光敏半導體傳感器課件

第三章

光傳感器第三章

1

第一章光傳感器

光傳感器

根據(jù)光和半導體的相互作用原理制成的傳感器。通過在半導體中摻進雜質(zhì)可以在禁帶中造成新的能級，可以人為地將光的吸收移至長波范圍。

半導體光傳感器種類很多，可以通過光導效應、光電效應、光電流等實現(xiàn)光的檢出，如光敏電阻、光電二極管、光電三極管、光電池等。改變結(jié)構(gòu)，還可以制成具有新功能的光傳感器，例如靈敏度高和響應速度快的近紅外檢出器件、僅在特定波長范圍靈敏的器件、發(fā)光與受光器件處于同一襯底的器件、可進行光檢出和電流放大的器件、光導膜與液晶元件相結(jié)合的器件、電荷耦合器件等。

第一章光傳感器光傳感器

根據(jù)光和半導體的相互作2光傳感器分類光3第一章光傳感器光電原理光電導1、太陽能電池2、光電探測器3、光電二極管、4、三極管5、色敏傳感器6、CCD像傳感器第一章光傳感器4光電傳感器基本原理

光學吸收光電傳感器基本原理

光學吸收5光吸收系數(shù)光流強度光吸收系數(shù)6兩種不同吸收系數(shù)光強與距離的關(guān)系兩種不同吸收系數(shù)光強與距離的關(guān)系7半導體的光吸收本征吸收1）直接躍遷2）間接躍遷非本征吸收2，激子吸收3，自由載流子吸收4，雜質(zhì)吸收5，晶格振動吸收半導體的光吸收本征吸收8Figure12.4幾種不同半導體的吸收系數(shù)與波長的關(guān)系Figure12.4幾種不同半導體的吸收系數(shù)與波長的關(guān)系9Figure12.5Figure12.510反射系數(shù)與透射系數(shù)

反射系數(shù)與透射系數(shù)

11電子空穴對的產(chǎn)生電子空穴對的產(chǎn)生12

1，太陽能電池（不屬于光傳感器是光能源）P-N結(jié)太陽能電池1，太陽能電池（不屬于光傳感器是光能源）P-N結(jié)太陽能電13光敏半導體傳感器ppt課件14

Figure14.7光電池的I-V特性曲線Figure14.715傳送到負載上的功率是：求負載上的最大功率時的電流和電壓：傳送到負載上的功率是：求負載上的最大功率時的電流和電壓：16Figure14.8最大功率矩形Im是V=Vm時的電流.Figure14.8最大功率矩形Im是V=Vm17轉(zhuǎn)換效率與太陽光集中太陽能轉(zhuǎn)換效率定義：輸出電能/入射光能太陽能電池中可能的最大電流和最大電壓分別是：太陽能電池具有代表性的占空系數(shù)在0.7~0.8之間。太陽能電池的效率理論值是28%。由于串聯(lián)電阻和表面反射一般在10~15%。光學透鏡聚焦。轉(zhuǎn)換效率與太陽光集中太陽能轉(zhuǎn)換效率定義：輸出電能/入射光能太182，光電探測器2.1光電導體2，光電探測器2.1光電導體19光敏半導體傳感器ppt課件20例題：計算硅光電導體的增益。n型硅，長度L=100um,橫截面A=10-7cm2,少子壽命

p=10-6s.所加電壓v=10V解：電子輸運時間為：光電導增益：光電導增益與頻率相應的開關(guān)速度矛盾，需折中。例題：計算硅光電導體的增益。n型硅，長度L=100um,橫21光敏半導體傳感器ppt課件22CdSCdSCdSCdSCdSCdSCdSCdS23光敏半導體傳感器ppt課件24光敏半導體傳感器ppt課件25光敏半導體傳感器ppt課件26光敏半導體傳感器ppt課件27光敏半導體傳感器ppt課件283，響應特性3，響應特性294電流-電壓特性I=KVαL

K（材料形狀載流子壽命）,電壓指數(shù)=1.1~1.2

照度指數(shù)=0.5~1（與雜質(zhì)種類有關(guān)）功耗太大時，器件溫度會上升電阻率會發(fā)生與光強無關(guān)的變化4電流-電壓特性I=KVαL30光敏半導體傳感器ppt課件31光敏半導體傳感器ppt課件32光敏半導體傳感器ppt課件333，光電二極管3.1，光電二極管是施加反向電壓的pn結(jié)二極管。3，光電二極管3.1，光電二極管是施加反向電壓的pn結(jié)二極34光照之前反偏下少子分布光照之前反偏下少子分35Figure12.18穩(wěn)態(tài)下，光生少數(shù)載流子濃度與“長”反偏pn結(jié)中光電流Figure12.18穩(wěn)態(tài)下，光生少數(shù)載流子濃度與“長”36空間電荷區(qū)產(chǎn)生的光電流：空間電荷區(qū)產(chǎn)生的光電流：37二極管中性區(qū)產(chǎn)生的過剩載流子二極管中性區(qū)產(chǎn)生的過剩載流子38光敏半導體傳感器ppt課件39少數(shù)載流子濃度梯度將產(chǎn)生擴散電流，少子電子在x=0處產(chǎn)生的擴散電流密度為：

少數(shù)載流子濃度梯度將產(chǎn)生擴散電流，少子電子在x=0處產(chǎn)生的擴40光電流中擴散電流成分的時間響應相對比較慢，也成為延遲光電流。

光電流中擴散電流成分的時間響應相對比較慢，也成為延遲光電流。41電流電壓特性開路電壓短路電流電流電壓特性423.2pin光電二極管pin光電二極管的瞬時光電流比普通光電二極管的大。3.2pin光電二極管pin光電二極管的瞬時光電流比普通43介紹激光雷達四相限光電二極管1.06波長介紹激光雷達四相限光電二極管1.06波長44光敏半導體傳感器ppt課件453.3雪崩光電二極管3.3雪崩光電二極管46

假設(shè)耗盡禁區(qū)寬度10μm,飽和速度107cm/s：

調(diào)制信號周期2

t：如果雪崩光電二極管的電流增益是20，則帶寬增益是100GHz,器件可響應調(diào)制在微波頻率的光波。

假設(shè)耗盡禁區(qū)寬度10μm,飽和速度107cm/s：

調(diào)制47光敏半導體傳感器ppt課件48光敏半導體傳感器ppt課件494，光電晶體管4，光電晶體管50光敏半導體傳感器ppt課件51光敏半導體傳感器ppt課件52光敏半導體傳感器ppt課件53光敏半導體傳感器ppt課件54光敏半導體傳感器ppt課件55光敏半導體傳感器ppt課件56

2.模擬式光電傳感器工作方式

模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性,其光通量是隨被測量而變,光電流就成為被測量的函數(shù),故又稱為光電傳感器的函數(shù)運用狀態(tài)光電傳感器。

這一類光電傳感器有如下幾種工作方：

工作方式1.脈沖式光電傳感器

脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài),也就是“通”、“斷”的開關(guān)狀態(tài),所以也稱為光電元件的開關(guān)運用狀態(tài)。這類傳感器要求光電元件靈敏度高,而對光電特性的線性要求不高。主要用于零件或產(chǎn)品的自動計數(shù)、光控開關(guān)、電子計算機的光電輸入設(shè)備、光電編碼器及光電報警裝置等方面。

2.模擬式光電傳感器工作方式

模擬式光電傳感器的工作原理是571)吸收式被測物體位于恒定光源與光電元件之間,根據(jù)被測物對光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來測定被測參數(shù)。如測量液體、氣體的透明度、混濁度,對氣體進行成分分析,測定液體中某種物質(zhì)的含量等。1)吸收式被測物體位于恒定光源與光電元件之582)反射式

恒定光源發(fā)出的光投射到被測物體上,被測物體把部分光通量反射到光電元件上,根據(jù)反射的光通量多少測定被測物表面狀態(tài)和性質(zhì)。例如測量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。2)反射式恒定光源發(fā)出的光投射到被測物體上,被測物體把部593)遮光式

被測物體位于恒定光源與光電元件之間,光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物遮去其一部分,使作用在光電元件上的光通量減弱,減弱的程度與被測物在光學通路中的位置有關(guān)。利用這一原理可以測量長度、厚度、線位移、角位移、振動等。3)遮光式被測物體位于恒定光源與光電元件之604)輻射式

被測物體本身就是輻射源，它可以直接照射在光電元件上，也可以經(jīng)過一定的光路后作用在光電元件上。光電高溫計、比色高溫計、紅外偵察和紅外遙感等均屬于這一類。這種方式也可以用于防火報警和構(gòu)成光照度計等。4)輻射式被測物體本身就是輻射源，它可以直615、半導體色敏傳感器5、半導體色敏傳感器62光敏半導體傳感器ppt課件63光敏半導體傳感器ppt課件64光敏半導體傳感器ppt課件65光敏半導體傳感器ppt課件666、CCD像傳感器

電荷耦合器件(Charge

Coupled

Device)，簡稱為CCD，是一種新型的MOS性半導體器件，CCD的核心是MOS電容。MOS電容的有序陣列再加上輸入與輸出部分就構(gòu)成了CCD的基本結(jié)構(gòu)，在柵電極上施加適當時鐘脈沖電壓時，在半導體表面就形成了能存貯少數(shù)載流子的勢阱，用光或電注入的方法把代表信號的少數(shù)載流子注入勢阱中，再通過時鐘脈沖的有規(guī)律變化，使勢阱的深度發(fā)生相應的變化，從而使注入勢阱中的少數(shù)載流子在半導體表面內(nèi)作定向運動，再通過少數(shù)載流子的收集和再生得到信號的輸出。6、CCD像傳感器電荷耦合器件(Charge

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CCD和MOS場效應晶體管雖然都是MOS結(jié)構(gòu)，但工作狀態(tài)完全不同，MOS場效應晶體管是工作在反型溝道形成后的熱平衡狀態(tài)，而CCD存貯和轉(zhuǎn)移電荷都是在到達熱平衡狀態(tài)以前的非穩(wěn)狀態(tài)內(nèi)進行的，所以CCD是一種在非穩(wěn)態(tài)下工作的器件。因此，CCD溝道內(nèi)的載流子是從輸入端注入進來僅由信號的大小決定的，而與柵上的時鐘脈沖電壓無關(guān)，時鐘脈沖電壓只起存貯和轉(zhuǎn)移信號電荷的作用。為了使信號電荷能夠定向快速轉(zhuǎn)移，有種種電極結(jié)構(gòu)和時鐘脈沖的設(shè)計，電荷耦合器件可分為表面溝道和隱埋溝道兩種類型。前者轉(zhuǎn)移夠溝道在半導體表面形成，存貯和轉(zhuǎn)移的電荷是少數(shù)載流子，簡稱為SCCD；后者轉(zhuǎn)移溝道在半導體體內(nèi)形成，存貯和轉(zhuǎn)移的電荷是多數(shù)載流子，簡稱為BCCD。CCD和MOS場效應晶體管雖然都是MOS68電荷耦合成像器件（CCD）長期以來，由于采用真空系統(tǒng)，所以攝像器件大而笨重。為此人們一直在研究固定成像器件，自20世紀60年代以來，隨著薄膜技術(shù)，尤其是薄膜晶體管技術(shù)的發(fā)展，固體自掃描攝像器件得到了很大進步。它采用了分立的像敏單元陣列，每個單元分別同垂直和水平掃描尋址電路連接，靠掃描寄存器取出各點的信號。由于每個像素的信息實際獨立地傳送，掃描電路盡管十分復雜，但它仍為固體自掃描器件打下了基礎(chǔ)。到1970年隨著電荷耦合器件的出現(xiàn)，使得固體自掃描，攝像器得到飛躍發(fā)展，目前已經(jīng)得到廣泛應用。其中包括黑白與彩色、微光與紅外攝像器件。它具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、成本低等優(yōu)點，已成為光電器件的一個重要分支。電荷耦合成像器件（CCD）691]CCD工作原理

瞬態(tài)特性

熱馳豫時間是少數(shù)載流子壽命的五倍約1秒。

1]CCD工作原理

瞬態(tài)特性

熱馳豫時間是少數(shù)載流子壽命的70a]CCD的基本結(jié)構(gòu)-MOS電容的剖面圖a]CCD的基本結(jié)構(gòu)-MOS電容的剖面圖71光敏半導體傳感器ppt課件72光敏半導體傳感器ppt課件73光敏半導體傳感器ppt課件74光敏半導體傳感器ppt課件75光敏半導體傳感器ppt課件762]CCD的輸入和輸出2]CCD的輸入和輸出77電荷傳輸原理電荷傳輸原理78MOS電荷傳輸原理

電荷包轉(zhuǎn)移

儲存少數(shù)載流子的勢阱MOS電荷傳輸原理

電荷包轉(zhuǎn)移

儲存少數(shù)載流子的勢阱79三相CCD多各順序排列的MOS電容，在三相時鐘的作用下就構(gòu)成了電荷耦合器件。可以看出這種器件是以三個電極為一組的，每一組可以容納一個電荷信號，在三相時鐘脈沖信號作用下，各組中的信號電荷定向傳送，互不干擾。三相CCD80光敏半導體傳感器ppt課件81兩相CCD當臨近電極的電壓交替的在V0+V和V0-V之間變化。兩相CCD當臨近電極的電壓交替的在V0+V和V0-V之間82光敏半導體傳感器ppt課件83光敏半導體傳感器ppt課件84光敏半導體傳感器ppt課件85CCD器件的主要參數(shù)CCD器件的主要參數(shù)86光敏半導體傳感器ppt課件873）轉(zhuǎn)移無效率（損失率）

3）轉(zhuǎn)移無效率（損失率）

884）工作頻率4）工作頻率89光敏半導體傳感器ppt課件90CCD(電荷藕合器件圖像傳感器)CCD(電荷藕合器件圖像傳感器)91光敏半導體傳感器ppt課件92光敏半導體傳感器ppt課件93光敏半導體傳感器ppt課件94光敏半導體傳感器ppt課件952面型像傳感器2面型像傳感器96光敏半導體傳感器ppt課件97光敏半導體傳感器ppt課件98光敏半導體傳感器ppt課件99光敏半導體傳感器ppt課件100光敏半導體傳感器ppt課件101光敏半導體傳感器ppt課件102（5）分辨率最高分辨率分別由水平和垂直方向的像素總數(shù)所決定。（5）分辨率103CMOS像傳感器

CMOS

互補性氧化金屬半導體：

Complementary

Semiconductor）VDDCMOS像傳感器

CMOS

互補性氧化金屬半導體：

Com104CMOS和CCD的區(qū)別比較CCD和CMOS的結(jié)構(gòu)，ADC的位置和數(shù)量是最大的不同。簡單的說，按我們在上一講“CCD感光元件的工作原理（上）”中所提之內(nèi)容。CCD每曝光一次，在快門關(guān)閉后進行像素轉(zhuǎn)移處理，將每一行中每一個像素（pixel）的電荷信號依序傳入“緩沖器”中，由底端的線路引導輸出至CCD旁的放大器進行放大，再串聯(lián)ADC輸出；相對地，CMOS的設(shè)計中每個像素旁就直接連著ADC（放大兼類比數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器），訊號直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。CMOS和CCD的區(qū)別比較CCD和CMOS的結(jié)構(gòu)，A105由于構(gòu)造上的基本差異，我們可以表列出兩者在性能上的表現(xiàn)之不同。CCD的特色在于充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設(shè)計），透過每一個像素集合至單一放大器上再做統(tǒng)一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的制程較簡單，沒有專屬通道的設(shè)計，因此必須先行放大再整合各個像素的資料。整體來說，CCD與CMOS兩種設(shè)計的應用，反應在成像效果上，形成包括ISO感光度、制造成本、解析度、噪點與耗電量等，不同類型的差異：由于構(gòu)造上的基本差異，我們可以表列出兩者在性能上的表現(xiàn)之不同106ISO感光度差異：由于CMOS每個像素包含了放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路，過多的額外設(shè)備壓縮單一像素的感光區(qū)域的表面積，因此相同像素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會低于CCD。成本差異：CMOS應用半導體工業(yè)常用的MOS制程，可以一次整合全部周邊設(shè)施于單晶片中，節(jié)省加工晶片所需負擔的成本和良率的損失；相對地CCD采用電荷傳遞的方式輸出資訊，必須另辟傳輸通道，如果通道中有一個像素故障（Fail），就會導致一整排的訊號壅塞，無法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟傳輸通道和外加ADC等周邊，CCD的制造成本相對高于CMOS。ISO感光度差異：由于CMOS每個像素包含了放大器與A107解析度差異：在第一點“感光度差異”中，由于CMOS每個像素的結(jié)構(gòu)比CCD復雜，其感光開口不及CCD大，相對比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時，CCD感光器的解析度通常會優(yōu)于CMOS。不過，如果跳脫尺寸限制，目前業(yè)界的CMOS感光原件已經(jīng)可達到1400萬像素/全片幅的設(shè)計，CMOS技術(shù)在量率上的優(yōu)勢可以克服大尺寸感光原件制造上的困難，特別是全片幅24mm-by-36mm這樣的大小。解析度差異：在第一點“感光度差異”中，由于CMOS每個像108噪點差異：由于CMOS每個感光二極體旁都搭配一個ADC放大器，如果以百萬像素計，那么就需要百萬個以上的ADC放大器，雖然是統(tǒng)一制造下的產(chǎn)品，但是每個放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達到放大同步的效果，對比單一個放大器的CCD，CMOS最終計算出的噪點就比較多。噪點差異：由于CMOS每個感光二極體旁都搭配一個ADC放109耗電量差異：CMOS的影像電荷驅(qū)動方式為主動式，感光二極體所產(chǎn)生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動式，必須外加電壓讓每個像素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12伏特（V）以上的水平，因此CCD還必須要有更精密的電源線路設(shè)計和耐壓強度，高驅(qū)動電壓使CCD的電量遠高于CMOS。耗電量差異：CMOS的影像電荷驅(qū)動方式為主動式，感光二極體所110CMOS和CCD的區(qū)別

由兩種感光器件的工作原理可以看出，CCD(電荷藕合器件圖像傳感器：Charge

Coupled

Device），它的優(yōu)勢在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復雜，只有少數(shù)的廠商能夠掌握，所以導致制造成本居高不下，特別是大型CCD，價格非常高昂。

在相同分辨率下，CMOS(互補性氧化金屬半導體：Complementary

Metal-Oxide

Semiconductor）價格比CCD便宜，但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來說要低一些。到目前為止，市面上絕大多數(shù)的消費級別以及高端數(shù)碼相機都使用CCD作為感應器；CMOS感應器則作為低端產(chǎn)品應用于一些攝像頭上。

CMOS和CCD的區(qū)別111

盡管CCD在影像品質(zhì)等各方面均優(yōu)于CMOS，但不可否認的CMOS具有低成本、低耗電以及高整合度的特性。由于數(shù)碼影像的需求熱烈，CMOS的低成本和穩(wěn)定供貨，成為廠商的最愛，也因此其制造技術(shù)不斷地改良更新，使得CCD與CMOS兩者的差異逐漸縮小。新一代的CCD朝向耗電量減少作為改進目標，以期進入照相手機的行動通訊市場；CMOS系列，則開始朝向大尺寸面積與高速影像處理晶片統(tǒng)合，藉由后續(xù)的影像處理修正噪點以及畫質(zhì)表現(xiàn)，特別是Canon系列的EOSD30、EOS300D的成功，足見高速影像