20190416-第四章-光电检测器件及应用二

根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨
率fm等于它的空间采样频率f0的一半，即：
fm

1 2
f0
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固态图像传感器
3、暗电流 起因于热激发产生的电子-空穴对。电荷的积累时间越
长，影响越大。 暗电流产生不均匀总出现在固定图形、相同的单元上，
利用信号处理，把出现暗电流尖峰的单元位置存贮在PROM （可编程只读存贮器）中，就能消除影响。
高传输效率的光电耦合器，适用于直
接驱动和较低频率的装置中。
(c)
该形式采用功能器件构成的高速、高
传输效率的光电耦合器。
(d)
5
光电耦合器的特点
具有电隔离（１０１０－１０１２欧姆）功能； 信号传输单向（脉冲或直流），适用于模拟／数字信号； 具有抗干扰和噪声能力； 响应速度快（微／纳秒，直流－１０兆赫兹）； 使用方便，可靠性高，体积小，寿命长； 既有耦合特性，又有隔离功能；
限制了器件的灵敏度和动态范围。
4、灵敏度
指单位发射照度H下，单位时间、单位面积A收集的电量。
S NSq HAt
NS为t时间内收集的载流子数，单位为mA/W。
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固态图像传感器
5、噪声 CCD是低噪声器件。 由于噪声叠加到信号电荷上，使信号电荷受到干扰。 噪声的来源有转移噪声、电注入噪声、信号输出噪
一、MOS光敏元的结构及原理
VG
栅极
金属
SiO2
P-Si
工艺： 先在P-Si片上氧化一
层SiO2介质层，其上再沉积 一层金属Al作为栅极，在 P-Si半导体上制作下电极。
半导体与SiO2界面电荷分布图
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固态图像传感器
1、势阱的形成 给栅极加VG正脉冲，金属电极充一些正电荷； 电场将P-Si的SiO2界面附近的空穴排斥走， SiO2附近出

+
E C
槽式光电传感器实物图
光电耦合器的电路符号
3
光电耦合器件的结构
金属密封型 塑料密封型
绝缘玻璃 发光二极管
发光二极管 塑料
光敏三极管 透明绝缘体
(a)金属密封型
采用金属外壳和玻璃绝缘的结 构，在其中部对接，采用环焊 以保证发光二极管和光敏二极 管对准，以此来提高灵敏度。
透明树脂 光敏三极管
(b)塑料密封型
光入射位置XA： P型层电流I1、I2： N型层电流I0：
I1
I0
LX 2L
A
I1 I0
LXA 2L
X
A
I 2I1 I 2I1
L
12
13
3.2.5 光电位置敏感器件（PSD）
PSD分为一维PSD和二维PSD。 一维PSD可以测定光点的一维位置坐标；
二维PSD可测光点的平面位置坐标。
采用双列直插式用塑料封装的结 构。管心先装于管脚上，中间再 用透明树脂固定，具有集光作用 ，故此种结构灵敏度较高。
4
光电耦合器的组合形式
该形式结构简单、成本低，通常用
(a)
于50kHz以下工作频率的装置内。
该形式采用高速开关管构成的高速光
电耦合器,适用于较高频率的装置中。
(b)
该组合形式采用了放大三极管构成的
现耗尽层； 半导体表面处于非平衡状态，表面有贮存电荷的能力。
将表面的这种状态称为电子势阱或表面势阱。
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固态图像传感器
2、电子的堆积 光照MOS电容器时，产生电子空穴对，少子电子会被吸收
到势阱中； 光强越大，势阱中收集的电子数就越多； MOS电容器实现了光信号向电荷信号的转变。 若给光敏元阵列同时加上VG，整个图像的光信号同时变
反馈引入干扰。
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光电耦合器件的应用
代替脉冲变压器，可以耦合从零到几兆赫兹的信号，失真 小；
代替继电器，做光电开关用； 把不同电位的两组电路互连，完成电平匹配和电平转移； 电流驱动器件与光驱动器件相结合，实现高信噪比； 作为计算机主机运输部与输入／输出端的接口，提高计算
机的可靠性； 在稳压电源中作为过流保护器件，简单可靠。
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光电耦合器的特性参数
主要特性：传输特性和隔离特性
直流电流传输比
是指直流工作状态下，耦合器件中光电器件的输出电流与发 光原件输入电流之比。
Q

ICQ *100% IFQ
工作点的选择不同，电流传输比不同。

交流电流传输比~Biblioteka ~
IC
*100%
IF
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光电耦合器的特性参数
最高工作频率 f m 取决于发光器件和光电器件的频率特性。
3.2.4 光电耦合器件
将发光器件与光电器件组合成一体，以光作媒质把输入端 得到信号耦合到输出端的器件。
光电隔离器：电气隔离、消除噪声 分类
光电传感器：检测物体位置、有无
发光器件： 发光二极管、半导体激光器、微形钨丝灯
光电器件： 光电二极管、光电三极管 光敏电阻、光电池
1
3.2.4 光电耦合器件
光电隔离器的类型
二极管型
三极管型
达林顿型
晶闸管驱动型
达林顿管： 又称复合管，是将二只三极管连接在一起，组成一只等效
的新的三极管。这个等效三极管的放大倍数是二者之积。 达林顿管常用于功率放大器和稳压电源中。
晶闸管： 是四层三端器件，是 PNPN四层半导体结构。
2
3.2.4 光电耦合器件
被
测
物
发
体光
光
敏
器
器
件
件
槽式光电传感器器示意图
为电荷包阵列，反映图像的明暗程度。
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固态图像传感器
二、电荷转移原理
若两个相邻MOS光敏元加的栅压分别为VG1、VG2，且 VG1<VG2。
因VG2高，表面形成的负离子多，则表面势φ 2>φ 1, 则 VG2吸引电子能力强，形成的势阱深，则1中电子有向2中下 移的趋势。
若串联很多光敏元，且使 VG1<VG2<……<VGN,可形成一个 输运电子路径,实现电子的转 移。
VG1 P - Si
V G2 SiO2
电子转移示意图
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固态图像传感器
三、CCD图像传感器的特性参数
1、转移效率
当CCD中电荷包转移时，若Q1为转移一次后的电荷量，
Q0为原始电荷，转移效率定义为： Q 1
Q0
2、 分辨率
指分辨图像细节的能力，光像的两个相邻光强度最大
值之间的间隔，主要取决于感光单元的尺寸和间隔。
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特点： v 高度集成，包括光电信号转换、信号存储和传输、处理。 v 以电荷转移为核心。 v 体积小、重量轻、功耗小、成本低。 v 广泛用于图像识别和传送。
分类： v 电荷耦合器件(CCD) v MOS型图像传感器(自扫描光电二极管阵列) v 电荷注入器件
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固态图像传感器
电荷耦合器件（CCD） 将光信号变为电荷包，以电荷包的形式存贮和传递信息。 又称为“排列起来的MOS电容阵列” 。
光电耦合器件的频率特性测试电路： 输入等幅度的可调频信号，当测得输出信号电压的相 对幅值降至0.707时，所对应的频率。
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光电耦合器的抗干扰特性
光电耦合器件能抑制尖脉冲及各种噪声等干扰，实现信 息传输的高信噪比。
原因如下： 输入阻抗很低； 干扰源的内阻很大，形成的电流很微弱； 器件密封包装，不受外界光的干扰； 器件寄生电容很小，绝缘电阻很大，很难通过器件的
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3.2.5 光电位置敏感器件（PSD）
用途： ＰＳＤ是一种可直接对其光敏面上的光斑位置进行
检测的光电器件，可构成非接触高精度动态测量系统。 工作原理：
当入射光点落在器件感光面的不同位置时，PSD将对 应输出不同的电信号。
入射光点的强度和尺寸大小对PSD的位置输出信号均 无关。
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3.2.5 光电位置敏感器件（PSD）
声、散粒噪声等。 前三种可以采用有效措施来降低或消除，但散粒噪
声不能消除，决定了图像传感器的噪声极限值。在低照 度、低反差下应用时更为显著。
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谢 谢！
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固态图像传感器
CCD图像传感器 固态图像传感器 MOS图像传感器 v CCD图像传感器： 用CCD的光电转换和电荷转移功能制成的。 CCD（charge-coupled devices)电荷耦合器件。 v MOS图像传感器： 用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或 电流信号的，又称自扫描光电二极管列阵（SSPA）。