光敏半导体传感器课件

第三章

光传感器第三章

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第一章光传感器

光传感器

根据光和半导体的相互作用原理制成的传感器。通过在半导体中掺进杂质可以在禁带中造成新的能级，可以人为地将光的吸收移至长波范围。

半导体光传感器种类很多，可以通过光导效应、光电效应、光电流等实现光的检出，如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电池等。改变结构，还可以制成具有新功能的光传感器，例如灵敏度高和响应速度快的近红外检出器件、仅在特定波长范围灵敏的器件、发光与受光器件处于同一衬底的器件、可进行光检出和电流放大的器件、光导膜与液晶元件相结合的器件、电荷耦合器件等。

第一章光传感器光传感器

根据光和半导体的相互作2光传感器分类光3第一章光传感器光电原理光电导1、太阳能电池2、光电探测器3、光电二极管、4、三极管5、色敏传感器6、CCD像传感器第一章光传感器4光电传感器基本原理

光学吸收光电传感器基本原理

光学吸收5光吸收系数光流强度光吸收系数6两种不同吸收系数光强与距离的关系两种不同吸收系数光强与距离的关系7半导体的光吸收本征吸收1）直接跃迁2）间接跃迁非本征吸收2，激子吸收3，自由载流子吸收4，杂质吸收5，晶格振动吸收半导体的光吸收本征吸收8Figure12.4几种不同半导体的吸收系数与波长的关系Figure12.4几种不同半导体的吸收系数与波长的关系9Figure12.5Figure12.510反射系数与透射系数

反射系数与透射系数

11电子空穴对的产生电子空穴对的产生12

1，太阳能电池（不属于光传感器是光能源）P-N结太阳能电池1，太阳能电池（不属于光传感器是光能源）P-N结太阳能电13光敏半导体传感器ppt课件14

Figure14.7光电池的I-V特性曲线Figure14.715传送到负载上的功率是：求负载上的最大功率时的电流和电压：传送到负载上的功率是：求负载上的最大功率时的电流和电压：16Figure14.8最大功率矩形Im是V=Vm时的电流.Figure14.8最大功率矩形Im是V=Vm17转换效率与太阳光集中太阳能转换效率定义：输出电能/入射光能太阳能电池中可能的最大电流和最大电压分别是：太阳能电池具有代表性的占空系数在0.7~0.8之间。太阳能电池的效率理论值是28%。由于串联电阻和表面反射一般在10~15%。光学透镜聚焦。转换效率与太阳光集中太阳能转换效率定义：输出电能/入射光能太182，光电探测器2.1光电导体2，光电探测器2.1光电导体19光敏半导体传感器ppt课件20例题：计算硅光电导体的增益。n型硅，长度L=100um,横截面A=10-7cm2,少子寿命

p=10-6s.所加电压v=10V解：电子输运时间为：光电导增益：光电导增益与频率相应的开关速度矛盾，需折中。例题：计算硅光电导体的增益。n型硅，长度L=100um,横21光敏半导体传感器ppt课件22CdSCdSCdSCdSCdSCdSCdSCdS23光敏半导体传感器ppt课件24光敏半导体传感器ppt课件25光敏半导体传感器ppt课件26光敏半导体传感器ppt课件27光敏半导体传感器ppt课件283，响应特性3，响应特性294电流-电压特性I=KVαL

K（材料形状载流子寿命）,电压指数=1.1~1.2

照度指数=0.5~1（与杂质种类有关）功耗太大时，器件温度会上升电阻率会发生与光强无关的变化4电流-电压特性I=KVαL30光敏半导体传感器ppt课件31光敏半导体传感器ppt课件32光敏半导体传感器ppt课件333，光电二极管3.1，光电二极管是施加反向电压的pn结二极管。3，光电二极管3.1，光电二极管是施加反向电压的pn结二极34光照之前反偏下少子分布光照之前反偏下少子分35Figure12.18稳态下，光生少数载流子浓度与“长”反偏pn结中光电流Figure12.18稳态下，光生少数载流子浓度与“长”36空间电荷区产生的光电流：空间电荷区产生的光电流：37二极管中性区产生的过剩载流子二极管中性区产生的过剩载流子38光敏半导体传感器ppt课件39少数载流子浓度梯度将产生扩散电流，少子电子在x=0处产生的扩散电流密度为：

少数载流子浓度梯度将产生扩散电流，少子电子在x=0处产生的扩40光电流中扩散电流成分的时间响应相对比较慢，也成为延迟光电流。

光电流中扩散电流成分的时间响应相对比较慢，也成为延迟光电流。41电流电压特性开路电压短路电流电流电压特性423.2pin光电二极管pin光电二极管的瞬时光电流比普通光电二极管的大。3.2pin光电二极管pin光电二极管的瞬时光电流比普通43介绍激光雷达四相限光电二极管1.06波长介绍激光雷达四相限光电二极管1.06波长44光敏半导体传感器ppt课件453.3雪崩光电二极管3.3雪崩光电二极管46

假设耗尽禁区宽度10µm,饱和速度107cm/s：

调制信号周期2

t：如果雪崩光电二极管的电流增益是20，则带宽增益是100GHz,器件可响应调制在微波频率的光波。

假设耗尽禁区宽度10µm,饱和速度107cm/s：

调制47光敏半导体传感器ppt课件48光敏半导体传感器ppt课件494，光电晶体管4，光电晶体管50光敏半导体传感器ppt课件51光敏半导体传感器ppt课件52光敏半导体传感器ppt课件53光敏半导体传感器ppt课件54光敏半导体传感器ppt课件55光敏半导体传感器ppt课件56

2.模拟式光电传感器工作方式

模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性,其光通量是随被测量而变,光电流就成为被测量的函数,故又称为光电传感器的函数运用状态光电传感器。

这一类光电传感器有如下几种工作方：

工作方式1.脉冲式光电传感器

脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也称为光电元件的开关运用状态。这类传感器要求光电元件灵敏度高,而对光电特性的线性要求不高。主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。

2.模拟式光电传感器工作方式

模拟式光电传感器的工作原理是571)吸收式被测物体位于恒定光源与光电元件之间,根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。1)吸收式被测物体位于恒定光源与光电元件之582)反射式

恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。2)反射式恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部593)遮光式

被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。3)遮光式被测物体位于恒定光源与光电元件之604)辐射式

被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计等。4)辐射式被测物体本身就是辐射源，它可以直615、半导体色敏传感器5、半导体色敏传感器62光敏半导体传感器ppt课件63光敏半导体传感器ppt课件64光敏半导体传感器ppt课件65光敏半导体传感器ppt课件666、CCD像传感器

电荷耦合器件(Charge

Coupled

Device)，简称为CCD，是一种新型的MOS性半导体器件，CCD的核心是MOS电容。MOS电容的有序阵列再加上输入与输出部分就构成了CCD的基本结构，在栅电极上施加适当时钟脉冲电压时，在半导体表面就形成了能存贮少数载流子的势阱，用光或电注入的方法把代表信号的少数载流子注入势阱中，再通过时钟脉冲的有规律变化，使势阱的深度发生相应的变化，从而使注入势阱中的少数载流子在半导体表面内作定向运动，再通过少数载流子的收集和再生得到信号的输出。6、CCD像传感器电荷耦合器件(Charge

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CCD和MOS场效应晶体管虽然都是MOS结构，但工作状态完全不同，MOS场效应晶体管是工作在反型沟道形成后的热平衡状态，而CCD存贮和转移电荷都是在到达热平衡状态以前的非稳状态内进行的，所以CCD是一种在非稳态下工作的器件。因此，CCD沟道内的载流子是从输入端注入进来仅由信号的大小决定的，而与栅上的时钟脉冲电压无关，时钟脉冲电压只起存贮和转移信号电荷的作用。为了使信号电荷能够定向快速转移，有种种电极结构和时钟脉冲的设计，电荷耦合器件可分为表面沟道和隐埋沟道两种类型。前者转移够沟道在半导体表面形成，存贮和转移的电荷是少数载流子，简称为SCCD；后者转移沟道在半导体体内形成，存贮和转移的电荷是多数载流子，简称为BCCD。CCD和MOS场效应晶体管虽然都是MOS68电荷耦合成像器件（CCD）长期以来，由于采用真空系统，所以摄像器件大而笨重。为此人们一直在研究固定成像器件，自20世纪60年代以来，随着薄膜技术，尤其是薄膜晶体管技术的发展，固体自扫描摄像器件得到了很大进步。它采用了分立的像敏单元阵列，每个单元分别同垂直和水平扫描寻址电路连接，靠扫描寄存器取出各点的信号。由于每个像素的信息实际独立地传送，扫描电路尽管十分复杂，但它仍为固体自扫描器件打下了基础。到1970年随着电荷耦合器件的出现，使得固体自扫描，摄像器得到飞跃发展，目前已经得到广泛应用。其中包括黑白与彩色、微光与红外摄像器件。它具有体积小、重量轻、结构简单、功耗小、成本低等优点，已成为光电器件的一个重要分支。电荷耦合成像器件（CCD）691]CCD工作原理

瞬态特性

热驰豫时间是少数载流子寿命的五倍约1秒。

1]CCD工作原理

瞬态特性

热驰豫时间是少数载流子寿命的70a]CCD的基本结构-MOS电容的剖面图a]CCD的基本结构-MOS电容的剖面图71光敏半导体传感器ppt课件72光敏半导体传感器ppt课件73光敏半导体传感器ppt课件74光敏半导体传感器ppt课件75光敏半导体传感器ppt课件762]CCD的输入和输出2]CCD的输入和输出77电荷传输原理电荷传输原理78MOS电荷传输原理

电荷包转移

储存少数载流子的势阱MOS电荷传输原理

电荷包转移

储存少数载流子的势阱79三相CCD多各顺序排列的MOS电容，在三相时钟的作用下就构成了电荷耦合器件。可以看出这种器件是以三个电极为一组的，每一组可以容纳一个电荷信号，在三相时钟脉冲信号作用下，各组中的信号电荷定向传送，互不干扰。三相CCD80光敏半导体传感器ppt课件81两相CCD当临近电极的电压交替的在V0+V和V0-V之间变化。两相CCD当临近电极的电压交替的在V0+V和V0-V之间82光敏半导体传感器ppt课件83光敏半导体传感器ppt课件84光敏半导体传感器ppt课件85CCD器件的主要参数CCD器件的主要参数86光敏半导体传感器ppt课件873）转移无效率（损失率）

3）转移无效率（损失率）

884）工作频率4）工作频率89光敏半导体传感器ppt课件90CCD(电荷藕合器件图像传感器)CCD(电荷藕合器件图像传感器)91光敏半导体传感器ppt课件92光敏半导体传感器ppt课件93光敏半导体传感器ppt课件94光敏半导体传感器ppt课件952面型像传感器2面型像传感器96光敏半导体传感器ppt课件97光敏半导体传感器ppt课件98光敏半导体传感器ppt课件99光敏半导体传感器ppt课件100光敏半导体传感器ppt课件101光敏半导体传感器ppt课件102（5）分辨率最高分辨率分别由水平和垂直方向的像素总数所决定。（5）分辨率103CMOS像传感器

CMOS

互补性氧化金属半导体：

Complementary

Semiconductor）VDDCMOS像传感器

CMOS

互补性氧化金属半导体：

Com104CMOS和CCD的区别比较CCD和CMOS的结构，ADC的位置和数量是最大的不同。简单的说，按我们在上一讲“CCD感光元件的工作原理（上）”中所提之内容。CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至CCD旁的放大器进行放大，再串联ADC输出；相对地，CMOS的设计中每个像素旁就直接连着ADC（放大兼类比数字信号转换器），讯号直接放大并转换成数字信号。CMOS和CCD的区别比较CCD和CMOS的结构，A105由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；CMOS的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的资料。整体来说，CCD与CMOS两种设计的应用，反应在成像效果上，形成包括ISO感光度、制造成本、解析度、噪点与耗电量等，不同类型的差异：由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现之不同106ISO感光度差异：由于CMOS每个像素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积，因此相同像素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。成本差异：CMOS应用半导体工业常用的MOS制程，可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节省加工晶片所需负担的成本和良率的损失；相对地CCD采用电荷传递的方式输出资讯，必须另辟传输通道，如果通道中有一个像素故障（Fail），就会导致一整排的讯号壅塞，无法传递，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟传输通道和外加ADC等周边，CCD的制造成本相对高于CMOS。ISO感光度差异：由于CMOS每个像素包含了放大器与A107解析度差异：在第一点“感光度差异”中，由于CMOS每个像素的结构比CCD复杂，其感光开口不及CCD大，相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时，CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过，如果跳脱尺寸限制，目前业界的CMOS感光原件已经可达到1400万像素/全片幅的设计，CMOS技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难，特别是全片幅24mm-by-36mm这样的大小。解析度差异：在第一点“感光度差异”中，由于CMOS每个像108噪点差异：由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个ADC放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的ADC放大器，虽然是统一制造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单一个放大器的CCD，CMOS最终计算出的噪点就比较多。噪点差异：由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个ADC放109耗电量差异：CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；但CCD却为被动式，必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特（V）以上的水平，因此CCD还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使CCD的电量远高于CMOS。耗电量差异：CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所110CMOS和CCD的区别

由两种感光器件的工作原理可以看出，CCD(电荷藕合器件图像传感器：Charge

Coupled

Device），它的优势在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，只有少数的厂商能够掌握，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。

在相同分辨率下，CMOS(互补性氧化金属半导体：Complementary

Metal-Oxide

Semiconductor）价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。到目前为止，市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器；CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上。

CMOS和CCD的区别111

尽管CCD在影像品质等各方面均优于CMOS，但不可否认的CMOS具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。由于数码影像的需求热烈，CMOS的低成本和稳定供货，成为厂商的最爱，也因此其制造技术不断地改良更新，使得CCD与CMOS两者的差异逐渐缩小。新一代的CCD朝向耗电量减少作为改进目标，以期进入照相手机的行动通讯市场；CMOS系列，则开始朝向大尺寸面积与高速影像处理晶片统合，藉由后续的影像处理修正噪点以及画质表现，特别是Canon系列的EOSD30、EOS300D的成功，足见高速影像