第9章光热光电导光电荷效应及应用

1、光子学与光电子学 原荣 邱琪 1第第9章章 光热光热/光电导光电导/光电荷光电荷效应及应用效应及应用 9.1 光热效应及其器件光热效应及其器件 9.2 光电导效应及应用光电导效应及应用 9.3 光电荷效应及应用光电荷效应及应用 9.4 红外热成像技术红外热成像技术 9.5 红外技术的应用红外技术的应用光子学与光电子学 原荣 邱琪 29.1 光热效应及其器件光热效应及其器件 某些物质在受到光照射后，由于温度升高而造成材料某些物质在受到光照射后，由于温度升高而造成材料性质发生变化的现象称为光热效应。在光电效应中，性质发生变化的现象称为光热效应。在光电效应中，光子的能量直接变为光生电子的能量；而在光

2、热效应光子的能量直接变为光生电子的能量；而在光热效应中，光子能量与晶格相互作用，使其振动加剧，造成中，光子能量与晶格相互作用，使其振动加剧，造成温度升高。温度升高。 光热效应与光电效应不同，其单个光子能量的大小与光热效应与光电效应不同，其单个光子能量的大小与光热效应没有关系，原则上，光热效应对光波没有选光热效应没有关系，原则上，光热效应对光波没有选择性。只是在红外波段吸收效率高，光热效应更强烈，择性。只是在红外波段吸收效率高，光热效应更强烈，所以广泛用于红外辐射探测。因为温度升高是热积累所以广泛用于红外辐射探测。因为温度升高是热积累的过程，所以光热效应速度一般较慢，而且容易受到的过程，所以光热

3、效应速度一般较慢，而且容易受到环境温度的影响。环境温度的影响。 根据光与不同材料、不同结构的光热器件相互作用引根据光与不同材料、不同结构的光热器件相互作用引起物质特性变化不同的情况，将光热效应分为热敏效起物质特性变化不同的情况，将光热效应分为热敏效应、温差电效应、热释电效应等，下面分别加以介绍。应、温差电效应、热释电效应等，下面分别加以介绍。光子学与光电子学 原荣 邱琪 39.1.1 热敏效应热敏效应热敏电阻热敏电阻光子学与光电子学 原荣 邱琪 49.1.2 温差电效应温差电效应热电偶原理热电偶原理 当两种不同的导体或半导体材料两端并联当两种不同的导体或半导体材料两端并联熔接在一起时，如果两个

4、接点的温度不同，熔接在一起时，如果两个接点的温度不同，并联回路中就会产生电动势，回路中就有并联回路中就会产生电动势，回路中就有电流出现，如图电流出现，如图9.1.1（b）所示，这种电）所示，这种电动势称为温差电动势，这种现象就是温差动势称为温差电动势，这种现象就是温差电效应。热电偶就是利用温差电效应制成电效应。热电偶就是利用温差电效应制成的。的。光子学与光电子学 原荣 邱琪 5图图9.1.1 利用温差电效应构成的热电偶利用温差电效应构成的热电偶 温差热电偶接收辐射一端称为热端，另一端为冷端。为了提高吸收系数，热温差热电偶接收辐射一端称为热端，另一端为冷端。为了提高吸收系数，热端常装有涂黑的金箔

5、。如果把冷端分开，并与一个电流表连接，如图端常装有涂黑的金箔。如果把冷端分开，并与一个电流表连接，如图9.1.1（b）此时，电表就有相应的电流指示，其大小就间接反映了辐射热能量的大小，此时，电表就有相应的电流指示，其大小就间接反映了辐射热能量的大小，这就是热电偶探测热能的原理。这就是热电偶探测热能的原理。 当热电偶冷端开路时，开路电压与温差成正比，即当热电偶冷端开路时，开路电压与温差成正比，即 （9.1.2） 式中，式中，M是温差电势率，单位是是温差电势率，单位是V/oC， T是温度变化量。是温度变化量。TMUoc光子学与光电子学 原荣 邱琪 6热电偶红外探测器热电偶红外探测器 如果半导体热电

6、偶热端受到红外光照射，热端如果半导体热电偶热端受到红外光照射，热端吸收光能使电偶接头温度升高，载流子浓度增吸收光能使电偶接头温度升高，载流子浓度增加，电子从热端向冷端扩散，从而使加，电子从热端向冷端扩散，从而使N型材料型材料热端带正电，冷端带负电，热端带正电，冷端带负电，P型材料则相反。型材料则相反。 这种光生电动势的大小反映红外辐射功率的大这种光生电动势的大小反映红外辐射功率的大小，这就是热电偶红外探测器。小，这就是热电偶红外探测器。 为了测量准确，将冷端放入冰水混合液中，保为了测量准确，将冷端放入冰水混合液中，保持持0 oC恒温，或采用温度补偿修正。恒温，或采用温度补偿修正。 为了提高测量

7、灵敏度，常将若干个热电偶串联为了提高测量灵敏度，常将若干个热电偶串联起来使用，称为热电堆。起来使用，称为热电堆。光子学与光电子学 原荣 邱琪 79.1.3 热释电效应热释电效应热释电探测器热释电探测器热释电效应是热电晶体的自发极化矢量随温度变化使入射光引起电容器电容热释电效应是热电晶体的自发极化矢量随温度变化使入射光引起电容器电容改变的现象。热电晶体是一种结晶对称性很差的压电晶体，在常态下，某个改变的现象。热电晶体是一种结晶对称性很差的压电晶体，在常态下，某个方向上正负电荷中心不重合，从而晶体表面存在着一定量的极化电荷，一面方向上正负电荷中心不重合，从而晶体表面存在着一定量的极化电荷，一面是正

8、电荷，另一面是负电荷，称为自发极化。极化电荷密度与自发极化矢量是正电荷，另一面是负电荷，称为自发极化。极化电荷密度与自发极化矢量Ps有关。晶体温度变化会引起正负电荷中心发生位移，从而引起表面极化电有关。晶体温度变化会引起正负电荷中心发生位移，从而引起表面极化电荷变化。荷变化。温度恒定时，因晶体表面吸附来自周围空气的异性电荷，因中和作用观察不温度恒定时，因晶体表面吸附来自周围空气的异性电荷，因中和作用观察不到自发极化现象；当温度变化时，自发极化矢量也发生了变化，晶体表面的到自发极化现象；当温度变化时，自发极化矢量也发生了变化，晶体表面的极化电荷也随之变化。极化电荷也随之变化。 光子学与光电子学

9、原荣 邱琪 8图图9.1.3 热释电探测器热释电探测器 （a）典型前置放大器电路）典型前置放大器电路 （b）结构示意图）结构示意图 （c）热释电探测器等效电路）热释电探测器等效电路热释电探测器是电容性器件，阻抗大于热释电探测器是电容性器件，阻抗大于1010 ，应使用高输，应使用高输入阻抗和低噪声结型场效应晶体管（入阻抗和低噪声结型场效应晶体管（JFET）前置放大器。）前置放大器。由于热释电器件的输出阻抗特别高，其等效电路可表示为恒由于热释电器件的输出阻抗特别高，其等效电路可表示为恒流源，如图流源，如图9.1.3（c）所示。）所示。光子学与光电子学 原荣 邱琪 93. 热释电探测器的优点和用途热

10、释电探测器的优点和用途 热释电探测器在常温下工作，结构比较简单。热释电探测器在常温下工作，结构比较简单。 为了提高探测器灵敏度，减小探测器芯片的热容量是为了提高探测器灵敏度，减小探测器芯片的热容量是关键。办法是把芯片尺寸缩小，厚度减薄，采用绝热关键。办法是把芯片尺寸缩小，厚度减薄，采用绝热措施，将屏蔽盒抽成真空或充惰性气体保护。措施，将屏蔽盒抽成真空或充惰性气体保护。 热释电探测器可以做成热成像系统，由于它不易被干热释电探测器可以做成热成像系统，由于它不易被干扰，容易隐蔽，并能在有烟雾条件下工作，可用于空扰，容易隐蔽，并能在有烟雾条件下工作，可用于空中与地面侦察、入侵报警、战时观察、火情监测、

11、医中与地面侦察、入侵报警、战时观察、火情监测、医学热成像、环境污染监视以及其他领域。学热成像、环境污染监视以及其他领域。 在空间技术上，热释电探测器主要用来测量温度分布在空间技术上，热释电探测器主要用来测量温度分布和湿度分布或收集地球辐射的有关数据。和湿度分布或收集地球辐射的有关数据。 在科研上，可用于各种辐射测量、激光测量、快速光在科研上，可用于各种辐射测量、激光测量、快速光脉冲测量、功率定标等。所以热释电探测器是目前开脉冲测量、功率定标等。所以热释电探测器是目前开发研究较多的一种热探测器。发研究较多的一种热探测器。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 109.2 光电导效应及应用光电导效应及应用

12、 光照时半导体材料自身电阻率会改变的光照时半导体材料自身电阻率会改变的效应就是光电导效应，它是半导体材料效应就是光电导效应，它是半导体材料的一种体效应，光照愈强，电阻愈小，的一种体效应，光照愈强，电阻愈小，因此常称为光敏电阻或光导管。因此常称为光敏电阻或光导管。 与光电效应不同，光电导效应不需要与光电效应不同，光电导效应不需要PN结。结。光子学与光电子学 原荣 邱琪 119.2.1 光敏电阻工作原理光敏电阻工作原理光敏电阻是一种光电导效应器件，两电极加上一定电压后，当光照射光敏电阻是一种光电导效应器件，两电极加上一定电压后，当光照射到光电导体上时，由光照产生的光生载流子在外电场的作用下，在电到

13、光电导体上时，由光照产生的光生载流子在外电场的作用下，在电路中产生电流，实现光电转换。路中产生电流，实现光电转换。材料吸收入射光子能量后，使非传导态电子变为传导态电子，从而导材料吸收入射光子能量后，使非传导态电子变为传导态电子，从而导致材料的电导率随着入射光强度的变化而变化。致材料的电导率随着入射光强度的变化而变化。对于本征半导体，只有当入射光子能量对于本征半导体，只有当入射光子能量hv等于或大于半导体材料的禁等于或大于半导体材料的禁带宽度带宽度Eg时，在外加电场作用下形成光电流，这是本征光电导效应。时，在外加电场作用下形成光电流，这是本征光电导效应。应用最多的有硫化铅、硒化铅、锑化铟、碲镉汞

14、等。应用最多的有硫化铅、硒化铅、锑化铟、碲镉汞等。光子学与光电子学 原荣 邱琪 12本征光电导效应本征光电导效应 光子学与光电子学 原荣 邱琪 139.2.2 光敏电阻特性光敏电阻特性（a）硫化镉光敏电阻的光电特性）硫化镉光敏电阻的光电特性（b）光敏电阻的光谱特性）光敏电阻的光谱特性图图9.2.2 光敏电阻的光电特性和光谱特性光敏电阻的光电特性和光谱特性光敏电阻的光谱响应特性主要由所用的半导体材料决定。光敏电阻的光谱响应特性主要由所用的半导体材料决定。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 14图图9.2.3 红外探测器的光谱特性与温度的关系红外探测器的光谱特性与温度的关系（a）硫化铅（）硫化铅（Pb

15、S）的光谱响应）的光谱响应 （b）碲镉汞（）碲镉汞（HgCdTe）的光谱特性）的光谱特性温度对光谱响应影响较大，一般来说，光谱响应主要由材料的禁带宽度决温度对光谱响应影响较大，一般来说，光谱响应主要由材料的禁带宽度决定，禁带宽度越窄，则对长波越敏感定，禁带宽度越窄，则对长波越敏感 见式（见式（6.2.3），但禁带很窄时，半，但禁带很窄时，半导体中热激发也会使自由载流子浓度增加，使复合运动加快，灵敏度降低，导体中热激发也会使自由载流子浓度增加，使复合运动加快，灵敏度降低，因此采用冷却器件办法，降低热发射来提高灵敏度。因此采用冷却器件办法，降低热发射来提高灵敏度。但温度降低后，峰值波长向长波范围移

16、动，但温度降低后，峰值波长向长波范围移动， 光子学与光电子学 原荣 邱琪 15图图9.2.4 光敏电阻的伏安特性和频率特性光敏电阻的伏安特性和频率特性（a）伏安特性）伏安特性（b）频率特性）频率特性 光电流与所施加的电压成正比；在给定的电压下，光照越光电流与所施加的电压成正比；在给定的电压下，光照越强，光生电流也越大。强，光生电流也越大。 当入射到光敏电阻的光被调制后，其输出随入射光的调制当入射到光敏电阻的光被调制后，其输出随入射光的调制频率的增加而降低频率的增加而降低 。光子学与光电子学 原荣 邱琪 169.2.3 光敏电阻的偏置电路光敏电阻的偏置电路（a）基本偏置电路）基本偏置电路 （b）

17、晶体管恒流偏置）晶体管恒流偏置 （c）晶体管恒压偏置）晶体管恒压偏置光子学与光电子学 原荣 邱琪 179.2.4 光敏电阻种类和应用光敏电阻种类和应用 本征型光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和本征型光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测；近红外辐射探测； 非本征型光敏电阻通常必须在低温条件下工作，常用非本征型光敏电阻通常必须在低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测。于中、远红外辐射探测。 光敏电阻在光照下会改变自身的电阻率，且光照越强，光敏电阻在光照下会改变自身的电阻率，且光照越强，电阻率越小。光敏电阻结构简单，没有极性，灵敏度电阻率越小。光敏电阻结构简单，没有极性，灵

18、敏度较高，工作电流大，具有内电流增益，光谱响应宽，较高，工作电流大，具有内电流增益，光谱响应宽，测试范围大，但响应速度则较慢。测试范围大，但响应速度则较慢。 主要用于电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析、主要用于电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析、光电制导和激光外差探测等方面。光电制导和激光外差探测等方面。 光敏电阻材料主要有硫化镉（光敏电阻材料主要有硫化镉（CdS）、碲化镉）、碲化镉（CdTe）、硫化铅（）、硫化铅（PbS）和碲镉汞（）和碲镉汞（HgCdTe）之）之类的烧结体和碲化铟（类的烧结体和碲化铟（InTe）、硫化镓（）、硫化镓（GaS）等化）等化合物半导体，以及锗掺杂和硅掺杂半

19、导体晶体。合物半导体，以及锗掺杂和硅掺杂半导体晶体。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 18图图9.2.6 双色（双波双色（双波长）探测器长）探测器 碲镉汞禁带宽度随组分连续变化（碲镉汞禁带宽度随组分连续变化（ 0.141.56 eV），可以包括整个红外波段，很容易用来制），可以包括整个红外波段，很容易用来制备双色探测器，如图备双色探测器，如图9.2.6所示，对双波段辐射所示，对双波段辐射信息进行处理，可大大提高系统的抗干扰和目信息进行处理，可大大提高系统的抗干扰和目标识别能力。标识别能力。光子学与光电子学 原荣 邱琪 19图图9.2.7 使用斩光使用斩光器的光电器的光电导系统导系统 为了抑制目标

20、的背景噪声和探测系统内部的电子噪声，通为了抑制目标的背景噪声和探测系统内部的电子噪声，通常对光进行调制，用一个机械的或电的斩光器以频率常对光进行调制，用一个机械的或电的斩光器以频率fc对入对入射光斩光。射光斩光。 其基本原理是受光照时半导体电阻的改变。光电导探测器其基本原理是受光照时半导体电阻的改变。光电导探测器的电阻的电阻RG以斩光频率以斩光频率fc周期性的改变，从而引起电流周期性的改变，从而引起电流iph(t)周周期性的改变，从而产生跨接在电阻期性的改变，从而产生跨接在电阻RG上的交流信号电压上的交流信号电压uph(t)，该电压通过电容耦合到锁定放大器。该放大器与斩，该电压通过电容耦合到锁

21、定放大器。该放大器与斩光器同步，它的输出是反映光器同步，它的输出是反映uph(t)幅值的直流信号。幅值的直流信号。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 209.3 光电荷效应及应用光电荷效应及应用 光电荷效应与光电效应一样，也是半导体材料吸收入光电荷效应与光电效应一样，也是半导体材料吸收入射光子能量后，如果入射光子的能量超过禁带能量射光子能量后，如果入射光子的能量超过禁带能量Eg，则在半导体材料内部产生电子则在半导体材料内部产生电子-空穴对；但不同的是光空穴对；但不同的是光电效应是以电流为信号的载体，而光电荷效应则是以电效应是以电流为信号的载体，而光电荷效应则是以电荷为信号的载体。电荷为信号的载体。

22、 1969年，年，W. S. Boyle和和G. E. Smith发明了可以将光学发明了可以将光学影像转化为数字信号的半导体装置影像转化为数字信号的半导体装置电荷耦合器件电荷耦合器件（CCD）。他们采用一种对光非常敏感的半导体材料，）。他们采用一种对光非常敏感的半导体材料，将其每一个像素上因光照而产生的大量电信号，在很将其每一个像素上因光照而产生的大量电信号，在很短的时间内，分辨、采集并转移出去，使图像信号的短的时间内，分辨、采集并转移出去，使图像信号的高效存储、编辑和传输成为可能。高效存储、编辑和传输成为可能。 为此，这两位科学为此，这两位科学家与家与“光纤之父光纤之父”英籍华人高锟（英籍华

23、人高锟（C. K. Kao）共同获）共同获得了得了2009年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。光子学与光电子学 原荣 邱琪 219.3 光电荷效应及应用光电荷效应及应用 9.3.1 电荷藕合器件（电荷藕合器件（CCD）工作原理）工作原理 9.3.2 电荷耦合摄像器件工作原理电荷耦合摄像器件工作原理 9.3.3 CCD的应用的应用 9.3.4 CMOS成像技术成像技术 9.3.5 CMOS和和CCD摄像器件的比较摄像器件的比较 9.3.6 光子效应器件汇总光子效应器件汇总光子学与光电子学 原荣 邱琪 229.3.1 电荷藕合器件（电荷藕合器件（CCD）工作原理）工作原理 电荷耦合器件（电荷耦合器

24、件（CCD）是一种集光电转换、对光生电荷存）是一种集光电转换、对光生电荷存储和输送的光电荷效应图像芯片储和输送的光电荷效应图像芯片 ； 电荷耦合摄像器件是电荷耦合摄像器件是CCD的一种应用，其工作原理是用光的一种应用，其工作原理是用光学系统把景物聚焦在器件表面，假如入射光子的能量超过学系统把景物聚焦在器件表面，假如入射光子的能量超过禁带能量禁带能量Eg，则在半导体材料吸收光子能量后在其内部产，则在半导体材料吸收光子能量后在其内部产生电子生电子-空穴对，其中少数载流子被附近势阱所收集。空穴对，其中少数载流子被附近势阱所收集。 由于每一单元电极下所存储的少数载流子数目与光强有关，由于每一单元电极下

25、所存储的少数载流子数目与光强有关，因此一个光学图像可转换成电（栅）极下面的电荷图像。因此一个光学图像可转换成电（栅）极下面的电荷图像。 随着时间的增加，积累的电荷越来越多，然后以一定方式随着时间的增加，积累的电荷越来越多，然后以一定方式给不同电极加偏压，使电荷按一定顺序转移，最后在输出给不同电极加偏压，使电荷按一定顺序转移，最后在输出端输出，从而将图像转变为视频电信号。端输出，从而将图像转变为视频电信号。光子学与光电子学 原荣 邱琪 23图图9.3.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）电容的）电容的构成和电荷的存储构成和电荷的存储（a）MOS电容结构示意图电容结构示意图 （b）

26、用三个）用三个MOS说明电荷的存储作用说明电荷的存储作用CCD是一种由金属是一种由金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）三层组成的电容器件。一般以）三层组成的电容器件。一般以N型硅型硅（N-Si）作为半导体衬底（）作为半导体衬底（S），在其上生长一层二氧化硅（），在其上生长一层二氧化硅（SiO2）薄膜，在）薄膜，在SiO2上面沉积具有一定形状的金属层（上面沉积具有一定形状的金属层（M），并在硅片底部形成一个欧姆接触），并在硅片底部形成一个欧姆接触（A）。在金属层和硅片底部的欧姆接触之间施加一个外电压）。在金属层和硅片底部的欧姆接触之间施加一个外电压U。图图9.3.1（b）表示三个相邻的）

27、表示三个相邻的MOS结构，如在结构，如在1、3两个金属电极上加上适当的电两个金属电极上加上适当的电压压U1，在电极，在电极2上加上更负的电压上加上更负的电压U2，即，即U1 U2，在电极，在电极2下面能收集光生下面能收集光生空穴，因此，可以把它看作空穴的势阱，并在一定时间内保持这种电荷。空穴，因此，可以把它看作空穴的势阱，并在一定时间内保持这种电荷。光子学与光电子学 原荣 邱琪 24图图9.3.2 CCD器件电荷包在一个时钟周期器件电荷包在一个时钟周期Ti中的转移传输过程中的转移传输过程 当经过一个时钟周期当经过一个时钟周期Ti后，电荷包将向右转移了三个电极的后，电荷包将向右转移了三个电极的位

28、置，即一个时钟周期。因此，一个时钟周期就可把位置，即一个时钟周期。因此，一个时钟周期就可把CCD中中的电荷包转移到输出端，其工作过程从效果上看，类似于数的电荷包转移到输出端，其工作过程从效果上看，类似于数字电路中的移位寄存器。字电路中的移位寄存器。光子学与光电子学 原荣 邱琪 259.3.2 电荷耦合摄像器件工作原理电荷耦合摄像器件工作原理 电荷耦合摄像器件（电荷耦合摄像器件（CCD）是一类可将二维光学）是一类可将二维光学图像信号转换为一维时序电信号的功能器件，由图像信号转换为一维时序电信号的功能器件，由光电探测器阵列和光电探测器阵列和CCD移位寄存器两个功能部分移位寄存器两个功能部分组成。组

29、成。 光电探测器阵列获得光信号的电荷图像；光电探测器阵列获得光信号的电荷图像； CCD移位寄存器实现光生信号电荷的转移输出。移位寄存器实现光生信号电荷的转移输出。 根据结构的不同，电荷耦合摄像器件可分为线阵根据结构的不同，电荷耦合摄像器件可分为线阵CCD和面阵和面阵CCD，按光谱可分为可见光，按光谱可分为可见光CCD、X光光CCD和紫外光和紫外光CCD。光子学与光电子学 原荣 邱琪 26图图9.3.3 三相单沟道线阵三相单沟道线阵CCD摄像器件结构示意图摄像器件结构示意图在光积分时间内，扫描脉冲电压在光积分时间内，扫描脉冲电压 p为高电平，转移栅为高电平，转移栅 x为低电平，光敏二极管为低电平

30、，光敏二极管阵列被反偏置，并与阵列被反偏置，并与CCD移位寄存器相互隔离，在光辐射的作用下，产生信号移位寄存器相互隔离，在光辐射的作用下，产生信号电荷，并存储在光敏元的势阱中，形成与入射光学图像相对应的电荷包的电荷，并存储在光敏元的势阱中，形成与入射光学图像相对应的电荷包的“潜潜像像”。当转移栅当转移栅 x为高电平时，光敏阵列与移位寄存器沟通，光敏区积累的信号电荷为高电平时，光敏阵列与移位寄存器沟通，光敏区积累的信号电荷包通过转移栅包通过转移栅 x并行地流入并行地流入CCD移位寄存器中。移位寄存器中。在光积分时间内，已流入在光积分时间内，已流入CCD移位寄存器中的信号电荷在三相驱动脉冲的作用移

31、位寄存器中的信号电荷在三相驱动脉冲的作用下，按其在下，按其在CCD中的空间排列顺序，通过输出机构串行地转移出去，形成一维中的空间排列顺序，通过输出机构串行地转移出去，形成一维时序电信号。时序电信号。光子学与光电子学 原荣 邱琪 27图图9.3.4 双沟道线阵双沟道线阵CCD摄像器件结构原理图摄像器件结构原理图 当转移栅当转移栅A、B为高电位（对于为高电位（对于N沟道器件）时，光敏阵列势沟道器件）时，光敏阵列势阱里存储的信号电荷将同时按照箭头制定的方向分别转移到阱里存储的信号电荷将同时按照箭头制定的方向分别转移到对应的移位寄存器内，随后在驱动脉冲的作用下，分别向右对应的移位寄存器内，随后在驱动脉

32、冲的作用下，分别向右转移，然后经过输出放大器以一维时序电信号方式输出，最转移，然后经过输出放大器以一维时序电信号方式输出，最后再将这两路信号合并在一起输出。后再将这两路信号合并在一起输出。光子学与光电子学 原荣 邱琪 28存储在势阱中的光生电荷包在逐渐移位，存储在势阱中的光生电荷包在逐渐移位，最后移到输出端输出最后移到输出端输出 图图9.3.2表示在表示在N型硅片上制作一排型硅片上制作一排MOS电容器，把栅电容器，把栅极极1、4、7，2、5、8，3、6、9分成三组，分别联在一分成三组，分别联在一起，并分别加上起，并分别加上 1、 2、 3三相时钟脉冲，即三相时钟脉冲，即 1 = 2 = 3 =

33、 T/3，T为时钟脉冲的周期，如图为时钟脉冲的周期，如图9.3.2（g）所示，这样就能使某些栅极下所存储的电荷包向右转所示，这样就能使某些栅极下所存储的电荷包向右转移。移。 电荷包向右转移的道理是显然可见的，仔细观察图电荷包向右转移的道理是显然可见的，仔细观察图9.3.2（e）到图）到图9.3.2（g）在一个时钟周期）在一个时钟周期Ti中，各相中，各相时钟势阱的变化过程，可以看到，时钟势阱的变化过程，可以看到， 1、 2、 3三相三相时钟脉冲中所对应的空穴势阱，随着时间的流逝，势时钟脉冲中所对应的空穴势阱，随着时间的流逝，势阱也在逐相移位，阱也在逐相移位，t1时刻势阱在时刻势阱在 1电极下，电

34、极下，t4时刻势时刻势阱在阱在 2电极下，电极下，t5时刻势阱在时刻势阱在 3电极下。电极下。 也就是说，存储在势阱中的光生电荷包在逐渐移位，也就是说，存储在势阱中的光生电荷包在逐渐移位，最后移到输出端输出。最后移到输出端输出。光子学与光电子学 原荣 邱琪 29图图9.3.5 行间转移面阵行间转移面阵CCD构成原理图构成原理图在光积分期间，光敏元阵列积累光生电荷，在列控制脉冲的控制下，电荷由下在光积分期间，光敏元阵列积累光生电荷，在列控制脉冲的控制下，电荷由下向上向垂直向上向垂直CCD移位寄存器转移，该寄存器的输出送入水平移位寄存器转移，该寄存器的输出送入水平CCD移位寄存器。移位寄存器。水平

35、水平CCD寄存器在行驱动控制脉冲的作用下，从左到右依次将垂直寄存器在行驱动控制脉冲的作用下，从左到右依次将垂直CCD送来的送来的电荷转移出去。电荷转移出去。当面阵上所有的图像像素电荷都转移出去后，光敏元阵列再开始下一周期的图当面阵上所有的图像像素电荷都转移出去后，光敏元阵列再开始下一周期的图像光信号积分。像光信号积分。为与现行的电视制式配合，面阵为与现行的电视制式配合，面阵CCD在时钟脉冲的作用下，也是将一帧图像分在时钟脉冲的作用下，也是将一帧图像分为奇数场和偶数场输出。为奇数场和偶数场输出。光子学与光电子学 原荣 邱琪 309.3.3 CCD的应用的应用 CCD集光电转换、电荷存储、电荷转移

36、、和自集光电转换、电荷存储、电荷转移、和自扫描等功能于一体，具有灵敏度高、噪声低、扫描等功能于一体，具有灵敏度高、噪声低、动态范围大，体积小、质量轻、寿命长，以及动态范围大，体积小、质量轻、寿命长，以及可在电磁场中工作等一系列优点。可在电磁场中工作等一系列优点。 它在宇航遥感、制导跟踪、机器人视觉、工业它在宇航遥感、制导跟踪、机器人视觉、工业监控、天文观测、家庭摄像等领域越来越受到监控、天文观测、家庭摄像等领域越来越受到青睬。青睬。 CCD的应用可大致概括为三大类，即信号处理、的应用可大致概括为三大类，即信号处理、数字存储和图像传感。下面仅介绍图像传感应数字存储和图像传感。下面仅介绍图像传感应

37、用。用。光子学与光电子学 原荣 邱琪 31图图9.3.6 机载机载CCD遥感成像系统框图遥感成像系统框图 机载遥感成像系统由机载遥感成像系统由CCD摄像机、发射机和天线等部分组摄像机、发射机和天线等部分组成。成。1.5 MHz时钟信号经时钟信号经6 1 280分频后作为分频后作为CCD移位寄存移位寄存器的时钟驱动信号。器的时钟驱动信号。 由由CCD像机获得的图像信号经编码、调制、功率放大后，像机获得的图像信号经编码、调制、功率放大后，送入天线发射到地面。送入天线发射到地面。 通过图像，特别是加上红外、紫外多光谱分析，可实时地获通过图像，特别是加上红外、紫外多光谱分析，可实时地获得气象、农作物生

38、长和地下矿藏等方面的资料。得气象、农作物生长和地下矿藏等方面的资料。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 329.3.4 CMOS成成像技术像技术互补互补-金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（CMOS）也是一种基于）也是一种基于9.3.1节介绍的节介绍的MOS器件，也器件，也属于光电荷效应器件。属于光电荷效应器件。CMOS成像的基本原理是，当景物光子入射到成像的基本原理是，当景物光子入射到MOS的半导体上时，假如入射光的半导体上时，假如入射光子的能量超过半导体禁带能量子的能量超过半导体禁带能量Eg，则在半导体材料吸收光子能量后在其内部产，则在半导体材料吸收光子能量后在其内部产生电子生电子-空穴对

39、，对于空穴对，对于N-Si半导体衬底，少数载流子是空穴。当半导体衬底，少数载流子是空穴。当MOS晶体管栅极晶体管栅极未加电压时，它的栅极与源极不导通；未加电压时，它的栅极与源极不导通；当栅极加上负偏压后，就在电极下方产生一个收集光生空穴（电荷）的势阱。当栅极加上负偏压后，就在电极下方产生一个收集光生空穴（电荷）的势阱。由于势阱内的空穴数目与光强有关，因此一个光学图像可转换成电极下面的电由于势阱内的空穴数目与光强有关，因此一个光学图像可转换成电极下面的电荷图像。光照时间越长，势阱内积累（积分）的电荷数就越多。荷图像。光照时间越长，势阱内积累（积分）的电荷数就越多。同时，栅极加上负偏压后，漏极和源

40、极导通，如果给栅极加上脉冲信号，即以同时，栅极加上负偏压后，漏极和源极导通，如果给栅极加上脉冲信号，即以不同的方式给不同不同的方式给不同CMOS电极加偏压，使不同栅极下势阱中的电荷按一定顺序电极加偏压，使不同栅极下势阱中的电荷按一定顺序转移输出，就能将图像的光信号转变为图像的电信号。转移输出，就能将图像的光信号转变为图像的电信号。光子学与光电子学 原荣 邱琪 33 阵列中的每个像素由一阵列中的每个像素由一个光电二极管和一个电容个光电二极管和一个电容Cpx组成，如图组成，如图9.3.7（b）所示。所示。 当像素接收到物体某点当像素接收到物体某点（比如（比如W点）发射的信号点）发射的信号光时，光电

41、二极管就产生光时，光电二极管就产生一个光电流一个光电流Is，该电流就对，该电流就对该像素电容该像素电容Cpx充电，充电，W点点的光信号就是储存在该电的光信号就是储存在该电容的电荷。容的电荷。 因此，像素阵列就保存有该物体的图像，该图像信因此，像素阵列就保存有该物体的图像，该图像信号就是储存在像素电容中的电荷。我们要做的事情号就是储存在像素电容中的电荷。我们要做的事情就是读出这些电荷。就是读出这些电荷。光子学与光电子学 原荣 邱琪 34图图9.3.7 CMOS摄像器件摄像器件 图图9.3.7（c）表示二维）表示二维CMOS阵列成像器件的基本结构，阵阵列成像器件的基本结构，阵列中的每个像元由一个光

42、电二列中的每个像元由一个光电二极管和一个极管和一个CMOS开关组成；开关组成； 其基本工作原理如下：首先由其基本工作原理如下：首先由行扫描电路选中第一行，然后行扫描电路选中第一行，然后由列扫描电路选中第一列，这由列扫描电路选中第一列，这样在二维阵列中左上方的像素样在二维阵列中左上方的像素11被选中，其储存的光生电荷被选中，其储存的光生电荷首先被送到输出线上，然后该首先被送到输出线上，然后该光电二极管复位。光电二极管复位。 接着，依次选中像素接着，依次选中像素12、13、1n，依次送到输出线上。然后，依次送到输出线上。然后，依次再选中依次再选中21、22、2n，一，一直到像素直到像素nn中的电荷

43、全部都输中的电荷全部都输出，就完成了一帧（一个周期）出，就完成了一帧（一个周期）的读出。这种读出方法称为的读出。这种读出方法称为x-y寻址。寻址。光子学与光电子学 原荣 邱琪 35图图9.3.8 有源像素有源像素CMOS图像传感器图像传感器（a）CMOS图像传感器图像传感器的像素结构的像素结构 CMOS图像传感器基本上是图像传感器基本上是一个有源矩阵阵列，阵列中一个有源矩阵阵列，阵列中每个像素具有一个光电二极每个像素具有一个光电二极管，一个或多个管，一个或多个CMOS晶体晶体管，以便读出和放大入射到管，以便读出和放大入射到该像素上的光生电信号。该像素上的光生电信号。 而无源像素传感器只有一个而

44、无源像素传感器只有一个开关晶体管用于读出电荷。开关晶体管用于读出电荷。 T1是复位晶体管，是复位晶体管，T2是一是一个源极跟随器（即缓存器），个源极跟随器（即缓存器），T3是像素开关晶体管。当是像素开关晶体管。当T1断开时，光电流对光电二断开时，光电流对光电二极管自身电容充电。当行极管自身电容充电。当行X接收信号时，接收信号时，T3接通，光电接通，光电二极管上的信号电压通过缓二极管上的信号电压通过缓存器存器T2被转移到列被转移到列Y上。此上。此时像素被复位，时像素被复位，T1连接光电连接光电二极管到二极管到UDD，清除累积的，清除累积的电荷。电荷。光子学与光电子学 原荣 邱琪 36图图9.3.

45、8 有源像素有源像素CMOS图像传感器图像传感器（b）CMOS图像图像传感器的横截面传感器的横截面 CMOS图像传感器图像传感器具有许多优点，其具有许多优点，其中之一是可以低成中之一是可以低成本地集成在一个芯本地集成在一个芯片上，称为芯片上片上，称为芯片上的照相机。的照相机。 为了彩色成像，这为了彩色成像，这种芯片的每个像素种芯片的每个像素具有一个微透镜、具有一个微透镜、一个蓝色或绿色或一个蓝色或绿色或红色滤色器，如图红色滤色器，如图9.3.8（b）所示。）所示。之外，该芯片还要之外，该芯片还要具有模拟信号放大、具有模拟信号放大、处理，图像读出和处理，图像读出和模模/数转换等功能。数转换等功能

46、。光子学与光电子学 原荣 邱琪 379.3.5 图像传感器系统及色彩分离技术图像传感器系统及色彩分离技术 图像传感器系统是一个由光敏像素（元）阵列及其行、列图像传感器系统是一个由光敏像素（元）阵列及其行、列信号读出电路组成的集成电路芯片，如图信号读出电路组成的集成电路芯片，如图9.3.9（a）所示，）所示，即能够捕获图像、提供电信号（如电流、电荷、电压）输即能够捕获图像、提供电信号（如电流、电荷、电压）输出。通常，该输出由一个多路复用器变成一维电信号，通出。通常，该输出由一个多路复用器变成一维电信号，通过模过模-数转换后，变成图像信号的数字信号。数转换后，变成图像信号的数字信号。 传感器由传感

47、器由N行、行、M列像素阵列组成，每个像素有一个光敏列像素阵列组成，每个像素有一个光敏探测器，提供与接收到的光强成正比的电信号（电荷）输探测器，提供与接收到的光强成正比的电信号（电荷）输出。一个透镜聚焦物体光信号到图像传感器上，图像每个出。一个透镜聚焦物体光信号到图像传感器上，图像每个点的光强点的光强I（x,y）照射到传感器上对应（）照射到传感器上对应（x,y）位置上的像）位置上的像素上，变成与光强素上，变成与光强I（x,y）成正比的电信号（电荷），于）成正比的电信号（电荷），于是，每个像素就携带一小部分图像的信息。是，每个像素就携带一小部分图像的信息。 因为图像被分割成因为图像被分割成N M个

48、像素，所以图像传感器的规模个像素，所以图像传感器的规模（大小）决定图像的质量，也决定图像的分辨率。（大小）决定图像的质量，也决定图像的分辨率。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 38（a）使用光敏像素阵列构成的图像传感系统）使用光敏像素阵列构成的图像传感系统 光子学与光电子学 原荣 邱琪 39图像传感器色彩分离技术图像传感器色彩分离技术 为了形成彩色信号，彩色摄像机目前主为了形成彩色信号，彩色摄像机目前主要有三种分离方法：滤波法、三色分光要有三种分离方法：滤波法、三色分光棱镜法和光电二极管色彩分离法。棱镜法和光电二极管色彩分离法。光子学与光电子学 原荣 邱琪 40图图9.3.9 图图像传感器的像传

49、感器的两种色彩分两种色彩分离技术离技术 （a）在三个不同的像素前分别使用红、绿和蓝）在三个不同的像素前分别使用红、绿和蓝滤波器捕获相对应的光信号滤波器捕获相对应的光信号 这种方法称为这种方法称为Bayer滤波，它结构简单，价格滤波，它结构简单，价格低廉，目前在工业、家用摄像机中占统治地位。低廉，目前在工业、家用摄像机中占统治地位。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 41（b）使用三色棱镜把入射图像全色信号分成红、绿）使用三色棱镜把入射图像全色信号分成红、绿和蓝光信号，分别用三个和蓝光信号，分别用三个CCD芯片转换成相对应的芯片转换成相对应的电信号电信号 这种方法这种方法成像质量成像质量好，主要好，

50、主要用于电视用于电视台高质量台高质量的摄像机。的摄像机。光子学与光电子学 原荣 邱琪 42利用光电二极管分离三个色彩光信号利用光电二极管分离三个色彩光信号 第三种技术是利用一个能够分离出三个第三种技术是利用一个能够分离出三个色彩光信号的光电二极管实现。色彩光信号的光电二极管实现。 光电二极管在光电二极管在P-Si衬底上形成衬底上形成N-P-N三层三层结构，从表面到内部依次取出蓝色信号、结构，从表面到内部依次取出蓝色信号、绿色信号和红色信号。绿色信号和红色信号。光子学与光电子学 原荣 邱琪 43图图9.3.10 CMOS成成像器件单像器件单元像素色元像素色彩分离光彩分离光电二极管电二极管的结构的

51、结构 CMOS器件的色彩采用一个能够分离出三个色彩信号器件的色彩采用一个能够分离出三个色彩信号的光电二极管实现。光电二极管在的光电二极管实现。光电二极管在P-Si衬底上形成衬底上形成N-P-N三层结构，从表面到内部依次取出蓝色信号、绿三层结构，从表面到内部依次取出蓝色信号、绿色信号和红色信号，如图色信号和红色信号，如图9.3.10所示。所示。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 44光电二极管分离色彩光电二极管分离色彩 的原理的原理这种结构的光电二极管之所以能够分离色彩，是因为利用硅（这种结构的光电二极管之所以能够分离色彩，是因为利用硅（Si）对）对于不同波长的光吸收程度不同，如左图所示，当入射光波

52、长太短（频于不同波长的光吸收程度不同，如左图所示，当入射光波长太短（频率太高）时，光电转换效率也会大大下降，这是因为材料对光的吸收率太高）时，光电转换效率也会大大下降，这是因为材料对光的吸收系数是波长的函数。系数是波长的函数。当入射波长很短时，比如蓝光，材料对蓝光的吸收系数变得很大，如当入射波长很短时，比如蓝光，材料对蓝光的吸收系数变得很大，如右图所示，结果使大量的入射蓝光的光子在光电二极管的表面层里被右图所示，结果使大量的入射蓝光的光子在光电二极管的表面层里被吸收，所以可从表面层取出入射彩色图像光的蓝色成分。吸收，所以可从表面层取出入射彩色图像光的蓝色成分。接着从外到里，可以取出绿色成分和红

53、色成分。接着从外到里，可以取出绿色成分和红色成分。光子学与光电子学 原荣 邱琪 459.3.6 CMOS和和CCD摄像器件的比较摄像器件的比较 从图像光信号产生图像电信号的基理来看，从图像光信号产生图像电信号的基理来看，CMOS图像传感器和图像传感器和CCD图像传感器是相图像传感器是相同的，即都是在半导体材料吸收光子后，同的，即都是在半导体材料吸收光子后，假如入射光子的能量超过半导体禁带能量假如入射光子的能量超过半导体禁带能量Eg，则在半导体材料内部产生电子，则在半导体材料内部产生电子-空穴空穴对，栅极施加电压后，就将光生电荷存储对，栅极施加电压后，就将光生电荷存储在电极下面的势阱内。在电极下

54、面的势阱内。 但是，从取出信号的方式、电路结构、器但是，从取出信号的方式、电路结构、器件制造工艺、性能来看，两者就有很大的件制造工艺、性能来看，两者就有很大的差异。差异。光子学与光电子学 原荣 邱琪 46图图9.3.13 CCD和和CMOS图像器件的基本结构比较图像器件的基本结构比较CCD各像素光生信号电荷转移输出合成一帧后，统一由放大器各像素光生信号电荷转移输出合成一帧后，统一由放大器放大；而放大；而CMOS各像素光生信号电荷则是先放大再输出合成。各像素光生信号电荷则是先放大再输出合成。CCD图像传感器直接传送信号电荷，容易受到漏光噪声的影响，图像传感器直接传送信号电荷，容易受到漏光噪声的影

55、响，某一像元电荷饱和后溢出就会向相邻像元泄漏，产生图像光晕某一像元电荷饱和后溢出就会向相邻像元泄漏，产生图像光晕与拖影；与拖影；CMOS图像传感器则在像素单元内就对信号电压进行了放大，图像传感器则在像素单元内就对信号电压进行了放大，通过列总线输出，所以在转移电荷的过程中，不容易受到噪声通过列总线输出，所以在转移电荷的过程中，不容易受到噪声的影响，不会发生电荷的损失，图像没有光晕、拖影与模糊等的影响，不会发生电荷的损失，图像没有光晕、拖影与模糊等现象。现象。光子学与光电子学 原荣 邱琪 47图图9.3.14 CCD和和CMOS图像传感器构成的比较图像传感器构成的比较（a）CCD图像传感器的构成图

56、像传感器的构成 （b）CMOS图像传感器的构成图像传感器的构成由于由于CMOS图像传感器的各像素信号利用开关选择的方式取出，取出的顺序可图像传感器的各像素信号利用开关选择的方式取出，取出的顺序可变，具有较高的扫描自由度，容易控制；而变，具有较高的扫描自由度，容易控制；而CCD图像传感器只能将信号依据像图像传感器只能将信号依据像素的排列顺序逐个输出，因此速度较慢。素的排列顺序逐个输出，因此速度较慢。CMOS在采集光信号的同时，可以取出电信号，而在采集光信号的同时，可以取出电信号，而CCD却不能。却不能。在光谱响应上，目前在光谱响应上，目前CCD已有已有X射线、紫外线、可见光、红外和多光谱等多个射

57、线、紫外线、可见光、红外和多光谱等多个品种，而品种，而CMOS仅有可见光一种。仅有可见光一种。光子学与光电子学 原荣 邱琪 48CMOS和和CCD摄像器件的其他比较摄像器件的其他比较 CMOS可使用单一的电源，几乎没有静态电能消耗，功耗仅是可使用单一的电源，几乎没有静态电能消耗，功耗仅是CCD器件器件的的1/3左右，电池使用寿命长；而左右，电池使用寿命长；而CCD需要多个电源，需要外部控制信需要多个电源，需要外部控制信号与时钟信号进行电荷转移。号与时钟信号进行电荷转移。CCD虽然具有光照灵敏度高、噪声低、像素面积小等优点，但虽然具有光照灵敏度高、噪声低、像素面积小等优点，但CCD光光敏单元阵列

58、难以与时钟驱动控制电路及信号处理电路单片集成在一起，敏单元阵列难以与时钟驱动控制电路及信号处理电路单片集成在一起，不易处理模不易处理模/数转换、存储和运算单元功能。另外，数转换、存储和运算单元功能。另外，CCD阵列时钟脉冲阵列时钟脉冲复杂，需要使用相对较高的工作电压，不能与亚微米超大规模（复杂，需要使用相对较高的工作电压，不能与亚微米超大规模（VLSI）技术兼容，制造成本较高。技术兼容，制造成本较高。与此相比，采用与此相比，采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列、时钟控制电路、技术可以将光电摄像器件阵列、时钟控制电路、信号处理电路、模信号处理电路、模/数转换器、色彩分离、微透镜阵列和全数字接口

59、电数转换器、色彩分离、微透镜阵列和全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现低成本、低功耗单芯片成像系统。随着路等完全集成在一起，可以实现低成本、低功耗单芯片成像系统。随着CMOS图像传感器技术的进步，其自身的优势正在不断发挥，性能也正图像传感器技术的进步，其自身的优势正在不断发挥，性能也正在不断提高。预料不久将来在不断提高。预料不久将来CMOS图像传感器将越来越被人们关注。图像传感器将越来越被人们关注。CCD常用于普通卫星的图像采集成像器件，但是对于质量轻于常用于普通卫星的图像采集成像器件，但是对于质量轻于10 kg的的微型卫星来说，微型卫星来说，CCD在体积、质量和功耗等方面均难以达到要求；

60、在体积、质量和功耗等方面均难以达到要求；而而CMOS图像传感器将成为遥感成像、太阳敏感器和恒星敏感器等空间图像传感器将成为遥感成像、太阳敏感器和恒星敏感器等空间应用的首选。应用的首选。光子学与光电子学 原荣 邱琪 499.3.7 光子效应器件汇总光子效应器件汇总光电导效应光电导效应，光照时半导体材料自身电阻率会改变的效应，利用光电，光照时半导体材料自身电阻率会改变的效应，利用光电导效应制成的最典型器件就是光敏电阻。光敏电阻种类繁多，根据使导效应制成的最典型器件就是光敏电阻。光敏电阻种类繁多，根据使用的材料不同，有对紫外线敏感的，有对可见光敏感的，有对红外敏用的材料不同，有对紫外线敏感的，有对可