新型光电传感器资料

一个MOS光敏元结构
第9章 光电式传感器 9.2 电荷耦合器件
传感器原理及应用
分辨率（像素）不同的图象比较
265×180
66×45
133×90
33×22
第9章 光电式传感器 传感器原理及应用
9.2 电荷耦合器件
①CCD基本结构和工作原理
❖ 电荷转移原理（读出移位寄存器）
➢ 光敏元上的电荷还需经输出电路输出，而CCD电荷耦合 器件是以电荷为信号而不是电压电流作信号输出的。 ➢ 读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、 半导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体 底部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。
第9章 光电式传感器 传感器原理及应用
9.1 新型固态光电器件
9.1.2 PSD光电位置传感器 １
• PSD用于测量光斑的位置或位置 I1 的移动量
• 光束入射光敏层,在入射位置产 生与入射辐射成正比的信号电荷, 该电荷形成的光电流(I1 , I2)由信 号电极1和2输出，３为公共电极
• XＡ: 位置信号
读出移位寄存器三相时钟脉冲
第9章 光电式传感器 9.2 电荷耦合器件
传感器原理及应用
❖ 电荷转移原理（读出移位寄存器）
不同时刻势阱深度变化，使电荷按设计好的方向，在时 钟脉冲控制下从寄存器的一端转移到另一端。这样一个 传输过程，实际上是一个电荷耦合过程，所以称电荷耦 合器件，担任电荷传输的单元称移位寄存器。
I0 = I1 + I2
光
２
I2
xA
Ｐ层
i层
Ｎ层
Hale Waihona Puke BaiduI0 ３
I1 I 0 L xA 2L
I 2 I 0 L xA 2L
L
L
xA I 2 I1 L I2 I1
9.2 电荷耦合器件（CCD） Charge — Coupled Devices
➢ 电荷耦合器件，又称CCD图象传感器，是一种大 规模集成电路光电器件；电荷耦合器件具有光电转换， 信息存储、转移传输、处理以及电子快门等功能。 ➢ 特点： 1.集成度高、尺寸小、电压低（DC7～12V）功耗小。 2.空间分辨率高，线阵分辨能力可达7μm，面阵分辨率在
一个MOS光敏元当金属电极上加正电 压时，由于电场作用，电极下P型硅区里 一个MOS光敏元结构 空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言， 是一势能很低的区域，称“势阱”。
有光线入射到硅片上时，光子作用下 产生电子—空穴对，空穴被电场作用排斥 出耗尽区，而光电子被附近势阱（俘获）， 此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。
第9章 光电式传感器 9.2 电荷耦合器件
传感器原理及应用
①CCD基本结构和工作原理
❖ 电荷存储原理：
➢ 一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像
素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个 电荷包；CCD器件内是在硅片上制作成百上 千的MOS元，每个金属电极加电压就形成 成百上千个势阱，产生成百上千的电荷包； ➢ 如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏 的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光 照度响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合 器件的光电物理效应基本原理。
第9章 光电式传感器 9.2 电荷耦合器件
传感器原理及应用
② 电荷耦合器信号输出方式
CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种,以 电压输出型为例：
有浮置扩散放大器（FDA）、浮置栅放大器（FGA） 由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管VT2的栅极电位：
第9章 光电式传感器 9.2 电荷耦合器件
光电式传感器
新型固态光电器件
9.1.1 普通光敏器件阵列 （1）象限探测器
▪当被测体位置发生变化时，来自目标的辐射量使象限间产生差异，这
种差异会引起象限间信号输出变化，从而确定目标方位，同时可起制 导、跟踪、搜索、定位等作用。
(2)光敏管阵列
将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来同时探测被测物体 各部位提供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器件。
电荷信息转移原理
第9章 光电式传感器 9.2 电荷耦合器件
传感器原理及应用
② 电荷耦合器信号输出方式
输出结构： 在CCD阵列的末端制作（扩散）一个N+区，形成反
向偏置二极管，收集信号电荷控制A点电位变化，二 极管反偏形成一个深势阱，转移φ3电极下的电荷包越 过输出栅OG，电荷包流入势阱中，在负载电阻RL形成 输出电流I0 ，输出电流I0与电荷成正比。
传感器原理及应用
第9章 光电式传感器 9.2电荷耦合器件
传感器原理及应用
基于CCD光电耦器件的输入 设备：数字摄像机、数字相 机、平板扫描仪、指纹机
第9章 光电式传感器 9.2电荷耦合器件
传感器原理及应用
显微镜下的MOS元表面
①CCD基本结构和工作原理
CCD基本结构分两部分： ➢ MOS光敏元阵列；
➢由三个十分邻近的电 极组成一个耦合单元； 在三个电极上分别施加 脉冲波Φ1Φ2Φ3，称 三相时钟脉冲。
读出移位寄存器结构
第9章 光电式传感器 传感器原理及应用
9.2 电荷耦合器件 ❖ 电荷转移原理（读出移位寄存器）
t = t1时刻，Φ1电极下出现势阱存入光电荷 t = t2时刻，两个势阱形成大势阱存入电荷 t = t3时刻，Φ1中电荷全部转移至Φ2。 t = t4时刻，Φ2中电荷向Φ3势阱转移。 t = t5时刻，Φ3电荷向下一个Φ1势阱转移
传感器原理及应用
③ CCD的特性参数 CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述
➢内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有关的特性, 是器件理论设计的重要依据；
MOS（金属—氧化物—半导体） ➢ 读出移位寄存器。
• 电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千（万）个光敏元， 一个光敏元又称一个像素，在半 导体硅平面上光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。
CCD结构示意图
第9章 光电式传感器 9.2 电荷耦合器件
传感器原理及应用
①CCD基本结构和工作原理
❖ 电荷存储原理：
1000电视线以上； 3.光电灵敏度高，好的器件可达0.01lx；动态范围大，
106：1；信噪比60-70dB； 4.可选模拟、数字不同输出形式，便于和计算机连机。
第9章 光电式传感器
9.2 电荷耦合器件
该技术的发展促进 了各种视频装置的 普及和微型化，应 用遍及航天、遥感、 天文、通讯、工业、 农业、军用等各个 领域。