集成传感器（06） 清华大学

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1. 光波与光传感器

【光】可以看成是不同波长和频率的电磁波。根据人的眼睛对不同波长的光的反应，我们可以把光波分为可见光(380-780nm)、紫外线(10-380m,)和红外线(780-10^6nm)三个波段。

从量子力学的角度，光速可以看作是光子组成的光子流，光子具有能量和动量，一个光子的能量正比于光波的频率，比例系数为普朗克常数$h$：

\[\begin{equation} E=h\nu \end{equation}\]

检测不同波长的光波或者不同能量的光子，需要不同的传感器材料以及结构，甚至不同的检测原理。

2. 光电导效应与光敏电阻

光传感器种类

  • 光探测器
    • 光敏第阿奴
    • 光敏二极管
    • 光敏三极管
    • 光电池
  • 颜色传感器
  • 图像传感器
    • CCD图像传感器
    • CMOS图像传感器

有些光传感器的应用，则是利用某些物理量与光信号之间的相互作用，对这些物理量实现光学检测。光探测器用于对这些光信号的读取。

【光电导效应】根据半导体的能带理论，只有导带中的电子和价带中的空穴才能起导电作用。半导体收到光的照射，吸收的光子能量有可能使价带电子跃迁到导带，产生非平衡电子，在价带中产生同样数的非平衡空穴，这就是光生非平衡电子——空穴对。由于它们分别处于导带和价带，都对电导有贡献，因此称作光生非平衡载流子。显然，光生非平衡载流子将使半导体的电导率增大，这种现象就是光电导效应。

产生光电导效应的条件是光子的能量要大于或等于半导体的禁带宽度 $E_g$，满足下式：

\[\begin{equation} h\nu=\frac{hc}{\lambda}=\frac{1.24}{\lambda}\ge E_g \end{equation}\]

式中 $\nu$ 和 $\lambda$为入射光的频率和波长；$h,c$分别为普朗克常数和真空中的光速。

因此对于一种半导体材料，总存在一个照射光的长波限 $\lambda_0$，满足: $\lambda\le\frac{1.24}{E_g}\mu m$。只有波长小于 $\lambda_0$的光照射在半导体上，才能产生电子带间跃迁，从而使电导率增加。

光电导作用的强弱是用光电导的相对变化来表征的：

\[\begin{equation} \frac{\Delta\sigma_{ph}}{\sigma_0}=\frac{\Delta n\mu_0+\Delta p\mu_p}{n_0\mu_0+p+0\mu_p} \end{equation}\]

式中，$\Delta\sigma_{ph}=\Delta n\mu_0+\Delta p\mu_p$为光照引起的附加电导，称作光导。$\Delta n,\Delta p$ 分别为光生非平衡电子、空穴浓度。$\sigma_0=q(n_0\mu_0+p+0\mu_p)$为半导体电导率（暗电导），在温度一定的情况下，它只决定于平衡电子浓度 $n_0$和平衡空穴浓度 $p_0$.

  • 禁带宽度较窄的半导体材料，在室温条件下，由于热激发作用，本来就有较多的电子和空穴，因此光导作用就不大明显。
  • 禁带宽度较宽的半导体材料，室温下热激发产生的电子和空穴较少，所以无光照时的电导（暗电导）较小，光照引起的附加电导就十分明显，即光敏电阻有很高的灵敏度。

所以，利用禁带宽度较宽的半导体材料制作光敏电阻传感器，有利于在室温下获得较小的暗电导和较高的传感器灵敏度。常用的制作光敏电阻的半导体材料有硫化镉($CdS, E_g=2.4eV$)、硒化镉($CdSe,E_g\approx 1.8eV$)等。

一般可见光或近红外光能透入半导体的深度很浅，光激发载流子主要发生在光照表面的薄层里内。因此，要增大光敏电阻传感器的灵敏度，半导体材料应当比较薄。

【光敏电阻】光敏电阻是基于半导体的光电效应工作的，纯粹是一个电阻期间而没有极性。使用时可以加直流偏压，也可以加交流电压。

  • 无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中的电流很小；当光敏电阻受到一定范围内的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，而电路中的电流迅速增加。根据电流变化的大小，便可检测光的有无和强弱。

光辐射作用下产生的光电流：

\[\begin{equation} I_p=q(\eta\frac{P_{opt}}{h\nu})(\frac{\mu_n\tau E}{L})=q(\eta\frac{P_{opt}}{h\nu})(\frac{\mu_n\tau V}{L^2}) \end{equation}\]

$P_{opt}$为入射光功率，$\eta$为量子效率（每个光子产生载流子的数目），$L$为光敏电阻两个电极之间的距离，$\tau$为光生载流子的寿命；$V$为电阻电压。

原始光电流：

\[\begin{equation} I_{ph}=q(\eta\frac{P_{opt}}{h\nu}) \end{equation}\]

光电流增益：

\[\begin{equation} Gain\equiv\frac{I_{opt}}{I_p}=\frac{\mu_n\tau V}{L^2}=\frac{\tau}{t_r} \end{equation}\]

$t_r$表示载流子的渡越时间。

光敏电阻的响应时间由渡越时间$t_r$决定，由$t_r$的公式可以知道，为了减少相应时间，我们必须减小电阻电极之间的距离。并提高电阻中的场强。

\[\begin{equation} t_r=\frac{L}{v_d}=\frac{L}{\mu_n E}=\frac{L^2}{\mu_n E} \end{equation}\]

【光敏电阻的管芯结构】光敏电阻的基本结构是由光电导体与两个金属电极组成，电极和光电半导体之间呈欧姆接触。光导半导体材料一般都做成薄膜（光电效应只限于光照的表面层）。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状结构。

3. 光敏二极管和三极管

3.1 光敏二极管

【光敏二极管】一种PN结单向导电的结型光电器件。与一般二极管相似，只是它的PN结是装在管的顶部，以便接受通过透光窗口进入的光照。光敏二极管在电路中通常是反向偏压状态。下图为结构原理示意图：

在二极管的表面，涂有一层抗反层，用来降低半导体材料对入射光波的反射，从而提高器件的光电效应。

【光敏二极管的工作原理】

  • 无光照时，处于反偏的光敏二极管只有少数载流子越过势垒形成微笑的反向电流（暗电流）；
  • 有光照时，PN结附近由于光激发产生光电子——空穴对。因此在外加反偏电压和耗尽区内建电场的作用下，通过PN结的反向电流也随着增加。通过外电路的光电流也随之变化，由此光敏二极管将光信号转换为电信号输出；
  • 在耗尽区以外的区域，虽然吸收光子后也产生空穴和电子，如果距离耗尽区边界大于一个扩散长度，载流子在到达耗尽区以前就复合消失了，不会使输出电压增加。
  • 光敏二极管的光电流 $I$与照度之间呈线性关系，所以适合检测等方面的应用。

光敏二极管的主要参数：

1）量子效率：每个入射光子所产生的电子-空穴对的数目。

\[\eta=\frac{I_{ph}}{q}(\frac{P_{opt}}{h\nu})^{-1}\]

决定光敏二极管量子效率的重要因素之一为半导体材料对入射光波的吸收系数，因为吸收系数对光波的波长有强烈的依赖关系，因此能在半导体材料中产生大的光电的波长范围是有限的。光敏二极管的长波线是由半导体材料的禁带宽度所决定。因为总会有一部分光生载流子被复合消失，器件的量子效率总是小于 $1$。

  • 我们可以在器件表面增加抗反层，减少器件的反射，来增加都入射光子的吸收。
  • 还可以通过改善材料和器件质量，阻值复合的发生，达到提高器件量子效率的目的。

2）响应度：器件单位入射光能量产生的光电流。也称为光谱响应度和辐射灵敏度。如果光敏二极管在所有波长处，都具有$100\%$的量子效率，那么器件的响应度应该线性正比于光波长。

\[R=\frac{I_{ph}}{P_{opt}}=\frac{\eta q\lambda}{hc}\]

3）响应速度

  • 上升时间：信号从开始上升到最终值的$90\%$所用的时间。
  • 下降时间：信号从开始下降到初始值的$10\%$所用的时间。
  • 响应频率：光敏二极管的输出幅值下降3db的时候所对应的频率。

影响响应速度的因素有三：

  • 漂移时间 $t_{drift}$：载流子在耗尽区内的电荷收集时间
  • 扩散时间 $t_{diffused}$：载流子在光敏二极管的非耗尽区，即电中性区的电荷收集时间。
  • RC时间常数 $t_{RC}$：其中，RC时间常数取决于光敏二极管的串联电阻与负载电阻之和，以及光敏二极管的结电容与杂散电容之和。

总上升时间：

\[t_R=\sqrt{t^2_{drift}+t^2_{diffused}+t^2_{RC}}\]

虽然PN结二极管结构简单，但是它的耗尽区太窄，导致以下两个问题：

  1. 势垒电容大，和负载电阻构成的RC时间常数大，器件的响应速度低；
  2. 吸收光子的区域窄，导致量子效率低，尤其是对于长波长光波，投射深度大的情况，导致期间灵敏度低。

针对上述问题，PIN型硅光敏二极管被提出。

对于以高响应为目标的光敏二极管来说，为了减少其PN结电容，可以在p层和n层之间设置高阻抗的i层。该结构就是在n型硅片上制作一层杂质很少的高阻抗的i层，然后在其上形成p层。自p层外侧的照射光则主要由i层吸收，从而产生电子和空穴。使用时外加反向偏压。

PIN型硅光敏二极管的可适用于近红外区域，最大灵敏度波长为$1\mu m$。其频带宽，可以达到 $10GHz$。其不足：i层电阻很大，器件的输出电流小。所以常将PIN管与前置放大器集成在同一块芯片上。

【雪崩式光敏二极管（APD）】利用pn结势垒区在高电场情况下，载流子的 雪崩倍增效应 制成的光敏二极管，由于它有倍增作用，其光电转换灵敏度比一般的pn结光敏二极管要高得多。因此，在光敏器件中具有重要地位。下面是APD的结构示意图。

APD的工作电压很高，约100~200V，接近于反向击穿电压，使结区内电场极强。

APD是在PIN的基础上增加一个雪崩区，也就是n+,p区。在这个结构中，$\pi$区域为P型低掺杂区，是吸收光子产生光生载流子的重要区域，当对雪崩二极管施加反向偏压时，电压将主要是施加在n+p结上，如果反向偏置电压很高，可以达到100-200V时，p层中有足够高的电场，就成为雪崩区，入射光可以从n+区入射，也可以从p+区入射，主要都是在$\pi$区被吸收，$\pi$区产生的光生电子空穴对在电场作用下，反向运动，空穴运动到p+区，它不参加雪崩现象，而电子则被注入到雪崩区p区，产生多次碰撞电离后，达到n+区被收集为光电流。这样，光生电子的数量将变为M倍，而M称为雪崩二极管的倍增因子。

$V_B$为APD的反向击穿电压，$V$为反向偏压。

\[M=\frac{1}{1-(\frac{V}{V_B})^n}(n=3~6)\]

由于雪崩效应的存在，时雪崩型光敏二极管的初始光电流得到倍增。因此，雪崩型光敏二极管具有放大功能。通常 $M$可以达到20~300。

APD的特点：

  • 优点
    • 初始光电流倍增，灵敏度高；
    • 响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。
  • 不足
    • 由于雪崩效应是随机的，它的噪声比较大。

由于雪崩二极管的突出优点，它在光通信、光盘中应用广泛。

3.2 光敏三极管

为了增加光敏三极管的放大倍数，还可以采用达林顿接线方式构成达林顿管。达林顿式连接的光敏三极管，即使入射光非常小也可以获得能够驱动继电器的集电极电流。

3.3 光敏二极管、三极管的设计考虑

1）结深：由于单晶硅对不同波长光的吸收系数不同，即不同波长的光在单晶硅中的平均透入深度不同，是硅光敏晶体管对不同波长的光对应不同的结深。

2）材料：

  • 为使较大范围内产生的电子-空穴对能被pn结收集形成光电流，pn结势垒区应尽可能宽。因此衬底材料的电阻率要选的高些。
  • 使pn结靠近表面或改善表面质量可以减少表面附近的符合损失，能有效地提高对短波长光信号的灵敏度。

3）封装：

光敏晶体管通常要封装在有窗口的管壳内。窗口有透镜式和平玻璃式两种。透镜式入射窗口的一个好处，是它可以通过聚光以提高灵敏度。此外，由于聚光位置和入射光方向有关，因此具有一定的方向性，减少了背景杂散光的影响。

【光谱效应】对于各种入射功率相同，单波长不同的单色光，广明晶体管（光敏三极管或光敏二极管）的光电流不同，即光敏晶体管对不同波长的光有不同的灵敏度。这种灵敏度随光波波长的变化称为该光敏晶体管的灵敏度光谱效应。

光敏晶体管在一定的长波限和短波限之外，灵敏度都下降到零。存在一个最佳灵敏度的峰值波长。

  • 硅光敏晶体管灵敏度的极大值出现在波长为$0.8-0.9\mu m$处。
  • 锗光敏晶体管灵敏度的最大值出现在波长为$1.4-1.5\mu m$处，都处于近红外光的范围。

4. 光电池

【光电池】利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变成电源，因此又称为太阳能电池。它是发电式的有源原件，有较大面积的PN结。当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。

光电池的分类：

  • 硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。
  • 硒光电池光电转换效率低（$0.02\%$）、寿命短、始于接收可见光（响应峰值波长$0.56\mu m$），最适宜制造温度计。
  • 砷化镓电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最温和。且工作温度最高，而且耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等方面有广泛的应用。

硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质（如硼）形成PN结。下图为光电池的结构和工作原理图：

光电池的几个关键参数：

  • 光照特性
    • 【开路电压曲线】光生电动势与光照度之间的关系特性曲线，当照度为2000lx时，光电池趋向饱和；这是因为光生载流子产生后，在光电子的输出极上，产生了光生电动势，抑制了电荷的继续积累，达到了一个平衡状态。
    • 【短路电压曲线】光电流与光照度之间的关系特性曲线。
  • 光谱特性。光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可以看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm~1100nm，峰值波长在850nm附近。
  • 频率特性：光电池作为测量、计数、接受元件时常用调制光输入。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，古频率特性较差。下图为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有相对较高的频率响应，而硒光电池则较差。

5. 图像传感器

目前有两种获得数字图像的技术：如下。这两种方法都是利用光子与半导体硅材料的相互作用，将光子信号转化为电信号，都是有上百个光探测器单元的阵列，每个单元称为一个像素。

  1. 电荷耦合器件（CCD）
  2. 互补金属氧化物半导体图像传感器（CMOS）

各种半导体光传感器中光信号转化为电信号的过程，我们可以把这个过程分成两步：1）将入射光子转化为电子空穴对，2）然后将电子空穴对转化为电压信号。

对于CCD和CMOS传感器而言，它们的第一步是一样的，第二步的不同：1）CCD是在读取电路的输出端，把电荷转换为电压信号，而CMOS图像传感器是在每一个像素里面就把电荷转换成了电压信号。

4.1 CCD图像传感器

电荷耦合器件（Charge Coupled Device, CCD）由光敏器件阵列和电荷转移器件集合而成。它的基本工作过程为电荷的产生、存储、转移和检测。电荷存储单元是金属氧化物半导体电容（MOS电容），P型衬底的MOS电容的结构原理图如下。当向氧化层表面的电极施加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区，也就是形成一个势阱。耗尽区的深度随正偏压的升高而加大，其中的少数载流子电子就会被吸收到最高正偏压电极下的区域内。

CCD电荷转移的三相控制方式。

CCD图像传感器具有灵敏度高、噪声低的优点，但是它的缺点是制造工艺与存储器、处理器等通用的集成电路工艺不完全兼容，使得它的制造成本相对较高。另外，CCD的信号读出方式要求必须读出所有像素的信号，并不支持阵列中区域像素信号的读取，这也降低了传感器的工作速度。同时CCD图像传感器，需要很多其他的支持芯片，增加了系统的复杂性、尺寸、成本、以及功耗。

4.2 CMOS图像传感器

CMOS图像传感器与1990年代早期开始发展，是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、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的图像传感器。

在CMOS图像传感器中，利用光敏二极管作为光信号的检测传感器。在像素内就直接将光信号转换成了电压信号，其他的支持电路可以放置在光敏二极管的旁边，或者植入在同一颗芯片上，使得CMOS图像传感器的制造工艺比CCD要便宜很多。同时也降低了整个图像传感器的复杂度、成本和功耗。

此外，CMOS图像传感器允许随机地读取像素信息，使得CMOS图像传感器上具有很高的工作速度。CMOS图像传感器的成像质量在很大程度上取决于其像素的种类。典型的CMOS像素有无源像素、有源像素和数字像素三种。

在无源像素中，只有一个光敏二极管和一个MOS晶体管，MOS晶体管用于将光敏二极管的输出电荷信号输送到数据总线上，再由电荷放大器转化为电压信号。

在有源像素中，可以包含一个光敏二极管，一个复位晶体管，一个晶体管放大器，和一个行选择晶体管。因此也成为三管像素。有源像素为目前使用最多的像素结构。像素开始工作时，先通过复位晶体管打开，将光敏二极管的反向偏置电压拉高，然后入射光波在光敏二极管中产生光生载流子，从而使二极管的电容放电，降低了光敏二极管端口处的电位。晶体管放大器，一般设计成源极跟随器结构，将信号放大后，通过行选择晶体管，实现信号的输出。

在三管像素的基础上，还可以发展成四管像素晶体管。是在三管像素的基础上增加了浮空扩散点FD，和传输晶体管。使得电荷的收集和转移分离开，四管像素中采用了前位型光电二极管（PPD）。

PPD的结构是在PN结光敏二极管的基础上，在PN结的N型表面，增加一层重掺杂的P+层，该前位层可以实现N型埋层的完全包埋。避免了二氧化硅层中的固定正电荷与界面态对所收集光电子的复合作用。另外两个PN结之间的N-区，可以实现完全耗尽，能够抑制像素的复位噪声，在PPD和浮点控制FD之间，有一个传输栅，即图上的TG。当TG处于低电平的时候，传输栅下面的势垒区能够阻止前位二极管PPD中的光增电子的逃逸，使得前位光电二极管本身也成为一个势阱。

数字像素，与有源结构的不同点在于，它将模数转换单元ADC，和存储单元直接内置于像素单元内部，使得像素单元直接输出数字域的信号，从而更加适合高速运用的环境。此像素结构划时代，但是因为像素级的模数转换器对工艺和电路实际的要求极高，目前这种结构离大规模的量产还有比较大的距离。

此外，现在使用的图像传感器都是彩色图像传感器，为了实现彩色图像的获取，是通过在每个光电传感器上制作滤光透镜，使得每个光电传感器只能敏感红、绿、或者蓝的光波信号，从而实现对彩色图像的获取。

另外，根据光子入射像素方向的差异，可以将像素分为正照式像素与背照式像素两种，其中正照式像素较为传统，光子在射入像素前，都必须经过绝缘层与金属布线层，其衍射与窜扰也比较严重；而背照式像素结构则利用结构上的改变，避免了光子的不必要损耗，其通过将正照结构中器件层与金属层的整体翻转，将原本阻碍光路的金属布线层挪至了光路的另一端，是吸纳了像素对光子的高效利用。这种像素结构不仅可以有效提升器件的灵敏度与暗光表现，更消除了金属层的衍射反应，使得像素尺寸，可以进一步地缩小。