光电传感器应用技术 教学课件 ppt 作者 王庆有 第9章.pptVIP

第9章 CMOS光电图像传感器 CMOS（Complementary Metal-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 。 * 9.1 MOS与CMOS场效应管 9.1.1 MOS场效应管的基本结构 图9-1 MOS管的工艺结构 MOS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9-2 MOS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9-3 MOS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Uth 2.伏安特性 3.频率特性 4.开关特性 5. 噪声 * 9.2 CMOS图像传感器的原理与结构 9.2.1 CMOS图像传感器的组成 图9-10 CMOS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9-11 CMOS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。 * 9.2.3 CMOS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9-19 CMOS传感器工作流程 * 9.2.4 CMOS图像传感器的辅助电路 图9-21 CMOS传感器非均匀性校正电路 * 9.3 CMOS图像传感器的特性参数 1．光谱性能与量子效率 图9-29 CMOS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350～1 100nm，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、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9-33 4种输出模式关系 * (2) 双斜