18.0 CMOS 第11章图像传感器 ●在MOS电容金属电极上，加以脉冲电压， 排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成 “势阱”的运动，进而达到信号电荷（少 数载流子)的转移。 ·图像传感器：转移的信号电荷是由光像照 射产生； 若所转移的电荷通过外界诸如方式得到， 则其可以具备延时、信号处理、数据存储 以及逻辑运算等功能
第11章 图像传感器 ⚫ 在MOS电容金属电极上，加以脉冲电压， 排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成 “势阱”的运动，进而达到信号电荷（少 数载流子）的转移。 ⚫ 图像传感器：转移的信号电荷是由光像照 射产生； 若所转移的电荷通过外界诸如方式得到， 则其可以具备延时、信号处理、数据存储 以及逻辑运算等功能
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图像传感器示意图
。随着光电子技术的发展，近年来又涌现了许多新型光电器件。常 规的光电器件通常只能检测辐射光功率的大小，而这些特种光电 器件还具有空间分辨的能力，即不仅可以检测入射光的强度，还 可以检测入射光点的位置，空间明暗分布等。这些器件在工程检 测，机器人视觉，摄像等方面具有重要的用途。本章将着重介绍 光电二极管阵列、光电三极管阵列，电荷耦合器件(CCD)的工 作原理，CCD图像及应用
⚫ 随着光电子技术的发展，近年来又涌现了许多新型光电器件。常 规的光电器件通常只能检测辐射光功率的大小，而这些特种光电 器件还具有空间分辨的能力，即不仅可以检测入射光的强度，还 可以检测入射光点的位置，空间明暗分布等。这些器件在工程检 测，机器人视觉，摄像等方面具有重要的用途。本章将着重介绍 光电二极管阵列、光电三极管阵列，电荷耦合器件（CCD）的工 作原理，CCD图像及应用
11.1光电二极管及光电三极管阵列 。11.1.1光电二极管阵列的结构和工作原理 。光电二极管阵列是重要的图像传感器之一，可以用于自动控制，非接触 尺寸检测和传真摄像等方面。所谓光电二极管阵列就是将许多光点二极 管以线列或面阵的形式集成在一个芯片上，用来同时检测入射光像在各 点的光强度，并将转变成电信号。为了取出这些光电信号，需要配上扫 描输出和放大等电路，或者用混合集成的方法，将它们组成完整的摄像 器件。 ● 光电二极管阵列的工作方式与单个二极管有所不同因为阵列中每个光电 二极管的有效面积很小，通常小于100×100中m,因此，为了提高探测 灵敏度。需要采用所谓的积分方式。电荷的积分是利用光电二极管的自 身的结电容，光电信号的取出是通过图11-1所示的几步实现的。作为准 备，首先闭合开关，如图11-1()，光电二极管处于反偏，电荷储存 在耗尽层的结电容上，相当于对结电容反向充电。由于光电流L及暗电 流Id很小，充电过程达到稳定时，PN结上的电压基本接近电源电压UC。 然后，打开开关$图11-1(b)，此时，由于光照产生电子一空穴对而使 结电容缓慢放电。电子一空穴对产生的速率与入射光强度成正比，故结 电容亦以相同的速率放电。因此，在固定的时间内，储存电荷移走的数 量Q与入射光强度成正比，这段时间称为光积分时间
11.1 光电二极管及光电三极管阵列 ⚫ 11.1.1 光电二极管阵列的结构和工作原理 ⚫ 光电二极管阵列是重要的图像传感器之一，可以用于自动控制，非接触 尺寸检测和传真摄像等方面。所谓光电二极管阵列就是将许多光点二极 管以线列或面阵的形式集成在一个芯片上，用来同时检测入射光像在各 点的光强度，并将转变成电信号。为了取出这些光电信号，需要配上扫 描输出和放大等电路，或者用混合集成的方法，将它们组成完整的摄像 器件。 ⚫ 光电二极管阵列的工作方式与单个二极管有所不同因为阵列中每个光电 二极管的有效面积很小，通常小于100×100μ㎡，因此，为了提高探测 灵敏度。需要采用所谓的积分方式。电荷的积分是利用光电二极管的自 身的结电容，光电信号的取出是通过图11-1所示的几步实现的。作为准 备，首先闭合开关，如图11-1（a），光电二极管处于反偏，电荷储存 在耗尽层的结电容上，相当于对结电容反向充电。由于光电流IL及暗电 流Id很小，充电过程达到稳定时，PN结上的电压基本接近电源电压UC。 然后，打开开关S图11-1（b），此时，由于光照产生电子—空穴对而使 结电容缓慢放电。电子—空穴对产生的速率与入射光强度成正比，故结 电容亦以相同的速率放电。因此，在固定的时间内，储存电荷移走的数 量Q与入射光强度成正比，这段时间称为光积分时间
图11-1（c),二极管再次被充电至Uc,再充电电流流经负载电阻 所产生的压降即为光电信号。这种提取光电信号的方法实际上是监视 结电容经光照放电后恢复初始条件时所补充的电荷量，故称之为再充 电取样法。重复图11-1(b)、(c)两步，即可不断地从负载电阻上 得到光电输出信号，从而使阵列中的每一个光电二极管能连续地进行 摄像。 收 法的 e 图11-1光电二极管阵列的工作原理
图11-1（c），二极管再次被充电至UC，再充电电流流经负载电阻 所产生的压降即为光电信号。这种提取光电信号的方法实际上是监视 结电容经光照放电后恢复初始条件时所补充的电荷量，故称之为再充 电取样法。重复图11-1（b）、（c）两步，即可不断地从负载电阻上 得到光电输出信号，从而使阵列中的每一个光电二极管能连续地进行 摄像。 图11-1 光电二极管阵列的工作原理
光电二极管阵列的输出信号与信号检测单元电路 《a)结电荐上.的电长孩形 Ce-Vo (6)偷出有号电板波形 图11-2光电二极管阵列的输出信号 图11-3光电二极管阵列的信号检测单元电路
光电二极管阵列的输出信号与信号检测单元电路 图11-2 光电二极管阵列的输出信号 图11-3 光电二极管阵列的信号检测单元电路
二维面阵光电二极管的扫描输出结构与行线和列线上的 扫描脉冲波形 输出 列冲 图11-4二维面阵光电二极管的扫描输出结构 图11-5行线和列线上的扫描脉冲波形
二维面阵光电二极管的扫描输出结构与行线和列线上的 扫描脉冲波形 图11-4 二维面阵光电二极管的扫描输出结构 图11-5 行线和列线上的扫描脉冲波形
11.1.2光电三极管阵列的结构及工作原理 光电三极管亦可工作于电荷储存模式，并象光电二极管一样，可集成在 一起组成阵列，与之类似，光电三极管阵列也需要有驱动取样电路来读取 光电信号。 普通光电三极管工作于积分模式时的工作电路及电压波形如图11-6所示， 其工作原理为：当取样脉冲加到集电极时，对BC结势垒电容Cc充电。当脉 冲过去时，集电极为低电平，充在Cc上的电荷将与CE分摊，使两个PN结 均处于反偏。在电荷作此再分布时，将有电流流过负载R,故在输出端出 现了一个小的负脉冲。此时，如果有光照射，因两PN个结都处于反偏，B、C 结上的光电二极管产生的光生载流子，将使两个电容放电，所放的电量正 比于光生电流对时间的积分。这段时间称为积分时间。当下一个取样脉冲 到来，给Cc再充电时，在R两端将输出一脉冲信号，信号的幅度正比于C© 上所放掉的电荷总量，该电荷总量包括由光生电流Cc放掉的电荷量、Cc分 摊给C的电荷量及反向PN结的漏电流（或称暗电流）引起的放电电荷
光电三极管亦可工作于电荷储存模式，并象光电二极管一样，可集成在 一起组成阵列，与之类似，光电三极管阵列也需要有驱动取样电路来读取 光电信号。 普通光电三极管工作于积分模式时的工作电路及电压波形如图11-6所示， 其工作原理为：当取样脉冲加到集电极时，对BC结势垒电容CBC充电。当脉 冲过去时，集电极为低电平，充在CBC上的电荷将与CBE分摊，使两个PN结 均处于反偏。在电荷作此再分布时，将有电流流过负载RL，故在输出端出 现了一个小的负脉冲。此时，如果有光照射，因两PN个结都处于反偏,B、C 结上的光电二极管产生的光生载流子，将使两个电容放电，所放的电量正 比于光生电流对时间的积分。这段时间称为积分时间。当下一个取样脉冲 到来，给CBC再充电时，在RL两端将输出一脉冲信号，信号的幅度正比于CBC 上所放掉的电荷总量，该电荷总量包括由光生电流CBC放掉的电荷量、CBC分 摊给CBE的电荷量及反向PN结的漏电流（或称暗电流）引起的放电电荷
()单元电路 取样林冲 输 弱光 出 中等强度光 信 光太指 无光强 (b)信波形 图11-6光电三极管的积分工作模式 图11-7双发射结光电三极管阵列单 元电路及工作原理
图11-6 光电三极管的积分工作模式 图11-7 双发射结光电三极管阵列单 元电路及工作原理
11.2电荷耦合器件 ·11.2.1电荷耦合器件的结构和工作原理 ●11.2.2 CCD图像传感器 11.2.3 图像传感器的应用
11.2 电荷耦合器件 ⚫ 11.2.1 电荷耦合器件的结构和工作原理 ⚫ 11.2.2 CCD图像传感器 ⚫ 11.2.3 图像传感器的应用