光电传感器CCD与CMOS的原理及应用

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1、成 都 师 专 学 报 一 九 九 九 年 第 四 期光 电 传 感 器 与 的 原 理 及 应 用张 永 彬成 都 师 范 高 等 专 科 学 校 计 算 科 学 系 四 川 彭 州摘 要 随 着 微 机 技 术 向 高 速 度 , 大 容 量 , 多 功 能 方 向 快 速 发 展 , 计 算 机 在 图 形 ,图 象 处 理 领 域 中 得 到 广 泛 的 应 用 。 数 码 相 机 , 扫 描 仪 , 数 字 摄 像 机 作 为 主 要 的 图 像 输入 设 备 在 微 机 应 用 中 有 着 十 分 重 要 的 作 用 。 本 文 就 扫 描 仪 , 数 码 相 机 , 数 字 摄

2、像 机 中的 主 要 成 像 元 件 , 和 光 电 传 感 器 的 原 理 , 结 构 及 应 用 作 一 讨 论 。关 健 词 电 荷 藕 合 器 光 电 传 感 器 光 电 效 应一 、 光 电 传 感 器 与 的 理 论 基 础与 是 将 光 信 号 转 换 为 电 信 号 的 半 导 体 光 敏 元 件 , 光 电 效 应 是 其 理 论 基 础 。光 传 感 器 的 基 本 效 应电 磁 波 的 波 动 所 占 频 谱 范 围 是 从 了 射 线 到 无 线 电 波 的 一 个 极 为 广 泛 的 区 域 。 波 长 在护 范 围 之 内 的 一 般 统 称 光 的 区 域 。 每

3、 一 波 长 的 区 域 都 有 一 定 频 率 , 波 数 及 光 子 能 量。 , 可 见 光 在 整 个 光 谱 中 只 占 很 小 部 分 。 光 应 用 技 术 都 是 基 于 物 质 相 互 作 用 这 个 实 用 转 换原 理 , 光 子 是 有 能 量 的 , 公 式 为 二 , 李 人 二 坛 式 中 为 , 为 布 朗 克 常 数 , , 为 频 率 ,为 光 速 , 入 为 波 长 , 为 波 数 单 位 一 , 其 中 , 为 常 量 带 人 公 式 可 得 二当 把 光 能 变 为 电 信 号 的 基 本 原 理 大 致 为 三 种 。由 于 光 电 子 与 物 质

4、的 相 互 作 用 而 直 接 得 到 电 信 号 的 量 子 效 应 。入 一 仅 拓光 子 被 元 素 物 质 吸 收 转 变 成 热 后 进 一 步 由 热 电 现 象 而 得 到 电 信 号 的 热 效 应 。光 作 为 电 磁 波 直 接 与 物 质 相 互 作 用 所 诱 发 的 电 信 号 的 波 动 相 互 作 用 效 应 。其 中 量 子 效 应 或 光 电 效 应 是 我 们 很 熟 悉 的 , 如 光 电 管 , 光 敏 二 极 管 , 光 敏 三 极 管 , 光 电 池等 。 热 效 应 是 与 光 是 热 线 这 种 古 典 看 法 相 联 系 , 作 为 主 要 的

5、 红 外 线 传 感 器 或 光 能 绝 对 测 量 用传 感 器 的 原 理 早 已 经 采 用 。 至 于 波 动 相 互 作 用 效 应 是 把 光 理 解 为 微 波 或 微 米 波 那 样 的 电 磁 波的 延 长 。 与 正 是 以 光 量 子 效 应 作 其 理 论 基 础 。固 体 图 像 传 感 器 与把 布 设 在 半 导 体 光 敏 二 极 管 , 光 敏 三 极 管 衬 底 的 许 多 感 光 小 单 元 的 光 电 信 号 用 所 控 制的 时 钟 脉 冲 读 取 出 来 的 功 能 器 件 称 固 体 图 像 传 感 器 , 这 许 多 感 光 小 单 元 简 称

6、“ 像 素 ” 或 像 点 , 它们 本 身 在 空 间 , 电 气 工 是 独 立 的 。固 体 图 像 传 感 器 体 积 小 重 量 轻 , 坚 固 耐 用 , 抗 冲 击 耐 震 动 耗 电 少 而 且 抗 电 磁 干 扰 能 力 强 失真 度 度 极 小 , 非 常 适 合 测 试 技 术 及 图 像 识 别 技 术 , 是 计 算 机 外 部 设 备 , 扫 描 仪 , 数 码 相 像 的 重 要成 像 元 件 。将 内 量 子 效 应 的 单 个 元 件 的 光 传 感 器 集 成 化 , 使 之 构 成 小 型 的 组 或 组 测 光 信 息 用 传感 器 , 这 就 是 固

7、体 图 像 传 感 器 , 有 比 例 型 积 分 型 两 种 。 由 于 集 成 化 与 电 信 号 读 取 复 杂 原 因 , 实际 上 在 紫 外 , 可 见 光 区 域 多 采 用 作 为 基 本 的 积 分 型 传 感 器 , 以 型 半 导 体 元 件 为 代 表 , 积蓄 在 元 件 像 素 的 电 荷 读 取 方 法 分 为 电 子 开 关 的 一 地 址 方 法 与 峪的 电 荷 传 送 方 法 。 型 传 感 器 可 以 认 为 是 型 晶 体 三 极 管 与 巧 结 光 电 二 极 管 的组 合 , 产 生 的 载 流 子 积 蓄 在 管 源 极 结 合 部 。 如 图

8、一 所 示 。, 输 少甲 创 硅 尹 猫 农 路日日日日日日日日日日日图 一光 信 号 使 光 电 二 极 管 动 作 并 使 电 荷 积 蓄 起 来 , 晶 体 三 极 管 作 为 读 取 开 关 , 由 移 位 寄 存 器 发出 的 脉 冲 作 为 扫 描 信 号 。 当 在 金 属 上 加 上 电 压 时 , 在 半 导 体 表 面 形 成 过 渡 层 就 成 为 电 位 阱 , 在这 里 存 储 电 荷 , 若 在 相 邻 的 电 极 上 加 工 更 大 的 电 压 , 便 形 成 更 深 的 电 位 阱 , 电 荷 就 向 邻 接 的 电极 移 动 。 因 此 固 体 图 像 传

9、感 器 是 由 光 电 变 换 电 荷 存 储 , 电 荷 传 送 等 三 者 简 单 构 成 同 时 进 行 动作 并 集 成 化 。 但 当 各 元 件 同 时 射 人 光 信 号 时 , 将 引 起 信 号 混 和 , 因 此 上 述 移 位 寄 存 器 实 际 上 是采 用 将 光 电 变 换 部 分 与 扫 描 部 分 分 开 的 形 式 。二 、 与 光 电 传 感 器 的 结 构 与 原 理电 荷 藕 合 器 件详 笋 一 叩 是 利 用 光 电 效 应 制 作 的 半 导 体 器 件 , 年 发 展 至 今 , 起 步早 技 术 成 熟 , 在 数 码 相 机 , 扫 描 仪

10、, 数 字 摄 像 机 中 得 到 广 泛 应 用 。结 构电 荷 藕 合 器 是 由 众 多 现 已 达 两 百 万 个 微 小 光 敏 元 件 , 电 荷 转 移 电 路 , 电 荷 读 取 电 路组 成 。半 导 体 器 件 以 一 块 杂 质 浓 度 较 低 的 型 硅 片 作 为 衬 底 , 然 后 在 硅 片 表 面 用 高 温 氧 化的 方 法 覆 盖 二 氧 化 硅 仇 绝 缘 层 , 在 绝 缘 层 上 制 作 金 属 铝 电 极 , 金 属 铝 上 方 放 置 光 敏 元 件 如图 二 所 示 。光 敏 元 件 在 电 荷 祸 合 器 件 的 表 面 成 矩 阵 排 列 ,

11、 每 个 元 件 代 表 一 小 像 素 , 光 线 照 到 光敏 元 件 上 , 就 转 换 成 电 信 号 。为 避 免 各 光 敏 元 件 之 间 的 信 号 相 互 干 扰 , 在 半 导 体 型 硅 衬 底 上 应 有 必 要 的 隔 离 措 施 , 高档 的 采 用 二 氧 化 硅 仇 隔 离 , 低 档 的 在 型 衬 底 上 制 作 反 向 结 隔 离 。工 作 原 理电 荷 藕 合 器 采 集 图 像 信 号 , 可 分 为 三 个 过程 , 首 先 将 光 信 号 转 换 成 电 荷 , 然 后 暂 时 存 放 在存 储 器 中 , 最 后 用 时 钟 脉 冲 顺 序 读

12、出 信 号 。采 光 积 累 电 荷当 人 射 光 照 射 到 光 敏 元 件 上 时 , 由 于 光 线 光 量子 的 激 发 , 使 光 敏 材 料 上 的 导 电 粒 子 电 子 空 穴 对增 加 , 在 金 属 电 极 下 的 型 硅 衬 底 上 表 面 形 成 电 荷积 累 。 人 射 光 越 强 , 在 光 敏 材 料 中 激 发 的 导 电 粒 子电 子 空 穴 对 越 多 , 形 成 的 电 荷 积 累 也 越 多 。电 荷 的 转 移 及 电 荷 信 息 的 读 取为 取 出 存 储 区 中 积 累 的 电 荷 信 息 , 在 金 属 铝 电极 和 型 硅 衬 底 加 上 控

13、 制 电 压 , 使 存 储 区 中 电 荷 向下 一 存 储 电 荷 区 中 转 移 , 送 至 电 荷 信 息 读 取 电 路 , 在时 钟 脉 冲 控 制 下 顺 序 读 出 。电 荷 祸 合 器 像 串 行 移 位 寄 存 器 一 样 , 以 行为 单 位 , 一 位 一 位 地 输 出 信 息 , 实 施 电 荷 的 转 移 输图 二出 。 电 荷 转 移 和 电 路 信 息 读 取 电 路 是 一 个 构 造 较 复 杂 的 半 导 体 电 路 , 需 在 型 硅 衬 底 上 制 作电 荷 转 移 存 储 器 , 输 出 电 极 , 还 需 有 三 组 不 同 电 源 相 配 合

14、方 能 输 出 电 荷 信 息 。电 荷 藕 合 器 输 出 的 是 与 人 射 光 强 度 成 比 例 的 模 拟 信 号 , 此 信 号 需 送 往 刀 转 换 , 经转 换 成 一 个 与 人 射 光 强 度 成 比 例 的 二 进 制 数 , 该 二 进 制 即 对 应 一 个 像 素 的 数 据 。 然 后 送 往 微处 理 器 压 缩 成 特 定 的 图 像 格 式 再 送 到 存 储 器 存 储 。光 电 传 感 器互 补 金 属 氧 化 物 场 效 应 管 简 称 。 互 补 以 金 属 侃 二 氧 化碳 而 场 效 应 管 , 一 般 情 况 是 指 一 种 高 集 成 度

15、大 规 模 集 成 电 路 , 光 电 传 感 器仍 使 用 光 敏 元 件 为 感 光 器 件 , 光 敏 元 件 在 排 列 方 式 上 与 电 荷 藕 合 器 件 相 同 , 只 是 在 光 电转 换 后 信 息 传 送 方 式 不 同 。 光 电 传 感 器 制 作 形 式 多 样 , 本 文 以 器 件 为 例 , 介 绍光 电 传 感 器 的 结 构 与 工 作 原 理 。结 构光 电 传 感 器 以 一 块 杂 质 浓 度 较 低 的型 硅 片 作 衬 底 , 用 扩 散 的 方 法 在 其 表 面 制 作 两 个高 掺 杂 的 十 型 区 电 极 , 这 两 个 电 极 称 为

16、 原 极和 漏 极 , 然 后 在 硅 表 面 用 高 温 氧 化 的 方 法 覆盖 二 氧 化 硅 的 绝 缘 层 , 在 源 极 和 漏 极 之 间 的绝 缘 层 上 制 作 一 层 金 属 铝 , 称 为 栅 极 。 在 金属 铝 的 上 方 放 置 光 敏 元 件 , 如 图 三 所 示 。工 作 原 理光 电 传 感 器 工 作 时 , 型 硅 衬 底 和 源 极接 电 源 负 极 , 漏 极 接 电 源 正 极 。 无 光 照 射为 和 尤澳 叹 了 滋 抄 吧 漏 艰 。堵川 梦 权豁 只 膏 爹堵又 图岁工, 源 极 与 漏 极 之 间 无 电 流 通 路 , 不 能 形 成 电, 电 阻 上 无 电 压 输 出 。 当 人 射 光 照 射 到 金 属 铝 上 放 置 的 光 敏 元 件 上 时 , 由 于 光 量 子 的 激时流发 在 源 极 和 漏 极 之 间 的 型 硅 衬 底 表 面 积 累 电 荷 , 从 而 形 成 电 流 通 路 , 电 流 经 电 阻形 成 电 压 输 出 见 图 三 。人 射 光 越