光电传感器应用技术 教学课件 作者 王庆有 第9章.ppt

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1、第9章CMOS光电图像传感器CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）图像传感器出现于1969年,是一种用传统的芯片制造工艺将光敏阵列、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上制成器件，它结构简单、处理功能多、成品率高，价格低廉，有着广阔的应用前景。CMOS图像传感器主要由光电二极管、MOS场效应管、放大器与开关等电路构成。因此，先学习MOS场效应管的基本原理。9.1MOS与CMOS场效应管9.1.1MOS场效应管的基本结构图9-1MOS管的工艺结构MO

2、S场效应管（MOSFET）是一种单极性半导体器件。由衬底、源极S、漏极D和栅极G组成。其结构如图9-1所示，用轻渗杂的P型硅为衬底，在其上生成N+型源区S和N+型漏区D；两个N+型区之间的部分称为沟道，沟道的长度为L，宽度为W；因此，这种场效应管又称为N沟道场效应管。MOS场效应管的物理模型结构如图9-2所示，随着Ug的增高，反型层厚度增加，导电能力也增强。图9-2MOS场效应管的结构表明栅极电压对源、漏电极间电流的控制能力，即MOS场效应管具有双极性晶体管中，基极电流控制集电极电流的特点。在场效应管中漏极电流被栅极电位Ug控制。图9-

3、3所示为MOS场效应管导电机构的立体剖面示意图，由图可以清楚地看出反型沟道层与耗尽层的分布情况。图9-3MOS场效应管导电机构剖面示意图图中栅极下面紧贴氧化层的一层是反型的沟道层，其中电子密度很大；再下一层是耗尽层，而且在两个N+区的下面也形成耗尽层，使它们彼此连接在一起，形成导电沟道。9.1.2场效应管的主要性能参数1.阈值电压Uth2.伏安特性3.频率特性4.开关特性5.噪声9.2CMOS图像传感器的原理与结构9.2.1CMOS图像传感器的组成图9-10CMOS器件原理图CMOS图像传感器的组成原理框图如图9-10所示，它的主要组成

4、部分是像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列按X和Y方向排列成方阵，方阵中的每一个像敏单元都有它在X，Y各方向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择；图9-11CMOS传感器原理图图9-11为CMOS图像传感器输出信号的过程，在Y方向地址译码器的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关，信号被送到列线上，再通过X方向地址译码器的控制，输送到放大器。在CMOS图像传感器芯片上，还可以设置其他数字处理电路。例如，自动曝光处理、非均匀性补偿、白平衡处理、γ校正、黑电平控制等处理电路。甚

5、至于将具有运算和可编程功能的DSP器件制作在一起形成多种功能的器件。9.2.3CMOS图像传感器的工作流程CMOS图像传感器的典型工作流程图如图9-19所示，图9-19CMOS传感器工作流程9.2.4CMOS图像传感器的辅助电路图9-21CMOS传感器非均匀性校正电路9.3CMOS图像传感器的特性参数1．光谱性能与量子效率图9-29CMOS像敏单元光谱响应曲线如图9-29所示为CMOS图像传感器的光谱响应特性曲线。由图可见，其光谱范围为350～1100nm，峰值响应波长在700nm附近，峰值波长响应度达到0.4A/W。2．填充因子定义填

6、充因子为光敏面积对全部像敏单元所占面积之比，它对器件的有效灵敏度、噪声、时间响应、模传递函数MTF等影响很大。提高填充因子的方法有以下两种。图9-30微透镜的作用（1）采用微透镜法（2）采用特殊的像元结构图9-31所示为一种填充率较高的CMOS图像传感器的像敏单元结构，它的表面有光电二极管和其他电路，二者隔离。图9-31高填充率的CMOS像敏单元结构在光电二极管的N+区下面增加N区，用于接收扩散的光电子；在电路N+的下面设置一个P+静电阻挡层，用于阻挡光电子进入其他电路。3．输出特性与动态范围CMOS图像传感器有4种输出模式：线性模式、

7、双斜率模式、对数特性模式和γ校正模式。它们的动态范围相差很大，特性也有较大的区别。图9-33所示为4种输出模式的曲线。（1）线性输出模式线性输出模式的输出与光强成正比，适用于要求进行连续测量的场合。它的动态范围最小，而且在线性范围的最高端信噪比最大。图9-334种输出模式关系(2)双斜率输出模式双斜率输出模式是一种扩大动态范围的方法。它采用两种曝光时间，当信号很弱时采用长时间曝光，输出信号曲线的斜率很大；当信号增强后，改用短时间曝光，曲线斜率便会降低，从而可以扩大动态范围。（3）对数输出模式对数输出模式的动态范围非常大，可达几个数量级，

8、使得无需对相机的曝光时间进行控制，也无需对其镜头的光圈进行调节。（4）校正模式校正模式的输出规律如下：（9-21）式中，U为信号输出电压，E为入射光照，为常数，为校正因子。由于为小于1的系数，它使输出信号的