位移的變化。

當固定綠色濾光膜的厚度,分別塗佈厚度250 nm 與厚度 1000 nm 的多晶矽薄膜在矽光二極體上,如圖 3-7 所示,其厚度較薄的光

(47)

譜曲線(曲線 702)峯值與厚度較厚的光譜曲線(曲線 704)峯值相比 較,來得更接近人眼日視曲線(曲線 102)。這些薄膜厚度容易在一般 的半導體鑄造廠或實驗室中製作。

CASE--5

然而在圖 3-8 所示,利用綠色濾光膜厚度的改變,也有塑造(修

整)響應光譜的胖瘦和峯值的效果。

3-8 改變彩色濾光膜(GF)之厚度,其曲線的變化。

當固定多晶矽薄膜的厚度,分別塗佈厚度500 nm 與厚度 750 nm 的綠色濾光膜在矽光二極體上,如圖3-8 所示,較薄的綠色濾光膜使 光譜曲線變成更胖且將峯值紅移,如同曲線 802;而較厚的則使光譜 曲線可較為苗條(微薄)且將峯值藍移,如同曲線 702。

CASE--6

在圖3-9 中,為修正矽光二極體對日視效應之匹配最佳化選擇,

(48)

學生嘗試訂立模擬規則為:首要順序為利用多晶矽薄膜厚度來匹配 (對準)峯值;次要順序則為利用綠色濾光膜來調整靈敏度光譜的胖 瘦。

圖中所示為一些我們匹配的結果例子。在這些曲線之中其最佳地 匹配是曲線902,其為使用厚度 100 nm 的多晶矽薄膜和 820 nm 厚 度的綠色濾光膜。而所有模擬之邊緣645 nm 處皆由紅外線截止所致。

3-9 說明本創意之匹配結果的例子。(此例主要為對準峯值) CASE--7

在圖3-10 中,為修正矽光二極體對日視效應之匹配最佳化選 擇,學生嘗試訂立模擬規則為:首要順序為利用綠色濾光膜來調整靈 敏度光譜的胖瘦;次要順序則為利用多晶矽薄膜厚度來匹配(對準)靈 敏度光譜峯值。

圖中所示為一些我們匹配的結果例子。在這些曲線之中其最佳地

(49)

匹配是曲線1004,其為使用厚度 300 nm 的多晶矽薄膜和 750 nm 厚 度的綠色濾光膜。而所有模擬之邊緣645 nm 處皆由紅外線截止所致。

3-10 說明本創意之匹配結果的例子。(此例主要為對準波形兩側)

3-3 最佳化結構與相似度

利用上述幾個模擬的案例,我們可以得到最佳化之結構。於圖

3-11 中所示,這些曲線之中其最佳化匹配是曲線 1102,其截止邊緣 645 nm 處為紅外線截止光學鍍膜所致,將厚度 100 nm 的多晶矽薄 膜和厚度740 nm 的綠色濾光膜塗佈覆蓋在矽光二極體的外表面上。

最後模擬得到最佳化之結構。

(50)

3-11 本創意求得之最佳相似於日視曲線之曲線 1102。

最後所得結論:使用多層膜塗佈來抑制裸矽光二極體的紅外線靈 敏度;使用彩色濾光膜塗佈主要為提供改善檢光裱響應光譜的肥胖能 如日視曲線般之外形;使用多晶矽或單晶矽之矽薄膜沈積,能因綠色 濾光膜的光譜不變性限制,使光譜響應峯值朝向更長之波長作微小位 移,因此能達到更接近人眼視覺之日視曲線的相同匹配。

我們可由表3-1、表 3-2 得知,本創意能明顯的改善其匹配結果 及模擬所得最佳相似度之最終參數數據。紅外線截止光學鍍膜與綠光 彩色濾光片皆必須顯露於光二極體之上,方使得皮耳森係數r 之相似 度在90%以上。附加之多晶矽薄膜塗佈,在此也顯而易見其相似平 滑度可改良於99.7%以上。

(51)

3-1 以日視曲線為標準之皮耳森相關係數(相似度)。

Detectors Curve no. Pearson coefficient r ,or, the similarity

Photopic 102 100.00 %

Scotopic 104 51.49 %

Si_PD+GF 304 -17.97 % Si_PD+IRC 204 79.93 % Si + IRC + GF 402 98.62 % (Si+Pf) + IRC + (GfTh) 1102 99.73 %

(Si+Pf2) + IRC + (GfTh2) 1002 99.71 % (Si+Pf3) + IRC + (GfTh3) 1004 99.78 %

3-2 最佳相似度之最終參數資料。

Simulation Tool for Photodiode, Base=Anode (p), Collector=Cathode (n) Symbol Units Data Name

Ln cm

1.60E-03

Electron diffusion length in the base layer (=sqrt(Dn*Taon))

Lp cm

4.00E-03

Hole diffusion length in the collector layer (=sqrt(Dp*Taop))

Dn cm^2/s

2.6

Electron diffusion constant in the base layer (=un*K*T/e)

Dp cm^2/s

10.7

Hole diffusion constant in the collector layer (=up*K*T/e)

Sb cm/s

5.00E+04

Base (P-type) surface recombination velocity Sc cm/s

5.00E+04

Collector (N-type) surface recombination velocity wb cm

3.00E-04

Base (p/n) junction depth

wc cm

1.00E-02

Bulk depth (Collector depth) jw cm

0.00002

Depletion width Pf_Thick cm

0.00001

Poly-Filter thickness Gf_Thick cm

0.000074

Green color Filter thickness Pf2_Thick cm 0.00002 Poly-Filter thickness Gf2_Thick cm

0.000065

Green color Filter thickness Pf3_Thick cm 0.00003 Poly-Filter thickness Gf3_Thick cm

0.000075

Green color Filter thickness

(52)

第四章 實驗數據與結果

於前章節的模擬後,我們在此節將測試元件製作出來。在彩色濾 光膜與紅外線截止光學多層鍍膜方面,我們委託專業光學廠-B 光電 股份有限公司,模擬出紅外線截止光學多層鍍膜為36 層可符合使用 之結果;在光二極體製作與封裝方面,我們委託-C 科技公司,以標 準製程製作,如圖4-1 所示。

4-1 完成環境光感測元件之製作與封裝。

如圖 4-2 所示,其外形尺寸約為直徑 5 mm 與 10 mm 兩個種類,

而鍍膜部分尺寸為3mm×3mm。

4-2 不同尺寸大小之環境光感測元件。

(53)

實驗數據的取得,委託中山科學研究院 (Chung-Shan Institute of Science and Technology, CSIST)測量出實驗數據。共製作 10 顆 測試光感測器元件,資料分別為G1~G10。當時測量之光源為汞氙 燈,量測之波長範圍設定為360 nm~960 nm,所得其光譜如圖 4-4(a)、(b)所示,所得之實驗數據如表 4-1(a)、(b)所示。

(a)波長範圍設定在 360nm~960nm。

(b)將波長範圍設定在 400nm~800nm,以放大檢視波峰位置之變化。

4-3 委託中山科學研究院量測之光譜響應感光度。

參考文獻

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