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1、C2 光电探测器件理学院 宋旸*1LOGO2 光电探测器件v2.1 光电探测器的物理效应 v2.2 光电探测器的性能参数 v2.3 外光电效应型光电探测器 v2.4 内光电效应型光电探测器 v2.5 固体成像器件 v2.6 光电探测光源 2LOGO固体成像器件 52 光电探测器件3LOGO2.5 固体成像器件1 1电荷耦合器件 （Charge Coupled Device）2 2互补金属氧化物半导体图像传感器 （Complementary Metal-Oxide Semiconductor） 3 3电荷注入器件 （Charge Injection Device） 4LOGO2009 诺贝尔物理
2、学奖威拉德博伊尔 乔治史密斯 高锟5LOGO2009 诺贝尔物理学奖v 1969年秋 贝尔实验室的威拉德.博伊尔和乔治.史密斯构 思了电荷耦合器件的原理6LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的组成及工作原理Charge Coupled Device7LOGO2.5.1 电荷耦合器件 电荷charge存储 CCD的组成及工作原理8LOGO2.5.1 电荷耦合器件电荷charge存储 CCD的组成及工作原理9LOGO电荷耦合Coupled的转移 CCD的组成及工作原理2.5.1 电荷耦合器件10LOGO2.5.1 电荷耦合器件P型Si耗尽区电荷转移方向123 输出栅输入栅 输入二极管输出二极管
3、SiO2CCD的MOS结构 CCD的组成及工作原理11LOGO2.5.1 电荷耦合器件电荷的转移P1 P1 P2 P2 P3 P3t=t0P1 P1 P2 P2 P3 P3t=t1P1 P1 P2 P2 P3 P3t=t2P1P1P2P2P3P3t=t3123t0t1t2t3t0 CCD的组成及工作原理12LOGO2.5.1 电荷耦合器件例 对于一个二相CCD，若移动m位，需经过n=2m个电极。 若=0.999，m=512。 CCD的组成及工作原理电荷的转移效率则最后输出电荷量为Q0的信号衰减严重，若=0.9999，则13LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的结构转移栅光积分单元不透光的电
4、荷转移结构输出光积分区输出转移栅双行结构线型CCD图像传感器线阵CCD14LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的结构面阵CCD：Interline Transfer 15LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的结构面阵CCD：Interline Transfer 16LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的结构面阵CCD：Interline Transfer 17LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的结构面阵CCD：Interline Transfer 18LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的结构面阵CCD：Full Frame 19LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的
5、结构面阵CCD：Full Frame 20LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的结构面阵CCD：Full Frame 21LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的结构面阵CCD：Full Frame 22LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的结构面阵CCD：Full Frame 23LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的结构面阵CCD：Frame Transfer 24LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的结构面阵CCD：Frame Transfer 25LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的结构面阵CCD：Frame Transfer 26LOGO2.5.1 电荷耦合器
6、件 CCD的结构面阵CCD：Frame Transfer 27LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的结构面阵CCD：Frame Transfer 28LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的性能参数1 转移效率电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有部分的电荷转移过去 ，余下部分没有被转移，称转移损失率 一个电荷量为Qo的电荷包，经过n次转移后的输出电荷量应为： 总效率为：29LOGO2.5.1 电荷耦合器件2 不均匀度(非均匀性)光敏元的不均匀 CCD的不均匀 CCD的性能参数光敏元响应的不均匀是工艺过程及材料不均匀性引 起的，大规模器件的均匀性问题严重30LOGO2.5.1 电荷耦合器件
7、CCD的性能参数v CCD成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗 信号，即暗电流 v 暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中心的热激发 v 由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响，CCD中暗电 流密度的分布是不均匀的 3 暗电流暗电流的危害有两个方面： v 限制器件的低频限 v 引起固定图像噪声31LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的性能参数4 灵敏度（响应度）在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压（电流）曝光量是光强与光照时间之积，也相当于投射在光敏元上的 单位辐射功率所产生的电压(V/W)32LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的性能参数5 光谱响应CCD的光谱
8、响应是指等能量相对光谱响应，最大响应值归一化为 100%所对应的波长，称峰值波长，通常将10%（或更低）的响应 点所对应的波长称截止波长。长波端的截止波长与短波端的截止波长，两截止波长之间所包 括的波长范围称光谱响应范围。 光谱响应由光敏元材料，结构尺寸差异，电极材料和器件转移 效率不均匀等因素有关33LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的性能参数6 噪声散粒噪声：光注入，电注入或热产生的信号电荷包的电子数的 不确定性，形成的白噪声转移噪声：由转移损失及表面态俘获引起的噪声热噪声：固体中载流子的无规则热运动引起34LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的性能参数分辨率是摄像器件最重要的参
9、数之一，它是指摄像器件对 物像中明暗细节的分辨能力7 分辨率 空间分辨率是指图像中可辨认的临界物体空间几何长度 的最小极限，常用单位长度内包含可分辨的黑白“线对 ”数表示（线对/毫米）由奈奎斯特采样定理可知图像传感器的空间分辨最高频 率为其采样频率的一半CCD单位长度上的像元数35LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的性能参数7 分辨率 用专门的测试卡，用（调制传递函数）来表示分辨率ISO Camera Resolution Chart ISO12233 垂直分辨率条可目测镜 头对垂直影像的解像力 对比指示条用于显示在 空间频率不同下的对比状况 对角线分辨率条45度倾 斜的对角线解像力条
10、中央对焦区 两种不同频 率的同心圆，协助对焦 水平分辨率条可目测镜 头对水平影像的分辨能力36LOGO2.5.1 电荷耦合器件 CCD的性能参数8 动态范围与线性度线性度是指在动态范围内，输出信号与曝光量的关系是 否成直线关系 动态范围光敏元满阱信号等效噪声信号上限决定于光敏元满阱信号容量，下限决定于能分辨的最小 信号，即等效噪声信号37LOGO2.5.2 CMOS器件面阵CCD：Interline Transfer 38LOGO2.5.2 CMOS器件39LOGO2.5.2 CMOS器件面阵CCD：Interline Transfer 40LOGO2.5.2 CMOS器件面阵CCD：Inte
11、rline Transfer 41LOGO2.5.2 CMOS器件面阵CCD：Interline Transfer 42LOGO2.5.2 CMOS器件面阵CCD：Interline Transfer 43LOGO2.5.2 CMOS器件CCD与CMOS结构的差异 CMOS器件结构及工作原理44LOGO2.5.2 CMOS器件 CMOS器件结构及工作原理45LOGO2.5.2 CMOS器件 CMOS器件结构及工作原理46LOGO2.5.2 CMOS器件 CMOS器件结构及工作原理47LOGO2.5.2 CMOS器件 CMOS器件结构及工作原理48LOGO2.5.2 CMOS器件CCD与CMOS
12、结构的差异 CMOS器件结构及工作原理49LOGO2.5.2 CMOS器件v 采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路 、信号处理电路、模数转换器、全数字接口电路等完全 集成在一起，可以实现单芯片成像系统Camera-On-A-Chip CMOS器件结构及工作原理50LOGO2.5.2 CMOS器件 CMOS器件与CCD器件比较灵敏度差异51LOGO2.5.2 CMOS器件 CMOS器件与CCD器件比较噪声差异52LOGO2.5.2 CMOS器件 CMOS器件与CCD器件比较功耗差异53LOGO2.5.3 CCD VS CMOS(1) 灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四
13、个晶体管与一个感光二极 管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身 的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS的灵敏度要低于CCD。 (2) 成本差异：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可 以轻易地将周边电路集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本； 除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能 运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS 传感器困难许多，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。 (3) 分辨率差异：CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很
14、 难达到CCD传感器的水平，因此，相同尺寸的CCD与CMOS传感器，CCD传感器的 分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。54LOGO2.5.3 CCD VS CMOS(4) 噪声差异：由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而 放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只 有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很 多，影响图像品质。(5) 功耗差异：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的 电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每 个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到1
15、2-18V；因此，CCD传感器 除了在电源管理电路设计上的难度更高之外，高驱动电压更使其功耗远高于 CMOS传感器的水平。55LOGO2.5.3 CCD VS CMOSCCDCMOS设计单一传感器传感器连接放大器 灵敏度同样面积下较高感光开口小低成本线路品质影响良品率 成本高整合制造 成本低分辨率高传统技术较低噪声单一放大器主控 低多元放大器，误差大 高功耗需外加电压导 出电荷 高像素直接放大 低反应速度慢快IPA (独立像素定址）无有制造工艺特殊定制大规模集成电路制造工艺56LOGO2.5.4 芯片的尺寸CCD 和 CMOS 的制造过程与电子 半导体技术有关，不同于传统底 片采用化学方法制造
16、，感光原件 是在晶圆上（Circular disk） 由加工技术“蚀刻”生产 不同的制造工艺，切割方法影响 生产成本57LOGO2.5.4 芯片的尺寸像素开口面积大小与线路布局精细度是影响 CCD 尺 寸的关键因素58LOGO2.5.4 芯片的尺寸五百万像素并不一定优于四百万像素， 5MP:1/1.8英寸 vs 4MP：1/1.8英寸，四百万像素的填充率比 5MP 大，相对的灵敏度比 5MP 强。 分辨率上当然还是5MP像素的感光器件较优。59LOGO2.5.4 芯片的尺寸60LOGO2.5.5 彩色摄像机61LOGO2.5.5 彩色摄像机R CCDG CCDB CCD红外滤光片变焦镜头分色棱镜 3CCD彩色摄像机62LOGO2.5.5 彩色摄
