第9章光熱光電導(dǎo)光電荷效應(yīng)及應(yīng)用

1、光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 1第第9章章 光熱光熱/光電導(dǎo)光電導(dǎo)/光電荷光電荷效應(yīng)及應(yīng)用效應(yīng)及應(yīng)用 9.1 光熱效應(yīng)及其器件光熱效應(yīng)及其器件 9.2 光電導(dǎo)效應(yīng)及應(yīng)用光電導(dǎo)效應(yīng)及應(yīng)用 9.3 光電荷效應(yīng)及應(yīng)用光電荷效應(yīng)及應(yīng)用 9.4 紅外熱成像技術(shù)紅外熱成像技術(shù) 9.5 紅外技術(shù)的應(yīng)用紅外技術(shù)的應(yīng)用光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 29.1 光熱效應(yīng)及其器件光熱效應(yīng)及其器件 某些物質(zhì)在受到光照射后，由于溫度升高而造成材料某些物質(zhì)在受到光照射后，由于溫度升高而造成材料性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光熱效應(yīng)。在光電效應(yīng)中，性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光熱效應(yīng)。在光電效應(yīng)中，光子的能量直接變?yōu)楣馍娮拥哪芰?；而在?/p>

2、熱效應(yīng)光子的能量直接變?yōu)楣馍娮拥哪芰?；而在光熱效?yīng)中，光子能量與晶格相互作用，使其振動(dòng)加劇，造成中，光子能量與晶格相互作用，使其振動(dòng)加劇，造成溫度升高。溫度升高。 光熱效應(yīng)與光電效應(yīng)不同，其單個(gè)光子能量的大小與光熱效應(yīng)與光電效應(yīng)不同，其單個(gè)光子能量的大小與光熱效應(yīng)沒有關(guān)系，原則上，光熱效應(yīng)對(duì)光波沒有選光熱效應(yīng)沒有關(guān)系，原則上，光熱效應(yīng)對(duì)光波沒有選擇性。只是在紅外波段吸收效率高，光熱效應(yīng)更強(qiáng)烈，擇性。只是在紅外波段吸收效率高，光熱效應(yīng)更強(qiáng)烈，所以廣泛用于紅外輻射探測。因?yàn)闇囟壬呤菬岱e累所以廣泛用于紅外輻射探測。因?yàn)闇囟壬呤菬岱e累的過程，所以光熱效應(yīng)速度一般較慢，而且容易受到的過程，所以光熱

3、效應(yīng)速度一般較慢，而且容易受到環(huán)境溫度的影響。環(huán)境溫度的影響。 根據(jù)光與不同材料、不同結(jié)構(gòu)的光熱器件相互作用引根據(jù)光與不同材料、不同結(jié)構(gòu)的光熱器件相互作用引起物質(zhì)特性變化不同的情況，將光熱效應(yīng)分為熱敏效起物質(zhì)特性變化不同的情況，將光熱效應(yīng)分為熱敏效應(yīng)、溫差電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)等，下面分別加以介紹。應(yīng)、溫差電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)等，下面分別加以介紹。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 39.1.1 熱敏效應(yīng)熱敏效應(yīng)熱敏電阻熱敏電阻光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 49.1.2 溫差電效應(yīng)溫差電效應(yīng)熱電偶原理熱電偶原理 當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料兩端并聯(lián)當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料兩端并聯(lián)熔接在一起時(shí)，如果兩個(gè)

4、接點(diǎn)的溫度不同，熔接在一起時(shí)，如果兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同，并聯(lián)回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，回路中就有并聯(lián)回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，回路中就有電流出現(xiàn)，如圖電流出現(xiàn)，如圖9.1.1（b）所示，這種電）所示，這種電動(dòng)勢稱為溫差電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象就是溫差動(dòng)勢稱為溫差電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象就是溫差電效應(yīng)。熱電偶就是利用溫差電效應(yīng)制成電效應(yīng)。熱電偶就是利用溫差電效應(yīng)制成的。的。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 5圖圖9.1.1 利用溫差電效應(yīng)構(gòu)成的熱電偶利用溫差電效應(yīng)構(gòu)成的熱電偶 溫差熱電偶接收輻射一端稱為熱端，另一端為冷端。為了提高吸收系數(shù)，熱溫差熱電偶接收輻射一端稱為熱端，另一端為冷端。為了提高吸收系數(shù)，熱端常裝有涂黑的金箔

5、。如果把冷端分開，并與一個(gè)電流表連接，如圖端常裝有涂黑的金箔。如果把冷端分開，并與一個(gè)電流表連接，如圖9.1.1（b）此時(shí)，電表就有相應(yīng)的電流指示，其大小就間接反映了輻射熱能量的大小，此時(shí)，電表就有相應(yīng)的電流指示，其大小就間接反映了輻射熱能量的大小，這就是熱電偶探測熱能的原理。這就是熱電偶探測熱能的原理。 當(dāng)熱電偶冷端開路時(shí)，開路電壓與溫差成正比，即當(dāng)熱電偶冷端開路時(shí)，開路電壓與溫差成正比，即 （9.1.2） 式中，式中，M是溫差電勢率，單位是是溫差電勢率，單位是V/oC， T是溫度變化量。是溫度變化量。TMUoc光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 6熱電偶紅外探測器熱電偶紅外探測器 如果半導(dǎo)體熱電

6、偶熱端受到紅外光照射，熱端如果半導(dǎo)體熱電偶熱端受到紅外光照射，熱端吸收光能使電偶接頭溫度升高，載流子濃度增吸收光能使電偶接頭溫度升高，載流子濃度增加，電子從熱端向冷端擴(kuò)散，從而使加，電子從熱端向冷端擴(kuò)散，從而使N型材料型材料熱端帶正電，冷端帶負(fù)電，熱端帶正電，冷端帶負(fù)電，P型材料則相反。型材料則相反。 這種光生電動(dòng)勢的大小反映紅外輻射功率的大這種光生電動(dòng)勢的大小反映紅外輻射功率的大小，這就是熱電偶紅外探測器。小，這就是熱電偶紅外探測器。 為了測量準(zhǔn)確，將冷端放入冰水混合液中，保為了測量準(zhǔn)確，將冷端放入冰水混合液中，保持持0 oC恒溫，或采用溫度補(bǔ)償修正。恒溫，或采用溫度補(bǔ)償修正。 為了提高測量

7、靈敏度，常將若干個(gè)熱電偶串聯(lián)為了提高測量靈敏度，常將若干個(gè)熱電偶串聯(lián)起來使用，稱為熱電堆。起來使用，稱為熱電堆。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 79.1.3 熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)熱釋電探測器熱釋電探測器熱釋電效應(yīng)是熱電晶體的自發(fā)極化矢量隨溫度變化使入射光引起電容器電容熱釋電效應(yīng)是熱電晶體的自發(fā)極化矢量隨溫度變化使入射光引起電容器電容改變的現(xiàn)象。熱電晶體是一種結(jié)晶對(duì)稱性很差的壓電晶體，在常態(tài)下，某個(gè)改變的現(xiàn)象。熱電晶體是一種結(jié)晶對(duì)稱性很差的壓電晶體，在常態(tài)下，某個(gè)方向上正負(fù)電荷中心不重合，從而晶體表面存在著一定量的極化電荷，一面方向上正負(fù)電荷中心不重合，從而晶體表面存在著一定量的極化電荷，一面是正

8、電荷，另一面是負(fù)電荷，稱為自發(fā)極化。極化電荷密度與自發(fā)極化矢量是正電荷，另一面是負(fù)電荷，稱為自發(fā)極化。極化電荷密度與自發(fā)極化矢量Ps有關(guān)。晶體溫度變化會(huì)引起正負(fù)電荷中心發(fā)生位移，從而引起表面極化電有關(guān)。晶體溫度變化會(huì)引起正負(fù)電荷中心發(fā)生位移，從而引起表面極化電荷變化。荷變化。溫度恒定時(shí)，因晶體表面吸附來自周圍空氣的異性電荷，因中和作用觀察不溫度恒定時(shí)，因晶體表面吸附來自周圍空氣的異性電荷，因中和作用觀察不到自發(fā)極化現(xiàn)象；當(dāng)溫度變化時(shí)，自發(fā)極化矢量也發(fā)生了變化，晶體表面的到自發(fā)極化現(xiàn)象；當(dāng)溫度變化時(shí)，自發(fā)極化矢量也發(fā)生了變化，晶體表面的極化電荷也隨之變化。極化電荷也隨之變化。 光子學(xué)與光電子學(xué)

9、原榮 邱琪 8圖圖9.1.3 熱釋電探測器熱釋電探測器 （a）典型前置放大器電路）典型前置放大器電路 （b）結(jié)構(gòu)示意圖）結(jié)構(gòu)示意圖 （c）熱釋電探測器等效電路）熱釋電探測器等效電路熱釋電探測器是電容性器件，阻抗大于熱釋電探測器是電容性器件，阻抗大于1010 ，應(yīng)使用高輸，應(yīng)使用高輸入阻抗和低噪聲結(jié)型場效應(yīng)晶體管（入阻抗和低噪聲結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）前置放大器。）前置放大器。由于熱釋電器件的輸出阻抗特別高，其等效電路可表示為恒由于熱釋電器件的輸出阻抗特別高，其等效電路可表示為恒流源，如圖流源，如圖9.1.3（c）所示。）所示。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 93. 熱釋電探測器的優(yōu)點(diǎn)和用途熱

10、釋電探測器的優(yōu)點(diǎn)和用途 熱釋電探測器在常溫下工作，結(jié)構(gòu)比較簡單。熱釋電探測器在常溫下工作，結(jié)構(gòu)比較簡單。 為了提高探測器靈敏度，減小探測器芯片的熱容量是為了提高探測器靈敏度，減小探測器芯片的熱容量是關(guān)鍵。辦法是把芯片尺寸縮小，厚度減薄，采用絕熱關(guān)鍵。辦法是把芯片尺寸縮小，厚度減薄，采用絕熱措施，將屏蔽盒抽成真空或充惰性氣體保護(hù)。措施，將屏蔽盒抽成真空或充惰性氣體保護(hù)。 熱釋電探測器可以做成熱成像系統(tǒng)，由于它不易被干熱釋電探測器可以做成熱成像系統(tǒng)，由于它不易被干擾，容易隱蔽，并能在有煙霧條件下工作，可用于空擾，容易隱蔽，并能在有煙霧條件下工作，可用于空中與地面?zhèn)刹?、入侵?bào)警、戰(zhàn)時(shí)觀察、火情監(jiān)測、

11、醫(yī)中與地面?zhèn)刹?、入侵?bào)警、戰(zhàn)時(shí)觀察、火情監(jiān)測、醫(yī)學(xué)熱成像、環(huán)境污染監(jiān)視以及其他領(lǐng)域。學(xué)熱成像、環(huán)境污染監(jiān)視以及其他領(lǐng)域。 在空間技術(shù)上，熱釋電探測器主要用來測量溫度分布在空間技術(shù)上，熱釋電探測器主要用來測量溫度分布和濕度分布或收集地球輻射的有關(guān)數(shù)據(jù)。和濕度分布或收集地球輻射的有關(guān)數(shù)據(jù)。 在科研上，可用于各種輻射測量、激光測量、快速光在科研上，可用于各種輻射測量、激光測量、快速光脈沖測量、功率定標(biāo)等。所以熱釋電探測器是目前開脈沖測量、功率定標(biāo)等。所以熱釋電探測器是目前開發(fā)研究較多的一種熱探測器。發(fā)研究較多的一種熱探測器。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 109.2 光電導(dǎo)效應(yīng)及應(yīng)用光電導(dǎo)效應(yīng)及應(yīng)用

12、 光照時(shí)半導(dǎo)體材料自身電阻率會(huì)改變的光照時(shí)半導(dǎo)體材料自身電阻率會(huì)改變的效應(yīng)就是光電導(dǎo)效應(yīng)，它是半導(dǎo)體材料效應(yīng)就是光電導(dǎo)效應(yīng)，它是半導(dǎo)體材料的一種體效應(yīng)，光照愈強(qiáng)，電阻愈小，的一種體效應(yīng)，光照愈強(qiáng)，電阻愈小，因此常稱為光敏電阻或光導(dǎo)管。因此常稱為光敏電阻或光導(dǎo)管。 與光電效應(yīng)不同，光電導(dǎo)效應(yīng)不需要與光電效應(yīng)不同，光電導(dǎo)效應(yīng)不需要PN結(jié)。結(jié)。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 119.2.1 光敏電阻工作原理光敏電阻工作原理光敏電阻是一種光電導(dǎo)效應(yīng)器件，兩電極加上一定電壓后，當(dāng)光照射光敏電阻是一種光電導(dǎo)效應(yīng)器件，兩電極加上一定電壓后，當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，由光照產(chǎn)生的光生載流子在外電場的作用下，在電到

13、光電導(dǎo)體上時(shí)，由光照產(chǎn)生的光生載流子在外電場的作用下，在電路中產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。路中產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。材料吸收入射光子能量后，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，從而導(dǎo)材料吸收入射光子能量后，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，從而導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率隨著入射光強(qiáng)度的變化而變化。致材料的電導(dǎo)率隨著入射光強(qiáng)度的變化而變化。對(duì)于本征半導(dǎo)體，只有當(dāng)入射光子能量對(duì)于本征半導(dǎo)體，只有當(dāng)入射光子能量hv等于或大于半導(dǎo)體材料的禁等于或大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度帶寬度Eg時(shí)，在外加電場作用下形成光電流，這是本征光電導(dǎo)效應(yīng)。時(shí)，在外加電場作用下形成光電流，這是本征光電導(dǎo)效應(yīng)。應(yīng)用最多的有硫化鉛、硒化鉛、銻化銦、碲鎘汞

14、等。應(yīng)用最多的有硫化鉛、硒化鉛、銻化銦、碲鎘汞等。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 12本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng) 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 139.2.2 光敏電阻特性光敏電阻特性（a）硫化鎘光敏電阻的光電特性）硫化鎘光敏電阻的光電特性（b）光敏電阻的光譜特性）光敏電阻的光譜特性圖圖9.2.2 光敏電阻的光電特性和光譜特性光敏電阻的光電特性和光譜特性光敏電阻的光譜響應(yīng)特性主要由所用的半導(dǎo)體材料決定。光敏電阻的光譜響應(yīng)特性主要由所用的半導(dǎo)體材料決定。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 14圖圖9.2.3 紅外探測器的光譜特性與溫度的關(guān)系紅外探測器的光譜特性與溫度的關(guān)系（a）硫化鉛（）硫化鉛（Pb

15、S）的光譜響應(yīng)）的光譜響應(yīng) （b）碲鎘汞（）碲鎘汞（HgCdTe）的光譜特性）的光譜特性溫度對(duì)光譜響應(yīng)影響較大，一般來說，光譜響應(yīng)主要由材料的禁帶寬度決溫度對(duì)光譜響應(yīng)影響較大，一般來說，光譜響應(yīng)主要由材料的禁帶寬度決定，禁帶寬度越窄，則對(duì)長波越敏感定，禁帶寬度越窄，則對(duì)長波越敏感 見式（見式（6.2.3），但禁帶很窄時(shí)，半，但禁帶很窄時(shí)，半導(dǎo)體中熱激發(fā)也會(huì)使自由載流子濃度增加，使復(fù)合運(yùn)動(dòng)加快，靈敏度降低，導(dǎo)體中熱激發(fā)也會(huì)使自由載流子濃度增加，使復(fù)合運(yùn)動(dòng)加快，靈敏度降低，因此采用冷卻器件辦法，降低熱發(fā)射來提高靈敏度。因此采用冷卻器件辦法，降低熱發(fā)射來提高靈敏度。但溫度降低后，峰值波長向長波范圍移

16、動(dòng)，但溫度降低后，峰值波長向長波范圍移動(dòng)， 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 15圖圖9.2.4 光敏電阻的伏安特性和頻率特性光敏電阻的伏安特性和頻率特性（a）伏安特性）伏安特性（b）頻率特性）頻率特性 光電流與所施加的電壓成正比；在給定的電壓下，光照越光電流與所施加的電壓成正比；在給定的電壓下，光照越強(qiáng)，光生電流也越大。強(qiáng)，光生電流也越大。 當(dāng)入射到光敏電阻的光被調(diào)制后，其輸出隨入射光的調(diào)制當(dāng)入射到光敏電阻的光被調(diào)制后，其輸出隨入射光的調(diào)制頻率的增加而降低頻率的增加而降低 。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 169.2.3 光敏電阻的偏置電路光敏電阻的偏置電路（a）基本偏置電路）基本偏置電路 （b）

17、晶體管恒流偏置）晶體管恒流偏置 （c）晶體管恒壓偏置）晶體管恒壓偏置光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 179.2.4 光敏電阻種類和應(yīng)用光敏電阻種類和應(yīng)用 本征型光敏電阻一般在室溫下工作，適用于可見光和本征型光敏電阻一般在室溫下工作，適用于可見光和近紅外輻射探測；近紅外輻射探測； 非本征型光敏電阻通常必須在低溫條件下工作，常用非本征型光敏電阻通常必須在低溫條件下工作，常用于中、遠(yuǎn)紅外輻射探測。于中、遠(yuǎn)紅外輻射探測。 光敏電阻在光照下會(huì)改變自身的電阻率，且光照越強(qiáng)，光敏電阻在光照下會(huì)改變自身的電阻率，且光照越強(qiáng)，電阻率越小。光敏電阻結(jié)構(gòu)簡單，沒有極性，靈敏度電阻率越小。光敏電阻結(jié)構(gòu)簡單，沒有極性，靈

18、敏度較高，工作電流大，具有內(nèi)電流增益，光譜響應(yīng)寬，較高，工作電流大，具有內(nèi)電流增益，光譜響應(yīng)寬，測試范圍大，但響應(yīng)速度則較慢。測試范圍大，但響應(yīng)速度則較慢。 主要用于電子電路、儀器儀表、光電控制、計(jì)量分析、主要用于電子電路、儀器儀表、光電控制、計(jì)量分析、光電制導(dǎo)和激光外差探測等方面。光電制導(dǎo)和激光外差探測等方面。 光敏電阻材料主要有硫化鎘（光敏電阻材料主要有硫化鎘（CdS）、碲化鎘）、碲化鎘（CdTe）、硫化鉛（）、硫化鉛（PbS）和碲鎘汞（）和碲鎘汞（HgCdTe）之類）之類的燒結(jié)體和碲化銦（的燒結(jié)體和碲化銦（InTe）、硫化鎵（）、硫化鎵（GaS）等化合）等化合物半導(dǎo)體，以及鍺摻雜和硅摻雜

19、半導(dǎo)體晶體。物半導(dǎo)體，以及鍺摻雜和硅摻雜半導(dǎo)體晶體。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 18圖圖9.2.6 雙色（雙波雙色（雙波長）探測器長）探測器 碲鎘汞禁帶寬度隨組分連續(xù)變化（碲鎘汞禁帶寬度隨組分連續(xù)變化（ 0.141.56 eV），可以包括整個(gè)紅外波段，很容易用來制），可以包括整個(gè)紅外波段，很容易用來制備雙色探測器，如圖備雙色探測器，如圖9.2.6所示，對(duì)雙波段輻射所示，對(duì)雙波段輻射信息進(jìn)行處理，可大大提高系統(tǒng)的抗干擾和目信息進(jìn)行處理，可大大提高系統(tǒng)的抗干擾和目標(biāo)識(shí)別能力。標(biāo)識(shí)別能力。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 19圖圖9.2.7 使用斬光使用斬光器的光電器的光電導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)系統(tǒng) 為了抑制目標(biāo)

20、的背景噪聲和探測系統(tǒng)內(nèi)部的電子噪聲，通為了抑制目標(biāo)的背景噪聲和探測系統(tǒng)內(nèi)部的電子噪聲，通常對(duì)光進(jìn)行調(diào)制，用一個(gè)機(jī)械的或電的斬光器以頻率常對(duì)光進(jìn)行調(diào)制，用一個(gè)機(jī)械的或電的斬光器以頻率fc對(duì)入對(duì)入射光斬光。射光斬光。 其基本原理是受光照時(shí)半導(dǎo)體電阻的改變。光電導(dǎo)探測器其基本原理是受光照時(shí)半導(dǎo)體電阻的改變。光電導(dǎo)探測器的電阻的電阻RG以斬光頻率以斬光頻率fc周期性的改變，從而引起電流周期性的改變，從而引起電流iph(t)周周期性的改變，從而產(chǎn)生跨接在電阻期性的改變，從而產(chǎn)生跨接在電阻RG上的交流信號(hào)電壓上的交流信號(hào)電壓uph(t)，該電壓通過電容耦合到鎖定放大器。該放大器與斬，該電壓通過電容耦合到鎖

21、定放大器。該放大器與斬光器同步，它的輸出是反映光器同步，它的輸出是反映uph(t)幅值的直流信號(hào)。幅值的直流信號(hào)。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 209.3 光電荷效應(yīng)及應(yīng)用光電荷效應(yīng)及應(yīng)用 光電荷效應(yīng)與光電效應(yīng)一樣，也是半導(dǎo)體材料吸收入光電荷效應(yīng)與光電效應(yīng)一樣，也是半導(dǎo)體材料吸收入射光子能量后，如果入射光子的能量超過禁帶能量射光子能量后，如果入射光子的能量超過禁帶能量Eg，則在半導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生電子則在半導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；但不同的是光空穴對(duì)；但不同的是光電效應(yīng)是以電流為信號(hào)的載體，而光電荷效應(yīng)則是以電效應(yīng)是以電流為信號(hào)的載體，而光電荷效應(yīng)則是以電荷為信號(hào)的載體。電荷為信號(hào)的載體。

22、 1969年，年，W. S. Boyle和和G. E. Smith發(fā)明了可以將光學(xué)發(fā)明了可以將光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的半導(dǎo)體裝置影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的半導(dǎo)體裝置電荷耦合器件電荷耦合器件（CCD）。他們采用一種對(duì)光非常敏感的半導(dǎo)體材料，）。他們采用一種對(duì)光非常敏感的半導(dǎo)體材料，將其每一個(gè)像素上因光照而產(chǎn)生的大量電信號(hào)，在很將其每一個(gè)像素上因光照而產(chǎn)生的大量電信號(hào)，在很短的時(shí)間內(nèi)，分辨、采集并轉(zhuǎn)移出去，使圖像信號(hào)的短的時(shí)間內(nèi)，分辨、采集并轉(zhuǎn)移出去，使圖像信號(hào)的高效存儲(chǔ)、編輯和傳輸成為可能。高效存儲(chǔ)、編輯和傳輸成為可能。 為此，這兩位科學(xué)為此，這兩位科學(xué)家與家與“光纖之父光纖之父”英籍華人高錕（英籍華

23、人高錕（C. K. Kao）共同獲）共同獲得了得了2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 219.3 光電荷效應(yīng)及應(yīng)用光電荷效應(yīng)及應(yīng)用 9.3.1 電荷藕合器件（電荷藕合器件（CCD）工作原理）工作原理 9.3.2 電荷耦合攝像器件工作原理電荷耦合攝像器件工作原理 9.3.3 CCD的應(yīng)用的應(yīng)用 9.3.4 CMOS成像技術(shù)成像技術(shù) 9.3.5 CMOS和和CCD攝像器件的比較攝像器件的比較 9.3.6 光子效應(yīng)器件匯總光子效應(yīng)器件匯總光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 229.3.1 電荷藕合器件（電荷藕合器件（CCD）工作原理）工作原理 電荷耦合器件（電荷耦合器

24、件（CCD）是一種集光電轉(zhuǎn)換、對(duì)光生電荷存）是一種集光電轉(zhuǎn)換、對(duì)光生電荷存儲(chǔ)和輸送的光電荷效應(yīng)圖像芯片儲(chǔ)和輸送的光電荷效應(yīng)圖像芯片 ； 電荷耦合攝像器件是電荷耦合攝像器件是CCD的一種應(yīng)用，其工作原理是用光的一種應(yīng)用，其工作原理是用光學(xué)系統(tǒng)把景物聚焦在器件表面，假如入射光子的能量超過學(xué)系統(tǒng)把景物聚焦在器件表面，假如入射光子的能量超過禁帶能量禁帶能量Eg，則在半導(dǎo)體材料吸收光子能量后在其內(nèi)部產(chǎn)，則在半導(dǎo)體材料吸收光子能量后在其內(nèi)部產(chǎn)生電子生電子-空穴對(duì)，其中少數(shù)載流子被附近勢阱所收集。空穴對(duì)，其中少數(shù)載流子被附近勢阱所收集。 由于每一單元電極下所存儲(chǔ)的少數(shù)載流子數(shù)目與光強(qiáng)有關(guān)，由于每一單元電極下

25、所存儲(chǔ)的少數(shù)載流子數(shù)目與光強(qiáng)有關(guān)，因此一個(gè)光學(xué)圖像可轉(zhuǎn)換成電（柵）極下面的電荷圖像。因此一個(gè)光學(xué)圖像可轉(zhuǎn)換成電（柵）極下面的電荷圖像。 隨著時(shí)間的增加，積累的電荷越來越多，然后以一定方式隨著時(shí)間的增加，積累的電荷越來越多，然后以一定方式給不同電極加偏壓，使電荷按一定順序轉(zhuǎn)移，最后在輸出給不同電極加偏壓，使電荷按一定順序轉(zhuǎn)移，最后在輸出端輸出，從而將圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l電信號(hào)。端輸出，從而將圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l電信號(hào)。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 23圖圖9.3.1 金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（MOS）電容的）電容的構(gòu)成和電荷的存儲(chǔ)構(gòu)成和電荷的存儲(chǔ)（a）MOS電容結(jié)構(gòu)示意圖電容結(jié)構(gòu)示意圖 （b）

26、用三個(gè)）用三個(gè)MOS說明電荷的存儲(chǔ)作用說明電荷的存儲(chǔ)作用CCD是一種由金屬是一種由金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（MOS）三層組成的電容器件。一般以）三層組成的電容器件。一般以N型硅型硅（N-Si）作為半導(dǎo)體襯底（）作為半導(dǎo)體襯底（S），在其上生長一層二氧化硅（），在其上生長一層二氧化硅（SiO2）薄膜，在）薄膜，在SiO2上面沉積具有一定形狀的金屬層（上面沉積具有一定形狀的金屬層（M），并在硅片底部形成一個(gè)歐姆接觸），并在硅片底部形成一個(gè)歐姆接觸（A）。在金屬層和硅片底部的歐姆接觸之間施加一個(gè)外電壓）。在金屬層和硅片底部的歐姆接觸之間施加一個(gè)外電壓U。圖圖9.3.1（b）表示三個(gè)相鄰的）

27、表示三個(gè)相鄰的MOS結(jié)構(gòu)，如在結(jié)構(gòu)，如在1、3兩個(gè)金屬電極上加上適當(dāng)?shù)碾妰蓚€(gè)金屬電極上加上適當(dāng)?shù)碾妷簤篣1，在電極，在電極2上加上更負(fù)的電壓上加上更負(fù)的電壓U2，即，即U1 U2，在電極，在電極2下面能收集光生下面能收集光生空穴，因此，可以把它看作空穴的勢阱，并在一定時(shí)間內(nèi)保持這種電荷?？昭ǎ虼?，可以把它看作空穴的勢阱，并在一定時(shí)間內(nèi)保持這種電荷。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 24圖圖9.3.2 CCD器件電荷包在一個(gè)時(shí)鐘周期器件電荷包在一個(gè)時(shí)鐘周期Ti中的轉(zhuǎn)移傳輸過程中的轉(zhuǎn)移傳輸過程 當(dāng)經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期當(dāng)經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期Ti后，電荷包將向右轉(zhuǎn)移了三個(gè)電極的后，電荷包將向右轉(zhuǎn)移了三個(gè)電極的位

28、置，即一個(gè)時(shí)鐘周期。因此，一個(gè)時(shí)鐘周期就可把位置，即一個(gè)時(shí)鐘周期。因此，一個(gè)時(shí)鐘周期就可把CCD中中的電荷包轉(zhuǎn)移到輸出端，其工作過程從效果上看，類似于數(shù)的電荷包轉(zhuǎn)移到輸出端，其工作過程從效果上看，類似于數(shù)字電路中的移位寄存器。字電路中的移位寄存器。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 259.3.2 電荷耦合攝像器件工作原理電荷耦合攝像器件工作原理 電荷耦合攝像器件（電荷耦合攝像器件（CCD）是一類可將二維光學(xué)）是一類可將二維光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為一維時(shí)序電信號(hào)的功能器件，由圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為一維時(shí)序電信號(hào)的功能器件，由光電探測器陣列和光電探測器陣列和CCD移位寄存器兩個(gè)功能部分移位寄存器兩個(gè)功能部分組成。組

29、成。 光電探測器陣列獲得光信號(hào)的電荷圖像；光電探測器陣列獲得光信號(hào)的電荷圖像； CCD移位寄存器實(shí)現(xiàn)光生信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移輸出。移位寄存器實(shí)現(xiàn)光生信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移輸出。 根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，電荷耦合攝像器件可分為線陣根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，電荷耦合攝像器件可分為線陣CCD和面陣和面陣CCD，按光譜可分為可見光，按光譜可分為可見光CCD、X光光CCD和紫外光和紫外光CCD。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 26圖圖9.3.3 三相單溝道線陣三相單溝道線陣CCD攝像器件結(jié)構(gòu)示意圖攝像器件結(jié)構(gòu)示意圖在光積分時(shí)間內(nèi)，掃描脈沖電壓在光積分時(shí)間內(nèi)，掃描脈沖電壓 p為高電平，轉(zhuǎn)移柵為高電平，轉(zhuǎn)移柵 x為低電平，光敏二極管為低電平

30、，光敏二極管陣列被反偏置，并與陣列被反偏置，并與CCD移位寄存器相互隔離，在光輻射的作用下，產(chǎn)生信號(hào)移位寄存器相互隔離，在光輻射的作用下，產(chǎn)生信號(hào)電荷，并存儲(chǔ)在光敏元的勢阱中，形成與入射光學(xué)圖像相對(duì)應(yīng)的電荷包的電荷，并存儲(chǔ)在光敏元的勢阱中，形成與入射光學(xué)圖像相對(duì)應(yīng)的電荷包的“潛潛像像”。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵當(dāng)轉(zhuǎn)移柵 x為高電平時(shí)，光敏陣列與移位寄存器溝通，光敏區(qū)積累的信號(hào)電荷為高電平時(shí)，光敏陣列與移位寄存器溝通，光敏區(qū)積累的信號(hào)電荷包通過轉(zhuǎn)移柵包通過轉(zhuǎn)移柵 x并行地流入并行地流入CCD移位寄存器中。移位寄存器中。在光積分時(shí)間內(nèi)，已流入在光積分時(shí)間內(nèi)，已流入CCD移位寄存器中的信號(hào)電荷在三相驅(qū)動(dòng)脈沖的作用移

31、位寄存器中的信號(hào)電荷在三相驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，按其在下，按其在CCD中的空間排列順序，通過輸出機(jī)構(gòu)串行地轉(zhuǎn)移出去，形成一維中的空間排列順序，通過輸出機(jī)構(gòu)串行地轉(zhuǎn)移出去，形成一維時(shí)序電信號(hào)。時(shí)序電信號(hào)。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 27圖圖9.3.4 雙溝道線陣雙溝道線陣CCD攝像器件結(jié)構(gòu)原理圖攝像器件結(jié)構(gòu)原理圖 當(dāng)轉(zhuǎn)移柵當(dāng)轉(zhuǎn)移柵A、B為高電位（對(duì)于為高電位（對(duì)于N溝道器件）時(shí)，光敏陣列勢溝道器件）時(shí)，光敏陣列勢阱里存儲(chǔ)的信號(hào)電荷將同時(shí)按照箭頭制定的方向分別轉(zhuǎn)移到阱里存儲(chǔ)的信號(hào)電荷將同時(shí)按照箭頭制定的方向分別轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)的移位寄存器內(nèi)，隨后在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，分別向右對(duì)應(yīng)的移位寄存器內(nèi)，隨后在驅(qū)動(dòng)脈

32、沖的作用下，分別向右轉(zhuǎn)移，然后經(jīng)過輸出放大器以一維時(shí)序電信號(hào)方式輸出，最轉(zhuǎn)移，然后經(jīng)過輸出放大器以一維時(shí)序電信號(hào)方式輸出，最后再將這兩路信號(hào)合并在一起輸出。后再將這兩路信號(hào)合并在一起輸出。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 28存儲(chǔ)在勢阱中的光生電荷包在逐漸移位，存儲(chǔ)在勢阱中的光生電荷包在逐漸移位，最后移到輸出端輸出最后移到輸出端輸出 圖圖9.3.2表示在表示在N型硅片上制作一排型硅片上制作一排MOS電容器，把柵電容器，把柵極極1、4、7，2、5、8，3、6、9分成三組，分別聯(lián)在一分成三組，分別聯(lián)在一起，并分別加上起，并分別加上 1、 2、 3三相時(shí)鐘脈沖，即三相時(shí)鐘脈沖，即 1 = 2 = 3 =

33、 T/3，T為時(shí)鐘脈沖的周期，如圖為時(shí)鐘脈沖的周期，如圖9.3.2（g）所示，這樣就能使某些柵極下所存儲(chǔ)的電荷包向右轉(zhuǎn)所示，這樣就能使某些柵極下所存儲(chǔ)的電荷包向右轉(zhuǎn)移。移。 電荷包向右轉(zhuǎn)移的道理是顯然可見的，仔細(xì)觀察圖電荷包向右轉(zhuǎn)移的道理是顯然可見的，仔細(xì)觀察圖9.3.2（e）到圖）到圖9.3.2（g）在一個(gè)時(shí)鐘周期）在一個(gè)時(shí)鐘周期Ti中，各相中，各相時(shí)鐘勢阱的變化過程，可以看到，時(shí)鐘勢阱的變化過程，可以看到， 1、 2、 3三相三相時(shí)鐘脈沖中所對(duì)應(yīng)的空穴勢阱，隨著時(shí)間的流逝，勢時(shí)鐘脈沖中所對(duì)應(yīng)的空穴勢阱，隨著時(shí)間的流逝，勢阱也在逐相移位，阱也在逐相移位，t1時(shí)刻勢阱在時(shí)刻勢阱在 1電極下，電

34、極下，t4時(shí)刻勢時(shí)刻勢阱在阱在 2電極下，電極下，t5時(shí)刻勢阱在時(shí)刻勢阱在 3電極下。電極下。 也就是說，存儲(chǔ)在勢阱中的光生電荷包在逐漸移位，也就是說，存儲(chǔ)在勢阱中的光生電荷包在逐漸移位，最后移到輸出端輸出。最后移到輸出端輸出。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 29圖圖9.3.5 行間轉(zhuǎn)移面陣行間轉(zhuǎn)移面陣CCD構(gòu)成原理圖構(gòu)成原理圖在光積分期間，光敏元陣列積累光生電荷，在列控制脈沖的控制下，電荷由下在光積分期間，光敏元陣列積累光生電荷，在列控制脈沖的控制下，電荷由下向上向垂直向上向垂直CCD移位寄存器轉(zhuǎn)移，該寄存器的輸出送入水平移位寄存器轉(zhuǎn)移，該寄存器的輸出送入水平CCD移位寄存器。移位寄存器。水平

35、水平CCD寄存器在行驅(qū)動(dòng)控制脈沖的作用下，從左到右依次將垂直寄存器在行驅(qū)動(dòng)控制脈沖的作用下，從左到右依次將垂直CCD送來的送來的電荷轉(zhuǎn)移出去。電荷轉(zhuǎn)移出去。當(dāng)面陣上所有的圖像像素電荷都轉(zhuǎn)移出去后，光敏元陣列再開始下一周期的圖當(dāng)面陣上所有的圖像像素電荷都轉(zhuǎn)移出去后，光敏元陣列再開始下一周期的圖像光信號(hào)積分。像光信號(hào)積分。為與現(xiàn)行的電視制式配合，面陣為與現(xiàn)行的電視制式配合，面陣CCD在時(shí)鐘脈沖的作用下，也是將一幀圖像分在時(shí)鐘脈沖的作用下，也是將一幀圖像分為奇數(shù)場和偶數(shù)場輸出。為奇數(shù)場和偶數(shù)場輸出。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 309.3.3 CCD的應(yīng)用的應(yīng)用 CCD集光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)、電荷轉(zhuǎn)移

36、、和自集光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)、電荷轉(zhuǎn)移、和自掃描等功能于一體，具有靈敏度高、噪聲低、掃描等功能于一體，具有靈敏度高、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大，體積小、質(zhì)量輕、壽命長，以及動(dòng)態(tài)范圍大，體積小、質(zhì)量輕、壽命長，以及可在電磁場中工作等一系列優(yōu)點(diǎn)?？稍陔姶艌鲋泄ぷ鞯纫幌盗袃?yōu)點(diǎn)。 它在宇航遙感、制導(dǎo)跟蹤、機(jī)器人視覺、工業(yè)它在宇航遙感、制導(dǎo)跟蹤、機(jī)器人視覺、工業(yè)監(jiān)控、天文觀測、家庭攝像等領(lǐng)域越來越受到監(jiān)控、天文觀測、家庭攝像等領(lǐng)域越來越受到青睬。青睬。 CCD的應(yīng)用可大致概括為三大類，即信號(hào)處理、的應(yīng)用可大致概括為三大類，即信號(hào)處理、數(shù)字存儲(chǔ)和圖像傳感。下面僅介紹圖像傳感應(yīng)數(shù)字存儲(chǔ)和圖像傳感。下面僅介紹圖像傳感應(yīng)

37、用。用。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 31圖圖9.3.6 機(jī)載機(jī)載CCD遙感成像系統(tǒng)框圖遙感成像系統(tǒng)框圖 機(jī)載遙感成像系統(tǒng)由機(jī)載遙感成像系統(tǒng)由CCD攝像機(jī)、發(fā)射機(jī)和天線等部分組攝像機(jī)、發(fā)射機(jī)和天線等部分組成。成。1.5 MHz時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)6 1 280分頻后作為分頻后作為CCD移位寄存移位寄存器的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)。器的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 由由CCD像機(jī)獲得的圖像信號(hào)經(jīng)編碼、調(diào)制、功率放大后，像機(jī)獲得的圖像信號(hào)經(jīng)編碼、調(diào)制、功率放大后，送入天線發(fā)射到地面。送入天線發(fā)射到地面。 通過圖像，特別是加上紅外、紫外多光譜分析，可實(shí)時(shí)地獲通過圖像，特別是加上紅外、紫外多光譜分析，可實(shí)時(shí)地獲得氣象、農(nóng)作物生

38、長和地下礦藏等方面的資料。得氣象、農(nóng)作物生長和地下礦藏等方面的資料。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 329.3.4 CMOS成成像技術(shù)像技術(shù)互補(bǔ)互補(bǔ)-金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（CMOS）也是一種基于）也是一種基于9.3.1節(jié)介紹的節(jié)介紹的MOS器件，也器件，也屬于光電荷效應(yīng)器件。屬于光電荷效應(yīng)器件。CMOS成像的基本原理是，當(dāng)景物光子入射到成像的基本原理是，當(dāng)景物光子入射到MOS的半導(dǎo)體上時(shí)，假如入射光的半導(dǎo)體上時(shí)，假如入射光子的能量超過半導(dǎo)體禁帶能量子的能量超過半導(dǎo)體禁帶能量Eg，則在半導(dǎo)體材料吸收光子能量后在其內(nèi)部產(chǎn)，則在半導(dǎo)體材料吸收光子能量后在其內(nèi)部產(chǎn)生電子生電子-空穴對(duì)

39、，對(duì)于空穴對(duì)，對(duì)于N-Si半導(dǎo)體襯底，少數(shù)載流子是空穴。當(dāng)半導(dǎo)體襯底，少數(shù)載流子是空穴。當(dāng)MOS晶體管柵極晶體管柵極未加電壓時(shí)，它的柵極與源極不導(dǎo)通；未加電壓時(shí)，它的柵極與源極不導(dǎo)通；當(dāng)柵極加上負(fù)偏壓后，就在電極下方產(chǎn)生一個(gè)收集光生空穴（電荷）的勢阱。當(dāng)柵極加上負(fù)偏壓后，就在電極下方產(chǎn)生一個(gè)收集光生空穴（電荷）的勢阱。由于勢阱內(nèi)的空穴數(shù)目與光強(qiáng)有關(guān)，因此一個(gè)光學(xué)圖像可轉(zhuǎn)換成電極下面的電由于勢阱內(nèi)的空穴數(shù)目與光強(qiáng)有關(guān)，因此一個(gè)光學(xué)圖像可轉(zhuǎn)換成電極下面的電荷圖像。光照時(shí)間越長，勢阱內(nèi)積累（積分）的電荷數(shù)就越多。荷圖像。光照時(shí)間越長，勢阱內(nèi)積累（積分）的電荷數(shù)就越多。同時(shí)，柵極加上負(fù)偏壓后，漏極和源

40、極導(dǎo)通，如果給柵極加上脈沖信號(hào)，即以同時(shí)，柵極加上負(fù)偏壓后，漏極和源極導(dǎo)通，如果給柵極加上脈沖信號(hào)，即以不同的方式給不同不同的方式給不同CMOS電極加偏壓，使不同柵極下勢阱中的電荷按一定順序電極加偏壓，使不同柵極下勢阱中的電荷按一定順序轉(zhuǎn)移輸出，就能將圖像的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像的電信號(hào)。轉(zhuǎn)移輸出，就能將圖像的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像的電信號(hào)。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 33 陣列中的每個(gè)像素由一陣列中的每個(gè)像素由一個(gè)光電二極管和一個(gè)電容個(gè)光電二極管和一個(gè)電容Cpx組成，如圖組成，如圖9.3.7（b）所示。所示。 當(dāng)像素接收到物體某點(diǎn)當(dāng)像素接收到物體某點(diǎn)（比如（比如W點(diǎn)）發(fā)射的信號(hào)點(diǎn)）發(fā)射的信號(hào)光時(shí)，光電

41、二極管就產(chǎn)生光時(shí)，光電二極管就產(chǎn)生一個(gè)光電流一個(gè)光電流Is，該電流就對(duì)，該電流就對(duì)該像素電容該像素電容Cpx充電，充電，W點(diǎn)點(diǎn)的光信號(hào)就是儲(chǔ)存在該電的光信號(hào)就是儲(chǔ)存在該電容的電荷。容的電荷。 因此，像素陣列就保存有該物體的圖像，該圖像信因此，像素陣列就保存有該物體的圖像，該圖像信號(hào)就是儲(chǔ)存在像素電容中的電荷。我們要做的事情號(hào)就是儲(chǔ)存在像素電容中的電荷。我們要做的事情就是讀出這些電荷。就是讀出這些電荷。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 34圖圖9.3.7 CMOS攝像器件攝像器件 圖圖9.3.7（c）表示二維）表示二維CMOS陣列成像器件的基本結(jié)構(gòu)，陣陣列成像器件的基本結(jié)構(gòu)，陣列中的每個(gè)像元由一個(gè)光

42、電二列中的每個(gè)像元由一個(gè)光電二極管和一個(gè)極管和一個(gè)CMOS開關(guān)組成；開關(guān)組成； 其基本工作原理如下：首先由其基本工作原理如下：首先由行掃描電路選中第一行，然后行掃描電路選中第一行，然后由列掃描電路選中第一列，這由列掃描電路選中第一列，這樣在二維陣列中左上方的像素樣在二維陣列中左上方的像素11被選中，其儲(chǔ)存的光生電荷被選中，其儲(chǔ)存的光生電荷首先被送到輸出線上，然后該首先被送到輸出線上，然后該光電二極管復(fù)位。光電二極管復(fù)位。 接著，依次選中像素接著，依次選中像素12、13、1n，依次送到輸出線上。然后，依次送到輸出線上。然后，依次再選中依次再選中21、22、2n，一，一直到像素直到像素nn中的電荷

43、全部都輸中的電荷全部都輸出，就完成了一幀（一個(gè)周期）出，就完成了一幀（一個(gè)周期）的讀出。這種讀出方法稱為的讀出。這種讀出方法稱為x-y尋址。尋址。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 35圖圖9.3.8 有源像素有源像素CMOS圖像傳感器圖像傳感器（a）CMOS圖像傳感器圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)的像素結(jié)構(gòu) CMOS圖像傳感器基本上是圖像傳感器基本上是一個(gè)有源矩陣陣列，陣列中一個(gè)有源矩陣陣列，陣列中每個(gè)像素具有一個(gè)光電二極每個(gè)像素具有一個(gè)光電二極管，一個(gè)或多個(gè)管，一個(gè)或多個(gè)CMOS晶體晶體管，以便讀出和放大入射到管，以便讀出和放大入射到該像素上的光生電信號(hào)。該像素上的光生電信號(hào)。 而無源像素傳感器只有一個(gè)而

44、無源像素傳感器只有一個(gè)開關(guān)晶體管用于讀出電荷。開關(guān)晶體管用于讀出電荷。 T1是復(fù)位晶體管，是復(fù)位晶體管，T2是一是一個(gè)源極跟隨器（即緩存器），個(gè)源極跟隨器（即緩存器），T3是像素開關(guān)晶體管。當(dāng)是像素開關(guān)晶體管。當(dāng)T1斷開時(shí)，光電流對(duì)光電二斷開時(shí)，光電流對(duì)光電二極管自身電容充電。當(dāng)行極管自身電容充電。當(dāng)行X接收信號(hào)時(shí)，接收信號(hào)時(shí)，T3接通，光電接通，光電二極管上的信號(hào)電壓通過緩二極管上的信號(hào)電壓通過緩存器存器T2被轉(zhuǎn)移到列被轉(zhuǎn)移到列Y上。此上。此時(shí)像素被復(fù)位，時(shí)像素被復(fù)位，T1連接光電連接光電二極管到二極管到UDD，清除累積的，清除累積的電荷。電荷。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 36圖圖9.3.

45、8 有源像素有源像素CMOS圖像傳感器圖像傳感器（b）CMOS圖像圖像傳感器的橫截面?zhèn)鞲衅鞯臋M截面 CMOS圖像傳感器圖像傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，其具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中之一是可以低成中之一是可以低成本地集成在一個(gè)芯本地集成在一個(gè)芯片上，稱為芯片上片上，稱為芯片上的照相機(jī)。的照相機(jī)。 為了彩色成像，這為了彩色成像，這種芯片的每個(gè)像素種芯片的每個(gè)像素具有一個(gè)微透鏡、具有一個(gè)微透鏡、一個(gè)藍(lán)色或綠色或一個(gè)藍(lán)色或綠色或紅色濾色器，如圖紅色濾色器，如圖9.3.8（b）所示。）所示。之外，該芯片還要之外，該芯片還要具有模擬信號(hào)放大、具有模擬信號(hào)放大、處理，圖像讀出和處理，圖像讀出和模模/數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。數(shù)轉(zhuǎn)換等功能

46、。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 379.3.5 圖像傳感器系統(tǒng)及色彩分離技術(shù)圖像傳感器系統(tǒng)及色彩分離技術(shù) 圖像傳感器系統(tǒng)是一個(gè)由光敏像素（元）陣列及其行、列圖像傳感器系統(tǒng)是一個(gè)由光敏像素（元）陣列及其行、列信號(hào)讀出電路組成的集成電路芯片，如圖信號(hào)讀出電路組成的集成電路芯片，如圖9.3.9（a）所示，）所示，即能夠捕獲圖像、提供電信號(hào)（如電流、電荷、電壓）輸即能夠捕獲圖像、提供電信號(hào)（如電流、電荷、電壓）輸出。通常，該輸出由一個(gè)多路復(fù)用器變成一維電信號(hào)，通出。通常，該輸出由一個(gè)多路復(fù)用器變成一維電信號(hào)，通過模過模-數(shù)轉(zhuǎn)換后，變成圖像信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。數(shù)轉(zhuǎn)換后，變成圖像信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。 傳感器由傳感

47、器由N行、行、M列像素陣列組成，每個(gè)像素有一個(gè)光敏列像素陣列組成，每個(gè)像素有一個(gè)光敏探測器，提供與接收到的光強(qiáng)成正比的電信號(hào)（電荷）輸探測器，提供與接收到的光強(qiáng)成正比的電信號(hào)（電荷）輸出。一個(gè)透鏡聚焦物體光信號(hào)到圖像傳感器上，圖像每個(gè)出。一個(gè)透鏡聚焦物體光信號(hào)到圖像傳感器上，圖像每個(gè)點(diǎn)的光強(qiáng)點(diǎn)的光強(qiáng)I（x,y）照射到傳感器上對(duì)應(yīng)（）照射到傳感器上對(duì)應(yīng)（x,y）位置上的像）位置上的像素上，變成與光強(qiáng)素上，變成與光強(qiáng)I（x,y）成正比的電信號(hào)（電荷），于）成正比的電信號(hào)（電荷），于是，每個(gè)像素就攜帶一小部分圖像的信息。是，每個(gè)像素就攜帶一小部分圖像的信息。 因?yàn)閳D像被分割成因?yàn)閳D像被分割成N M個(gè)

48、像素，所以圖像傳感器的規(guī)模個(gè)像素，所以圖像傳感器的規(guī)模（大?。Q定圖像的質(zhì)量，也決定圖像的分辨率。（大小）決定圖像的質(zhì)量，也決定圖像的分辨率。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 38（a）使用光敏像素陣列構(gòu)成的圖像傳感系統(tǒng)）使用光敏像素陣列構(gòu)成的圖像傳感系統(tǒng) 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 39圖像傳感器色彩分離技術(shù)圖像傳感器色彩分離技術(shù) 為了形成彩色信號(hào)，彩色攝像機(jī)目前主為了形成彩色信號(hào)，彩色攝像機(jī)目前主要有三種分離方法：濾波法、三色分光要有三種分離方法：濾波法、三色分光棱鏡法和光電二極管色彩分離法。棱鏡法和光電二極管色彩分離法。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 40圖圖9.3.9 圖圖像傳感器的像傳

49、感器的兩種色彩分兩種色彩分離技術(shù)離技術(shù) （a）在三個(gè)不同的像素前分別使用紅、綠和藍(lán)）在三個(gè)不同的像素前分別使用紅、綠和藍(lán)濾波器捕獲相對(duì)應(yīng)的光信號(hào)濾波器捕獲相對(duì)應(yīng)的光信號(hào) 這種方法稱為這種方法稱為Bayer濾波，它結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格濾波，它結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，目前在工業(yè)、家用攝像機(jī)中占統(tǒng)治地位。低廉，目前在工業(yè)、家用攝像機(jī)中占統(tǒng)治地位。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 41（b）使用三色棱鏡把入射圖像全色信號(hào)分成紅、綠）使用三色棱鏡把入射圖像全色信號(hào)分成紅、綠和藍(lán)光信號(hào)，分別用三個(gè)和藍(lán)光信號(hào)，分別用三個(gè)CCD芯片轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的芯片轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)電信號(hào) 這種方法這種方法成像質(zhì)量成像質(zhì)量好，主要好，

50、主要用于電視用于電視臺(tái)高質(zhì)量臺(tái)高質(zhì)量的攝像機(jī)。的攝像機(jī)。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 42利用光電二極管分離三個(gè)色彩光信號(hào)利用光電二極管分離三個(gè)色彩光信號(hào) 第三種技術(shù)是利用一個(gè)能夠分離出三個(gè)第三種技術(shù)是利用一個(gè)能夠分離出三個(gè)色彩光信號(hào)的光電二極管實(shí)現(xiàn)。色彩光信號(hào)的光電二極管實(shí)現(xiàn)。 光電二極管在光電二極管在P-Si襯底上形成襯底上形成N-P-N三層三層結(jié)構(gòu)，從表面到內(nèi)部依次取出藍(lán)色信號(hào)、結(jié)構(gòu)，從表面到內(nèi)部依次取出藍(lán)色信號(hào)、綠色信號(hào)和紅色信號(hào)。綠色信號(hào)和紅色信號(hào)。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 43圖圖9.3.10 CMOS成成像器件單像器件單元像素色元像素色彩分離光彩分離光電二極管電二極管的結(jié)構(gòu)的

51、結(jié)構(gòu) CMOS器件的色彩采用一個(gè)能夠分離出三個(gè)色彩信號(hào)器件的色彩采用一個(gè)能夠分離出三個(gè)色彩信號(hào)的光電二極管實(shí)現(xiàn)。光電二極管在的光電二極管實(shí)現(xiàn)。光電二極管在P-Si襯底上形成襯底上形成N-P-N三層結(jié)構(gòu)，從表面到內(nèi)部依次取出藍(lán)色信號(hào)、綠三層結(jié)構(gòu)，從表面到內(nèi)部依次取出藍(lán)色信號(hào)、綠色信號(hào)和紅色信號(hào)，如圖色信號(hào)和紅色信號(hào)，如圖9.3.10所示。所示。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 44光電二極管分離色彩光電二極管分離色彩 的原理的原理這種結(jié)構(gòu)的光電二極管之所以能夠分離色彩，是因?yàn)槔霉瑁ㄟ@種結(jié)構(gòu)的光電二極管之所以能夠分離色彩，是因?yàn)槔霉瑁⊿i）對(duì)）對(duì)于不同波長的光吸收程度不同，如左圖所示，當(dāng)入射光波

52、長太短（頻于不同波長的光吸收程度不同，如左圖所示，當(dāng)入射光波長太短（頻率太高）時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率也會(huì)大大下降，這是因?yàn)椴牧蠈?duì)光的吸收率太高）時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率也會(huì)大大下降，這是因?yàn)椴牧蠈?duì)光的吸收系數(shù)是波長的函數(shù)。系數(shù)是波長的函數(shù)。當(dāng)入射波長很短時(shí)，比如藍(lán)光，材料對(duì)藍(lán)光的吸收系數(shù)變得很大，如當(dāng)入射波長很短時(shí)，比如藍(lán)光，材料對(duì)藍(lán)光的吸收系數(shù)變得很大，如右圖所示，結(jié)果使大量的入射藍(lán)光的光子在光電二極管的表面層里被右圖所示，結(jié)果使大量的入射藍(lán)光的光子在光電二極管的表面層里被吸收，所以可從表面層取出入射彩色圖像光的藍(lán)色成分。吸收，所以可從表面層取出入射彩色圖像光的藍(lán)色成分。接著從外到里，可以取出綠色成分和紅

53、色成分。接著從外到里，可以取出綠色成分和紅色成分。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 459.3.6 CMOS和和CCD攝像器件的比較攝像器件的比較 從圖像光信號(hào)產(chǎn)生圖像電信號(hào)的基理來看，從圖像光信號(hào)產(chǎn)生圖像電信號(hào)的基理來看，CMOS圖像傳感器和圖像傳感器和CCD圖像傳感器是相圖像傳感器是相同的，即都是在半導(dǎo)體材料吸收光子后，同的，即都是在半導(dǎo)體材料吸收光子后，假如入射光子的能量超過半導(dǎo)體禁帶能量假如入射光子的能量超過半導(dǎo)體禁帶能量Eg，則在半導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生電子，則在半導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生電子-空穴空穴對(duì)，柵極施加電壓后，就將光生電荷存儲(chǔ)對(duì)，柵極施加電壓后，就將光生電荷存儲(chǔ)在電極下面的勢阱內(nèi)。在電極下

54、面的勢阱內(nèi)。 但是，從取出信號(hào)的方式、電路結(jié)構(gòu)、器但是，從取出信號(hào)的方式、電路結(jié)構(gòu)、器件制造工藝、性能來看，兩者就有很大的件制造工藝、性能來看，兩者就有很大的差異。差異。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 46圖圖9.3.13 CCD和和CMOS圖像器件的基本結(jié)構(gòu)比較圖像器件的基本結(jié)構(gòu)比較CCD各像素光生信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移輸出合成一幀后，統(tǒng)一由放大器各像素光生信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移輸出合成一幀后，統(tǒng)一由放大器放大；而放大；而CMOS各像素光生信號(hào)電荷則是先放大再輸出合成。各像素光生信號(hào)電荷則是先放大再輸出合成。CCD圖像傳感器直接傳送信號(hào)電荷，容易受到漏光噪聲的影響，圖像傳感器直接傳送信號(hào)電荷，容易受到漏光噪聲的影

55、響，某一像元電荷飽和后溢出就會(huì)向相鄰像元泄漏，產(chǎn)生圖像光暈?zāi)骋幌裨姾娠柡秃笠绯鼍蜁?huì)向相鄰像元泄漏，產(chǎn)生圖像光暈與拖影；與拖影；CMOS圖像傳感器則在像素單元內(nèi)就對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行了放大，圖像傳感器則在像素單元內(nèi)就對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行了放大，通過列總線輸出，所以在轉(zhuǎn)移電荷的過程中，不容易受到噪聲通過列總線輸出，所以在轉(zhuǎn)移電荷的過程中，不容易受到噪聲的影響，不會(huì)發(fā)生電荷的損失，圖像沒有光暈、拖影與模糊等的影響，不會(huì)發(fā)生電荷的損失，圖像沒有光暈、拖影與模糊等現(xiàn)象?，F(xiàn)象。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 47圖圖9.3.14 CCD和和CMOS圖像傳感器構(gòu)成的比較圖像傳感器構(gòu)成的比較（a）CCD圖像傳感器的構(gòu)成圖

56、像傳感器的構(gòu)成 （b）CMOS圖像傳感器的構(gòu)成圖像傳感器的構(gòu)成由于由于CMOS圖像傳感器的各像素信號(hào)利用開關(guān)選擇的方式取出，取出的順序可圖像傳感器的各像素信號(hào)利用開關(guān)選擇的方式取出，取出的順序可變，具有較高的掃描自由度，容易控制；而變，具有較高的掃描自由度，容易控制；而CCD圖像傳感器只能將信號(hào)依據(jù)像圖像傳感器只能將信號(hào)依據(jù)像素的排列順序逐個(gè)輸出，因此速度較慢。素的排列順序逐個(gè)輸出，因此速度較慢。CMOS在采集光信號(hào)的同時(shí)，可以取出電信號(hào)，而在采集光信號(hào)的同時(shí)，可以取出電信號(hào)，而CCD卻不能。卻不能。在光譜響應(yīng)上，目前在光譜響應(yīng)上，目前CCD已有已有X射線、紫外線、可見光、紅外和多光譜等多個(gè)射

57、線、紫外線、可見光、紅外和多光譜等多個(gè)品種，而品種，而CMOS僅有可見光一種。僅有可見光一種。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 48CMOS和和CCD攝像器件的其他比較攝像器件的其他比較 CMOS可使用單一的電源，幾乎沒有靜態(tài)電能消耗，功耗僅是可使用單一的電源，幾乎沒有靜態(tài)電能消耗，功耗僅是CCD器件器件的的1/3左右，電池使用壽命長；而左右，電池使用壽命長；而CCD需要多個(gè)電源，需要外部控制信需要多個(gè)電源，需要外部控制信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移。號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移。CCD雖然具有光照靈敏度高、噪聲低、像素面積小等優(yōu)點(diǎn)，但雖然具有光照靈敏度高、噪聲低、像素面積小等優(yōu)點(diǎn)，但CCD光光敏單元陣列

58、難以與時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)控制電路及信號(hào)處理電路單片集成在一起，敏單元陣列難以與時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)控制電路及信號(hào)處理電路單片集成在一起，不易處理模不易處理模/數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和運(yùn)算單元功能。另外，數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和運(yùn)算單元功能。另外，CCD陣列時(shí)鐘脈沖陣列時(shí)鐘脈沖復(fù)雜，需要使用相對(duì)較高的工作電壓，不能與亞微米超大規(guī)模（復(fù)雜，需要使用相對(duì)較高的工作電壓，不能與亞微米超大規(guī)模（VLSI）技術(shù)兼容，制造成本較高。技術(shù)兼容，制造成本較高。與此相比，采用與此相比，采用CMOS技術(shù)可以將光電攝像器件陣列、時(shí)鐘控制電路、技術(shù)可以將光電攝像器件陣列、時(shí)鐘控制電路、信號(hào)處理電路、模信號(hào)處理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、色彩分離、微透鏡陣列和全數(shù)字接口

59、電數(shù)轉(zhuǎn)換器、色彩分離、微透鏡陣列和全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，可以實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗單芯片成像系統(tǒng)。隨著路等完全集成在一起，可以實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗單芯片成像系統(tǒng)。隨著CMOS圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)步，其自身的優(yōu)勢正在不斷發(fā)揮，性能也正圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)步，其自身的優(yōu)勢正在不斷發(fā)揮，性能也正在不斷提高。預(yù)料不久將來在不斷提高。預(yù)料不久將來CMOS圖像傳感器將越來越被人們關(guān)注。圖像傳感器將越來越被人們關(guān)注。CCD常用于普通衛(wèi)星的圖像采集成像器件，但是對(duì)于質(zhì)量輕于常用于普通衛(wèi)星的圖像采集成像器件，但是對(duì)于質(zhì)量輕于10 kg的的微型衛(wèi)星來說，微型衛(wèi)星來說，CCD在體積、質(zhì)量和功耗等方面均難以達(dá)到要求；

60、在體積、質(zhì)量和功耗等方面均難以達(dá)到要求；而而CMOS圖像傳感器將成為遙感成像、太陽敏感器和恒星敏感器等空間圖像傳感器將成為遙感成像、太陽敏感器和恒星敏感器等空間應(yīng)用的首選。應(yīng)用的首選。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 499.3.7 光子效應(yīng)器件匯總光子效應(yīng)器件匯總光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)，光照時(shí)半導(dǎo)體材料自身電阻率會(huì)改變的效應(yīng)，利用光電，光照時(shí)半導(dǎo)體材料自身電阻率會(huì)改變的效應(yīng)，利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的最典型器件就是光敏電阻。光敏電阻種類繁多，根據(jù)使導(dǎo)效應(yīng)制成的最典型器件就是光敏電阻。光敏電阻種類繁多，根據(jù)使用的材料不同，有對(duì)紫外線敏感的，有對(duì)可見光敏感的，有對(duì)紅外敏用的材料不同，有對(duì)紫外線敏感的，有對(duì)可