·202 传感器技术设计与应用 当入射光很微弱时，如果积分时间过长，信号将会被暗电流所淹没， 暗电流与光纯二极管的尺寸、偏压、硅的体内特性和生产工艺有关。暗电流随光电 二极管周长的变化化随光电二极管面积的变化强烈得多，而信号光电流与面积成正比， 所以随着光电二极管面积的缩小，信号电流比暗电流减小得更快，即信号电流与暗电流 之比随着光电二极管的面积缩小而变差，因而尺寸小的光电二极管阵列的低光强检测能 力也相应降低。另外，降低温度是将点电流的一种有效的办法，温度每降低10℃，暗 电流大约可降低一半 光电二极管阵列的可测光强上限取决于器件允许使用的最高时钟频率。最高时钟频 率也确定了器件的最短积分时间。如果在器件最短可用积分时间内，由于入射光照过强 使光电二极管的结电容完全放电，这就称为绝对饱和， 对于固定的积分时间来说，光电二极管阵列的动态范围取决于噪声电和饱和电平之 比。在充电取样的典型的范围为102，即40B。如果积分时间随入射光强度不同而改变， 则达到极限值之间的动态范围可达103-10，即60-120B. 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
·202· 当入射光很微弱时，如果积分时间过长，信号将会被暗电流所淹没。 暗电流与光电二极管的尺寸、偏压、硅的体内特性和生产工艺有关。暗电流随光电 二极管周长的变化比随光电二极管面积的变化强烈得多，而信号光电流与面积成正比， 所以随着光电二极管面积的缩小，信号电流比暗电流减小得更快，即信号电流与暗电流 之比随着光电二极管的面积缩小而变差，因而尺寸小的光电二极管阵列的低光强检测能 力也相应降低。另外，降低温度是将点电流的一种有效的办法，温度每降低 10°C，暗 电流大约可降低一半。 光电二极管阵列的可测光强上限取决于器件允许使用的最高时钟频率。最高时钟频 率也确定了器件的最短积分时间。如果在器件最短可用积分时间内，由于入射光照过强， 使光电二极管的结电容完全放电，这就称为绝对饱和。 对于固定的积分时间来说，光电二极管阵列的动态范围取决于噪声电和饱和电平之 比。在充电取样的典型的范围为 102，即 40dB。如果积分时间随入射光强度不同而改变， 则达到极限值之间的动态范围可达 103~106，即 60~120dB. 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
第11章图像传感器 ·203· 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CBC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C℃再充电时，在R两端将输出一脉冲信号，信号的幅度正比于 Cc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趾的电荷量及反向PN结的漏电流（或称暗电流）引起的放电电荷。 与一般的晶体管集成电路的工艺一样，但发射机光电三极管阵列需作隔离扩散，工 序较多，成品率及集成均受限制。另一种结构的光电三极管阵列称为双发射光电三极管 阵列，这种阵列的特点在于不需要隔离扩散，工艺简单，因而集成度和成品率可以进一 步提高。此外，这种结构还减少了寄生电容。 双发射极光电三极管的单元电路及工作原理示于图11-7中，当E,加上读出斜脉冲 时，可以在E上将信号读出。在分析时，把E2、B结看成一个电容，当Ue电位发生瞬 变时，B的电位随着增减，E2B结的电容起着耦合电容的作用， 当UE:从1的值降到，的零值时E2B结的电容使B的电位也随之下降同样的幅度 此时，B的电位变成负值，在到这段时间，由于光照，产生的光电载流子将使基区
11 ·203· 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。 与一般的晶体管集成电路的工艺一样，但发射机光电三极管阵列需作隔离扩散，工 序较多，成品率及集成均受限制。另一种结构的光电三极管阵列称为双发射光电三极管 阵列，这种阵列的特点在于不需要隔离扩散，工艺简单，因而集成度和成品率可以进一 步提高。此外，这种结构还减少了寄生电容。 双发射极光电三极管的单元电路及工作原理示于图 11-7 中，当 E2 加上读出斜脉冲 时，可以在 E1 上将信号读出。在分析时，把 E2、B 结看成一个电容，当 UE2 电位发生瞬 变时，B 的电位随着增减, E2B 结的电容起着耦合电容的作用。 当 UE2从 t1 的值降到 t2 的零值时，E2B 结的电容使 B 的电位也随之下降同样的幅度。 此时，B 的电位变成负值，在 t2到 t3 这段时间，由于光照，产生的光电载流子将使基区
·204 传感器技术设计与应用 (P区)的电位升高。换言之，在读出终了时已对恪结电容进行了充电，在时均为反偏。 在2~t期间内光照产生的电流不断使结电容放电，这段时间即为积分时间。从6起又开 始读出，B的电位随UE:上升而上升。从t到电位上升到零的时间成为延时时间：，当 BE结变为正向偏压时，便有一信号输出。到七时，B的电位最高，输出信号达到峰值 此后随电流的输出，B电位下降，最后当电流降到零时，B电位也降到零，同时完成再 充电。 ()单元电路 中第强度 光太强 无光强 (b)信号波形 图116光电三极管的积盼工作模式 图11·7双发射结光电三极管阵列单元电路及 工作原理 当照射光很强或积分时间太长时，使B电位在之前升到零，这种情况称为饱和状
·204· (P 区)的电位升高。换言之，在读出终了时已对各结电容进行了充电，在 t2 时均为反偏。 在 t2~t3 期间内光照产生的电流不断使结电容放电，这段时间即为积分时间。从 t3 起又开 始读出，B 的电位随 UE2 上升而上升。从 t3 到电位上升到零的时间成为延时时间 td，当 BE 结变为正向偏压时，便有一信号输出。到 t4 时，B 的电位最高，输出信号达到峰值， 此后随电流的输出，B 电位下降，最后当电流降到零时，B 电位也降到零，同时完成再 充电。 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 当照射光很强或积分时间太长时，使 B 电位在 t3 之前升到零，这种情况称为饱和状
第11章图像传感器 ·205· 态，此时等于零，输出信号也达到了饱和值。积分期间可释放的电荷量为句时，BE 结所储存的电荷Qr,其饱和值为Qs Qp=CE2 UE2 (11-4) 当Q<Qs时，输出信号的峰值可近似表示为 wG品cu (11-5) 式中，Un约等于0.7V 输出信号的大小主要由E2上所充的电荷量 所决定，图11-8为饱和输出信号峰值Us与激 0-20 励斜脉冲上升时间：的关系曲线，它以光电三 100 极管的放大倍数郎。为变量。由图可见，在陡的 (ns) 阶跃脉冲驱动下，Us随，的增加而增加，但 图11-8饱和信号峰值电压U,与1的关系 很快趋于饱和，所以，工作在积分模式的阵列与普通的光电三极管不一样，它并不需大 的邹。来增加灵敏度，而是靠提高量子效率来增加灵敏度。显然，Ez面积大，Ca也大， Q就大，输出信号的饱和值就大。因此，若需求光电三极管阵列有大的动态范围，应 将E2的面积做大一些 11.2电荷耦合器件及图像传感器 电荷耦合器件（简称CCD)的发明始于1969年，在其后几年中发展迅速，并得到
11 ·205· 态，此时 td 等于零，输出信号也达到了饱和值。积分期间可释放的电荷量为 t=t1 时，BE2 结所储存的电荷 QP，其饱和值为 QPS Qps =CE 2 UE2 （11-4） 当 QP<QPS时，输出信号的峰值可近似表示为 UP = 2 P E C Q C C+ -UD （11-5） 式中，UD 约等于 0.7 V 输出信号的大小主要由E2上所充的电荷量 所决定，图 11-8 为饱和输出信号峰值 UPS与激 励斜脉冲上升时间 的关系曲线，它以光电三 极管的放大倍数β 0 为变量。由图可见，在陡的 阶跃脉冲驱动下，UPS随β 0 的增加而增加，但 很快趋于饱和，所以，工作在积分模式的阵列与普通的光电三极管不一样，它并不需大 的β 0 来增加灵敏度，而是靠提高量子效率来增加灵敏度。显然，E2 面积大，CE2 也大， QPS 就大，输出信号的饱和值就大。因此，若需求光电三极管阵列有大的动态范围，应 将 E2 的面积做大一些。 电荷耦合器件（简称 CCD）的发明始于 1969 年，在其后几年中发展迅速，并得到 图 11-8 饱和信号峰值电压 UPS 与 t的关系
·206 传感器技术设计与应用 了广泛的应用。CCD并不是一种新发明的器件，它可以说是电MOS容器的一种新的说 法。在适当次序的时钟控制下，CCD能够使电荷量有控制地穿过半导体的衬底而实现电 荷的转移。利用这个机理便可实现多种的电子功能，在作为光敏器件是可用于图像的传 感，即成为固体摄像器件。此外CCD,还可作为信息处理和信息存储器件 11.2.1电荷耦合器件的工作原理及结构 112.1.1金属-氧化物-半导体材料(MOS)电容 CCD是由按照一定规律排列的MOS电容阵列组成的。其中金属为MOS结构上的 电极，称为“栅极”（此栅极材料不使用金属而使用能够透过一定波长范围的光的多晶 硅薄膜。半导体作为底电极，俗称“衬底”。两电极之间夹一层绝缘体，构成电容，如 图119所示，这种电容器具有一般电容器所设有的一些特性，MOS的工作原理就是基 于这些特性。因此，在介绍的MOS工作原理之前，先简单介绍一下MOS电容的特性。 当MOS电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从体内到表面处处是 电中性的，因而能带（代表电子的能星）从表面到内部是平的，这就是平带条件。所谓 理想情况主要是忽略氧化层中的电荷及界面态电荷（一般均为正电荷），且三层之间没 有电荷交换。图11-10(a)为平带条件下的能带图。 若在金属电极上相对于半导体加上正电压UG,当U6较小时，P型半号体表面的多 数截流子空穴受到金属中正电荷的排拆、从而离开表面而留下电离的受主杂质离子，在
·206· 了广泛的应用。CCD 并不是一种新发明的器件，它可以说是电 MOS 容器的一种新的说 法。在适当次序的时钟控制下，CCD 能够使电荷量有控制地穿过半导体的衬底而实现电 荷的转移。利用这个机理便可实现多种的电子功能，在作为光敏器件是可用于图像的传 感，即成为固体摄像器件。此外 CCD，还可作为信息处理和信息存储器件。 11.2.1.1 金属-氧化物-半导体材料（MOS）电容 CCD 是由按照一定规律排列的 MOS 电容阵列组成的。其中金属为 MOS 结构上的 电极，称为“栅极”（此栅极材料不使用金属而使用能够透过一定波长范围的光的多晶 硅薄膜）。半导体作为底电极，俗称“衬底”。两电极之间夹一层绝缘体，构成电容，如 图 11-9 所示，这种电容器具有一般电容器所没有的一些特性，MOS 的工作原理就是基 于这些特性。因此，在介绍的 MOS 工作原理之前，先简单介绍一下 MOS 电容的特性。 当 MOS 电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从体内到表面处处是 电中性的，因而能带（代表电子的能量）从表面到内部是平的，这就是平带条件。所谓 理想情况主要是忽略氧化层中的电荷及界面态电荷（一般均为正电荷），且三层之间没 有电荷交换。图 11-10(a)为平带条件下的能带图。 若在金属电极上相对于半导体加上正电压 UG，当 UG 较小时，P 型半导体表面的多 数截流子空穴受到金属中正电荷的排斥、从而离开表面而留下电离的受主杂质离子，在