32_光电信息转换集成器件

光电位置敏感器件（PSD）是一种基于光生伏特效应，对其感光面上入射光点位置敏感的光电器件。即当入射光点落在器件感光面的不同位置时，PSD将对应输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光点在PSD上的位置。入射光点的强度和尺寸大小对PSD的位置输出信号均无关。PSD的位置输出只与入射光点的“重心”位置有关。§3.2光电信息转换集成器件§3.2.1位置传感器（PositionSensingDetector）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。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I1和I2，则流过N型层上电极的电流I0为I1和I2之和。PSD可分为一维PSD和二维PSD。一维PSD可以测定光点的一维位置坐标，二维PSD可测光点的平面位置坐标。图3.2.1-1PSD器件结构示意图102ALxIIL012III202ALxIIL2121AIIxLII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3.2.1-2(a)为典型一维PSD器件S1543的结构示意图，其中1和2为信号输出电极，3为公共电极（用来加反向偏压）。它的光敏面为细长的矩形条。LIIIIx1212图3.2.1-2一维PSD器件S1543(a)原理结构(b)等效电路下图为一维PSD位置检测电路原理图，光电流I1经反向放大器A1放大后分别送给放大器A3与A4，而光电流I2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I1与I2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I2与I1相减的运算。图3.2.1-3一维PSD位置检测电路原理图反向比例反向求和-(I1+I2)差分比例(I2-I1)除法移相反向比例3．二维PSD器件如图（a），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（b）所示图3.2.1-4二维PSD的结构图与等效电路(a)二维PSD结构图(b)等效电路4343XXXXIIxII2121YYYYIIyIICCD（ChargeCoupledDevices，电荷耦合器件）图像传感器具有结构简单，制造工序少，功耗低，信噪比好等优点。CCD有线阵和面阵二种，CCD是一种半导体集成器件，它由MOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等部分组成。CCD可把光信息转换成电脉冲信号，而且每个脉冲反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度反映光强，脉冲顺序反映光敏元的位置，这样就起到了图像传感的作用。§3.2.2电荷耦合器件CCD主要有两种基本类型，一种为信号电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面进行转移的器件，称为表面沟道CCD（简称为SCCD）器件；另一种为信号电荷包存储在距离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向转移的器件，称为体沟道或埋沟道器件（简称为BCCD）。下面以SCCD为例讨论CCD的基本工作原理。CCD——数字影像时代的开创者维拉·波义耳(WillardS.Boyle)和乔治·史密斯（GeorgeE.Smith2009年获诺贝尔物理奖线阵CCD驱动器•CCD是按照一定规律（线阵、面阵）排列的MOS电容器阵列组成的移位寄存器，其基本单元是MOS结构。基本功能是通过电荷的存储与电荷的转移来实现光电信号的转换和检测。基本工作过程包括电荷的注入、存储、转移和检测。一、MOS光敏元的工作原理CCD的核心部分的原理基于MOS光敏元。MOS结构：以硅作为半导体衬底，在其上热生长一层二氧化硅(SiO2)，并在二氧化硅上面淀积金属层（栅极）。因由金属—氧化物—半导体三层所组成，故称MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）结构。U以P型衬底为例,加正电压时,空穴被排斥，形成一“耗尽区”（俗称“表面势阱”，其深度近似与电压成正比），电子被吸引耗尽区。光照时，半导体硅产生电子-空穴对，电子被势阱收集，空穴被排出耗尽区。势阱吸收的光生电子数与入射光强成正比。一个MOS结构单元称为一个光敏单元或一个像素。CCD上有成千上万个相互独立的MOS光敏单元，如果照在这些光敏单元上的是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏单元就会产生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像，因而得到影像信号。二、移位寄存器移位寄存器也是MOS结构，工作时它不能受光照射。NUaUbUcUatUbtUctt1t2t3t4t1t2t3t4对多电极a1、b1、c1；……an、bn、cn，每三个如a1、b1、c1组成一个传输单元。存储的电荷依次移位，传输到最后一个电极的电子被依次收集输出。三、转移栅(光敏单元中的电荷向移位寄存器转移)光敏区中产生的电荷，由转移门Z控制转移至a1、a2、----an极下的势阱。光敏单元转移电极移位寄存器四．面阵CCD面阵CCD是按图象信息的处理要求而输出信号的。面阵CCD实际上是由许多线阵CCD排成二维形式，它主要用于电视摄像中。面阵CCD也可以用作固体摄像传感器来测量各种几何量，俗称摄像测量。五、CCD输出信号的处理方式CCD输出信号一般为负极性视频信号，对CCD输出信号的处理方式很多，以下是几种典型的用于检测和控制的信号处理方式。1．CCD－放大―二值化处理－计数。2．CCD－放大－滤波－比较整形－高频填脉冲－计数3．CCD－放大－同步采样保持－高速A/D转换－存储－计算机图象处理4．CCD－放大－滤波－变成全电视信号－存储六、CCD在动态测量直径中的应用设所用的CCD有N0个光敏元，每个光敏元的大小为13μm，计数器计数为N，则细丝直径D为：CCD动态测量细丝直径的原理如图3.2.2-16所示。D＝13（N0-N）图3.2.2-16CCD测量细丝直径在上述测量中，由于是用脉冲计数测量，故光源的波动对测量精度影响不大，细丝的抖动也不影响测量精度，故可达到较高的测量精度。如需要测量达到更高的分辨率，可用光学放大，如图3.2.2-17所示。如k=x/y=1/13，则实际上放大了13倍，此时D＝13k(N0-N)=(N0-N)注意，采用光学放大后，细丝在垂直于CCD方向的抖动将影响测量精度。图3.2.2-17光学放大示意图如测量大物体，可用二块CCD，距离固定为L（如图3.2.2-18所示），假定CCD1的计数值为N1，CCD2的计数值为N2，则测量大物体也可用面阵CCD进行摄像测量，再用计算机进行数字图象处理得到处理结果。但测量精度要比用线阵CCD测量差些。图3.2.2-18CCD测量大物体1021313DLNNN•互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS—ComplementaryMetalOxideSemiconductor•CMOS图像传感器,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件。§3.2.3CMOS图像传感器CMOS发展历程CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声大、光照灵敏低制约CMOS发展的原因CCD有效面积大、均匀收集和转移电荷、噪声小但是最近10年,由于集成电路设计技术和工艺水平的提高,CMOS图像传感器过去存在的缺点现在都可以找到办法克服,而且它固有的诸如像元内放大、列并行结构,以及深亚微米CMOS处理等独特的优点更是CCD器件所无法比拟的,而且与CCD技术相比,CMOS技术集成度高、采用单电源和低电压供电、成本低、采用单芯片、功耗低和设计简单，这些优点使CMOS图像传感器用途广泛，成为研究的热点。•70年代初,CMOS传感器在美国航空航天局(NASA)的JetPropulsionLaboratory(JPL)制造成功。•80年代末,英国爱丁堡大学成功试制出了世界第1块单片CMOS型图像传感器件。•1995年,像元数为128×128的高性能CMOS有源像素图像传感器由JPL首先研制成功。•1997年,英国爱丁堡VLSIVersion公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化。就在这一年,实用CMOS技术的特征尺寸达到了0.35μm,东芝研制成功了光电二极管型APS(ActivePixelSensor),其像元尺寸为5.6μm×5.6μm,具有彩色滤色膜和微透镜阵列。•2000年,日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35μm技术开发的CMOS-APS已成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。•2008年6月豪威科技领先业界宣布投产背照式（BSI）CMOS传感器。•光敏元件，是CMOS的重要感光器件，常用的是光电二极管。•光电二极管利用的是半导体的光生伏特效应。当光子入射到PN结形成的耗尽层内时，PN结内的原子吸收光子能量，并产生本征吸收，激发出电子—空穴对，在耗尽区内建电场的作用下，空穴被拉到P区，电子被拉到N区，形成反向电流即光电流。•CMOS图像传感器和CCD图像传感器一样在光检测方面都是基于硅的光电效应。CMOS图像传感器基本原理像元的结构剖面典型CMOS图像传感器原理框图CMOS发展的三个阶段CMOS无源像素传感器(CMOS-PPS,PassivePixelSensor)CMOS有源像素传感器（CMOS-APS,ActivePixelSensor）CMOS数字像素传感器（CMOS-DPS,DigitalPixelSensor）1、CMOS无源像素传感器•主要是由光电二极管和开关管组成•量子效率较高，但读出噪声大2、CMOS有源像素传感器光敏二极管型有源像素结构（PD-APS）•主要由光电二极管、若干放大器和开关管组成•灵敏度高、功耗低，但是像素单元尺寸大、填充系数小3、CMOS数字像素传感器a、芯片级ADC的数字图像传感器芯片上集成一个A/D转换器,每个像素的输出都要经过该ADC转换后输出b、列级ADC的数字图像传感器图像传感器阵列的一列共用一个ADC，从而构成一个ADC线阵列.ADC在并行方式下，对逐列信号进行AD转换c、像素级ADC的数字图像传感器图像传感器的每一个像元或者邻近的一个像元组（如2×2、2×3等）对应一个ADC，而ADC在并行方式下工作。CCDCMOS设计单一感光器感光器连接放大器灵敏度同样面积下高感光开口小灵敏度低成本线路品质影响程度高，成本高CMOS整合集成，成本低解析度连接复杂度低，解析度高低，新技术高噪点比单一放大，噪点低百万放大，噪点高功耗比需外加电压，功耗高直接放大，功耗低两者优缺点的比较•电荷读取方式CCD:光通过光敏器件转化为电荷，然后电荷通过传感器芯片传递到转换器，最终信号被放大。电路较为复杂，速度较慢。CMOS:光经光电二极管的光电转换后直接产生电压信号，信号电荷不需要转移。MOS器件的集成度高，体积小。•生产工艺CCD传感器需要特殊工艺，使用专用生产流程，成本较高。CMOS传感器使用与制造半导体器件90%的相同基本技术和工艺，且成品率高，制造成本低。•集成度CMOS图像传感器能在同一个芯片上集成各种信号和图像处理模块，形成单片高集成度数字成像系统。CCD还需外部的地址译码器，模数转换器，图像信号处理器处理等。•功耗CCD需要外部控制信号和时钟信号来控制电荷转移，另外还需要多个电源和电压调节器，需要较高的电压，功耗较大。CMOS图像传感器使用单一工作电压，芯片采用集成电路，电路几乎没有静态电量消耗，只有在电路接通的时候才有电量的消耗，因此功耗低。•速度高速性是CMOS电路的固有特性，CMOS图像传感器可以极快地驱动成像阵列的列总线，并且ADC在片内工作具有极快的速率。CCD采用串行连续扫描的工作方式，必须一次性读出整行或整列的像素值，读出速度很慢，能局部进行随机访问。•响应范围CMOS图像传感芯片除了可见光外，对红外等非可见光波也有反应。•灵敏度和动态范围CCD有高的灵敏度，只要很少的积分时间就能读