S2 光电探测器件 07.ppt

1、C2 光电探测器件,理学院 宋旸,2,2 光电探测器件,2.1 光电探测器的物理效应 2.2 光电探测器的性能参数 2.3 外光电效应型光电探测器 2.4 内光电效应型光电探测器 2.5 固体成像器件 2.6 光电探测光源,3,2 光电探测器件,4,2.5 固体成像器件,5,2009 诺贝尔物理学奖,6,2009 诺贝尔物理学奖,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,7,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的组成及工作原理,Charge Coupled Device,8,2.5.1 电荷耦合器件,电荷charge存储, CCD的组成及工作原理,9,2.5

2、.1 电荷耦合器件,电荷charge存储, CCD的组成及工作原理,10,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,11,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的组成及工作原理,12,2.5.1 电荷耦合器件,电荷的转移, CCD的组成及工作原理,13,2.5.1 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,14,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的结构,线阵CCD,15,2.5.1 电荷耦合器件

3、, CCD的结构,面阵CCD：Interline Transfer,16,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的结构,面阵CCD：Interline Transfer,17,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的结构,面阵CCD：Interline Transfer,18,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的结构,面阵CCD：Interline Transfer,19,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的结构,面阵CCD：Full Frame,20,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的结构,面阵CCD：Full Frame,21,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的结构,面阵CCD：Full Fr

4、ame,22,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的结构,面阵CCD：Full Frame,23,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的结构,面阵CCD：Full Frame,24,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的结构,面阵CCD：Frame Transfer,25,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的结构,面阵CCD：Frame Transfer,26,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的结构,面阵CCD：Frame Transfer,27,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的结构,面阵CCD：Frame Transfer,28,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的结构,面阵CCD：Fram

5、e Transfer,29,2.5.1 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：,30,2.5.1 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,31,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的性能参数,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 暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中心的

6、热激发 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： 限制器件的低频限 引起固定图像噪声,32,2.5.1 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),33,2.5.1 电荷耦合器件, CCD的性能参数,5 光谱响应,CCD的光谱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

7、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,34,2.5.1 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,35,2.5.1 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

8、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,36,2.5.1 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,37,2.5.1 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,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,38,2.5.2 CMOS器件,面阵CCD：Interline Transfer,39,2.5.2 CMOS器件,40,2.5.2 CMOS器件,面

9、阵CCD：Interline Transfer,41,2.5.2 CMOS器件,面阵CCD：Interline Transfer,42,2.5.2 CMOS器件,面阵CCD：Interline Transfer,43,2.5.2 CMOS器件,面阵CCD：Interline Transfer,44,2.5.2 CMOS器件,CCD与CMOS结构的差异, CMOS器件结构及工作原理,45,2.5.2 CMOS器件, CMOS器件结构及工作原理,46,2.5.2 CMOS器件, CMOS器件结构及工作原理,47,2.5.2 CMOS器件, CMOS器件结构及工作原理,48,2.5.2 CMOS器件

10、, CMOS器件结构及工作原理,49,2.5.2 CMOS器件,CCD与CMOS结构的差异, CMOS器件结构及工作原理,50,2.5.2 CMOS器件,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,51,2.5.2 CMOS器件, CMOS器件与CCD器件比较,灵敏度差异,52,2.5.2 CMOS器件, CMOS器件与CCD器件比较,噪声差异,53,2.5.2 CMOS器件, CMOS器件与CCD器件比较,功耗差异,54,2.5.3 C

11、CD VS CMOS,(1) 灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四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

12、异：CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到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。,55,2.5.3 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

13、每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到12-18V；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。,56,2.5.3 CCD VS CMOS,57,2.5.4 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，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,58,2.5.4 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,59,2.5.4 芯片的尺寸,五百万像素并不一定优于四百万像素， 5

14、MP: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。,60,2.5.4 芯片的尺寸,61,2.5.5 彩色摄像机,62,2.5.5 彩色摄像机, 3CCD彩色摄像机,63,2.5.5 彩色摄像机,单片彩色摄像机,64,2.5.5 彩色摄像机,单片彩色摄像机,65,2.5.5 彩色摄像机,单片彩色摄像机,66,2.5.5 彩色摄像机,单片彩色摄像机,67,2.5.5 彩色摄像机,单片彩色摄像机,68,2.5.5 彩色摄像机,单片彩色摄像机,69,2.5.5 彩色摄像机,单片彩色摄像机,70,2.5.5 彩色摄像机, 美国 Foveon 公司 多层感色