8.4 新型光电器件
随着制造工艺的不断完善，特别是集成电路技术的发展，近年来出现了一批新型光电器件，以满足不同应用领域的需要。本节将着重介绍几种典型的新型器件。
8.4.1 位置敏感器件（PSD）
光位置敏感器件是利用光线检测位置的光敏器件，如图8-18所示。当光照射到硅光电二极管的某一位置时，结区产生的空穴载流子向P层漂移，而光生电子则向N层漂移。到达P层的空穴分成两部分:一部分沿表面电阻R1流向1端形成光电流I1；另一部分沿表面电阻R2流向2端形成光电流I2。当电阻层均匀时，R2/R1＝x2/x1，则光电流I1/I2＝R2/R1＝x2/x1，故只要测出I1和I2便可求得光照射的位置。
上述原理同样适用于二维位置检测，其原理如图8-19（a）所示。a、b极用于检测x方向，a′、b′极用于检测y方向。其结构见图（b）。目前上述器件用于感受一维位置的尺寸已超过100mm；二维位置也达数十毫米乘数十毫米。
光位置检测器在机械加工中可用作定位装置，也可用来对振动体、回转体作运动分析及作为机器人的眼睛。
图8-18 光位置敏感器件原理
图8-19 光平面位置检测器原理（a）和结构（b）
8.4.2 集成光敏器件
图8-20 集成光敏器件
（a）光敏电阻；（b）光敏三极管对管
为了满足差动输出等应用的需要，可以将两个光敏电阻对称布置在同一光敏面上［图8-20（a）］；也可以将光敏三极管制成对管形式［8-20（b）］，构成集成光敏器件。
光电池的集成工艺较简单，它不仅可制成两元件对称布置的形式，而且可制成多个元件的线阵或10×10的二维面阵。光敏元件阵列传感器相对后面将要介绍的CCD图像传感器而言，每个元件都需要相应的输出电路，故电路较庞大，但是用HgCdTe元件、InSb等制成的线阵和面阵红外传感器，在红外检测领域中仍获得较多的应用。
8.4.3 固态图像传感器
图像传感器是电荷转移器件与光敏阵列元件集为一体构成的具有自扫描功能的摄像器件。它与传统的电子束扫描真空摄像管相比，具有体积小、重量轻、使用电压低（＜20V）、可靠性高和不需要强光照明等优点。因此，在军用、工业控制和民用电器中均有广泛使用。
图像传感器的核心是电荷转移器件（Charge Transfer Device，CTD），其中最常用的是电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）。
8.4.3.1 CCD的基本原理
图8-21 组成CCD的MOS结构
CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约120nm的SiO2层，再在SiO2层上依一定次序沉积金属（Al）电极而构成金属-氧化物-半导体（MOS）的电容式转移器件。这种排列规则的MOS阵列再加上输入与输出端，即组成CCD的主要部分，如图8-21所示。
当向SiO2上表面的电极加一正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区，较高的正偏压形成较深的耗尽区。其中的少数载流子——电子被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中Φ2电极下），形成电荷包。人们把加偏压后在金属电极下形成的深耗尽层谓之“势阱”。阱内存储少子（少数载流子）。对于P型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压，少子为电子；对于N型硅衬底的CCD器件，电极加负偏压，少子为空穴。
图8-22 电荷在三相CCD中的转移
实现电极下电荷有控制的定向转移，有二相、三相等多种控制方式。图8-22为三相时钟控制方式。所谓“三相”，是指在线阵列的每一级（即像素）有三个金属电极P1、P2和P3，在其上依次施加三个相位不同的时钟脉冲电压Φ1、Φ2、Φ3。CCD电荷注入的方法有光注入法（对摄像器件）、电注入法（对移位寄存器）和热注入法（对热像器件）等。如图8-22所示，采用输入二极管电注入法，可在高电位电极P1下产生一电荷包（t＝t0）。当电极P2加上同样的高电位时，由于两电极下势阱间的耦合，原来在P1下的电荷包将在这两个电极下分布（t＝t1）；而当P1回到低电平时，电荷包就全部流入P2下的势阱中（t＝t2）。然后P3的电位升高且P2的电位回到低电平，电荷包又转移到P3下的势阱中［即t＝t3的情况。图（a）中只表示电极P1下势阱的电荷转移到电极P2下势阱的过程］。可见，经过一个时钟脉冲周期，电荷将从前一级的一个电极下转移到下一级的同号电极下。这样，随着时钟脉冲有规则的变化，少子将从器件的一端转移到另一端；然后通过反向偏置的PN结（如图8-21中的输出二极管）对少子进行收集，并送入前置放大器。由于上述信号输出的过程中没有借助扫描电子束，故称为自扫描器件。
二相CCD的结构和工作原理，请参阅有关资料［40］。
应用CCD可制成移位寄存器、串行存储器、模拟信号延迟器及电视摄像机等。CCD自1970年问世以来，由于它的低噪声等独特性能而发展迅速，并在微光电视摄像、信息处理和信息存储等方面得到了日益广泛的应用。
8.4.3.2 电荷耦合（CCD）图像传感器
利用电荷耦合技术组成的图像传感器称为电荷耦合图像传感器。它由成排的感光元件与电荷耦合移位寄存器等构成。电荷耦合图像传感器通常可分为线型传感器和面型传感器。
1.线型CCD图像传感器
线型图像传感器是由一列感光单元（称为光敏元阵列）和一列CCD并行而构成的。光敏元和CCD之间有一个转移控制栅，基本结构如图8-23所示。
图8-23 线型CCD图像传感器
（a）单行结构；（b）双行结构
图8-24 CCD的光谱特性
每个感光单元都与一个电荷耦合元件对应。感光元件阵列的各元件都是一个个耗尽的MOS电容器。它们具有一个梳状公共电极，而且由一个称之沟阻的高浓度P型区，在电气上彼此隔离。为了使MOS电容器的电极不遮住入射光线，光敏元的电极最好用全透光的金属氧化物制造。但由于这些材料不能与硅工艺相容，因此目前光敏元的电极大多采用多晶锗电极。这种电极对于波长大于450nm左右的光是透明的，而对可见光谱的蓝区响应较差。由于用多晶硅电极及工艺等原因，使光敏的光谱特性产生如图8-24所示的多峰状。
当梳状电极呈高电压时，入射光所产生的光电荷由一个个光敏元收集，实现光积分。各个光敏元中所积累的光电荷与该光敏元上所接收到的光照强度成正比，也与光积分时间成正比。在光积分时间结束的时刻，转移栅的电压提高（平时为低压），与光敏元对应的电荷耦合移位寄存器（CCD）电极也同时处于高电压状态。然后，降低梳状电极电压，各光敏元中所积累的光电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕，转移栅电压降低，梳状电极电压回复原来的高压状态以迎接下一次积分周期。同时，在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲，将存储的电荷迅速从CCD中转移，并在输出端串行输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出，从而读出电荷图形。
为了避免在电荷转移到输出端的过程中产生寄生的光积分，移位寄存器上必须加一层不透光的覆盖层，以避免光照。目前实用的线型CCD如图8-23（b）所示为双行结构。在一排图像传感器的两侧，布置有两排屏蔽光线的移位寄存器。单、双数光敏元中的信号电荷分别转移到上、下面的移位寄存器中，然后信号电荷在时钟脉冲的作用下自左向右移动。从两个寄存器出来的脉冲序列，在输出端交替合并，按照信号电荷在每个光敏元中原来的顺序输出。
目前生产的CCD线阵已高达1万个分辨单元以上，每元6～12μm，最小为3μm。近年又出现以光电二极管为光敏元的高灵敏度CCD图像传感器。由于光电二极管上只有透明的SiO2，提高了器件的灵敏度和均匀性，对蓝光的响应也较MOS型光敏元有改善。
线型CCD图像传感器本身只能用来检测一维变量，如工件尺寸、回转体偏摆等。为获得二维图像，必须辅以机械扫描（例如采用旋转镜），这使机构庞大。但由于线型图像传感器只需一列分辨单元，芯片有效面积小，读出结构简单，容易获得沿器件方向上的高空间分辨率，上述方式在空中及宇宙对地面的摄像、传真记录与慢扫描电视中均获得应用。
2.面型CCD图像传感器
线型CCD图像传感器只能在一个方向上实现电子自扫描。为获得二维图像，除了必须采用庞大的机械扫描装置外，另一个突出的缺点是每个像素的积分时间仅相当于一个行时，信号强度难以提高。为了能在室内照明条件下获得足够的信噪比，有必要延长积分时间。于是出现了类似于电子管扫描摄像管那样在整个帧时内均接受光照积累电荷的面型CCD图像传感器。这种传感器在x、y两个方向上都能实现电子自扫描。
面型CCD图像传感器在感光区、信号存储区和输出转移部分的安排上，迄今为止有图8-25所示的三种方式。
图8-25 面型图像传感器的各种结构
图（a）所示为由行扫描发生器将光敏元内的信息转移到水平方向上，然后由垂直方向的寄存器向输出检波二极管转移的方式。这种面型CCD易引起图像模糊。图（b）所示的方式具有公共水平方向电极的感光区与相同结构的存储区。该存储器为不透光的信息暂存器。在电视显示系统的正常垂直回扫周期内，感光区中积累起来的电荷同样迅速地向下移位进入暂存区内。在这个过程结束后，上面的感光区回复光积分状态。在水平消匿周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每一次将底部一行的电荷信号移位至水平读出器，然后这一行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频输出。当整幅视频信号图像以这种方式自存储器移出并显示后，就开始下一幅的传输过程。这种面型CCD图像传感器的缺点是需要附加存储器，但它的电极结构比较简单，转移单元可以做得较密。图（c）表示一列感光区和一列不透光的存储器（垂直转移寄存器）相间配置的方式。这样帧的传输只要一次转移就能完成。在感光区光敏元积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储器。之后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频输出信号。这种结构的器件操作比较简单，但单元设计较复杂，且转移信号必须遮光，使感光面积减小约30%～50%。由于这种方式所得图像清晰，是电视摄像器件的最好方式。
最早可供工业电视使用的面型CCD图像传感器有100×100像元，采用图8-25（c）的结构。之后，器件分辨单元的规模越来越大，最大达1亿个像元以上。
8.4.3.3 CMOS摄像器件
CMOS摄像器件是充分体现20世纪90年代国际视觉技术水平的新一代固体摄像器件。CMOS型摄像头将图像传感部分和控制电路高度集成在一块芯片上，构成一个完整的摄像器件。CMOS型摄像头内部结构如图8-26所示，主要由感光元件阵列、灵敏放大器、阵列扫描电路、控制电路、时序电路等组成。
CMOS型摄像头体积很小，机心直径大小近似五分硬币，便于系统安装。这种器件功耗很低，可以使用电池供电，长时间工作，同时具有价格便宜、重量轻、抗震性好、寿命长、可靠性高、工作电压低、抗电磁干扰等特点。
图8-26 CMOS摄像器件结构
CMOS摄像头还有一个最突出的特点，即对人眼不可见的红外线发光源特别敏感，尤适于防盗监控。此外，CMOS摄像头具有夜视特性，且体积小巧，隐蔽性强，故可广泛应用于工厂、学校、矿区、住宅、港口、工地、仓库、家庭别墅、果园、养殖场、博物馆、超级市场、银行、交通、多媒体电脑、玩具及各种防盗、防火等场合。
与CCD相比较，CMOS摄像头具有许多独特的优点，如表8-3所示。其中最突出的是，它能单片集成，而CCD摄像头由于制造工艺与CMOS集成电路不兼容，除感光阵列外，摄像头所必需的其他电路不能集成在同一芯片上。目前，CMOS摄像器件正在继续朝高分辨率、高灵敏度、超微型化、数字化（参见10.5.3）、多功能的方向发展。
表8-3 CMOS与CCD摄像器件的对比
8.4.4 高速光电器件
光电传感器的响应速度是重要指标。随着光通信及光信息处理技术的提高，一批高速光电器件应运而生。
1.PIN结光电二极管（PIN-PD）
PIN结光敏二极管是以PIN结代替PN结的光敏二极管，在PN结中间设置一层较厚的I层（高电阻率的本征半导体）而制成，故简称为PINPD。其结构原理如图8-27所示。
图8-2 7PIN-PD的构造及原理
PIN-PD与普通PD不同之处是入射信号光由很薄的P层照射到较厚的I层时，大部分光能被I层吸收，激发产生载流子形成光电流，因此PIN-PD比PD具有更高的光电转换效率。此外，使用PIN-PD时往往可加较高的反向偏置电压，这样一方面使PIN结的耗尽层加宽，另一方面可大大加强PN结电场，使光生载流子在结电场中的定向运动加速，减小了漂移时间，大大提高了响应速度。
PIN-PD具有响应速度快、灵敏度高、线性较好等特点，适用于光通信和光测量技术。
2.雪崩式光电二极管（APD）
APD是在PN结的P型区一侧再设置一层掺杂浓度极高的P＋层而构成。使用时，在元件两端加上近于击穿的反向偏压，如图8-28所示。此种结构由于加上强大的反向偏压，能在以P层为中心的结构两侧及其附近形成极强的内部加速电场（可达105V/cm）。受光照时，P＋层受光子能量激发跃迁至导带的电子，在内部加速电场作用下，高速通过P层，使P层产生碰撞电离，从而产生出大量的新生电子-空穴对，而它们也从强大的电场获得高能，并与从P＋层来的电子一样再次碰撞P层中的其他原子，又产生新电子-空穴对。这样，当所加反向偏压足够大时，不断产生二次电子发射，并使载流子产生“雪崩”倍增，形成强大的光电流。
雪崩二极管具有很高的灵敏度和响应速度，但输出线性较差，故它特别适用于光通信中脉冲编码的工作方式。
图8-28 APD的结构原理
由于Si长波长限较低，目前正研制适用于长波长的、灵敏度高的，用GaAs、GaAlSb、InGaAs等材料构成的雪崩式光敏二极管。
8.4.5 半导体色敏器件
半导体色敏器件是半导体光敏传感器件中的一种。它也是基于半导体的内光电效应，将光信号转变为电信号的光辐射探测器件。但是不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它们检测的都是在一定波长范围内光的强度或者是光子的数目。而半导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。这是近年来出现的一种新型光敏器件。本节将对色敏传感器件的测色原理及其基本特性作简要介绍。
图8-29 半导体色敏器件结构和等效电路
半导体色敏器件相当于两只结深不同的光电二极管的组合，故又称双结光电二极管，其结构原理及等效电路示于图8-29。
在图8-29中所表示的P＋-N-P不是三极管，而是结深不同的两个P-N结二极管。浅结的二极管是P＋-N结；深结的二极管是N-P结。当有入射光照射时，P＋、N、P三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收，但效果不同。紫外光部分吸收系数大，经过很短距离已基本吸收完毕。因此，浅结的那只光电二极管对紫外光的灵敏度高。而红外部分吸收系数较小，这类波长的光子则主要在深结区被吸收。因此，深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度高。这就是说，在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。这一特性给我们提供了将这种器件用于颜色识别的可能性，也就是可以用来测量入射光的波长。利用上述光电二极管的特性，可得不同结深二极管的光谱响应曲线如图8-30所示。图中PD1代表浅结二极管，PD2代表深结二极管。将两只结深不同的光电二极管组合，就构成了可以测定波长的半导体色敏器件。
图8-30 硅色敏管中PD1和PD2的光谱响应曲线
在具体应用时，应先对该色敏器件进行标定。也就是测定在不同波长的光照射下，该器件中两只光电二极管的短路电流的比值ISD2/ISD1。ISD1是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大；ISD2是深结二极管的短路电流，它在长波区较大。因而，两者的比值与入射单色光波长的关系就可以确定。根据标定的曲线，实测出某一单色光时的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。
此外，这类器件还可用于检测光源的色温。对于给定的光源，色温不同，则辐射光的光谱分布不同。例如，白炽灯的色温升高时，其辐射光中短波成分的比例增加，长波成分的比例减少。这将导致ISD1增大而ISD2减小。从而使ISD2与ISD1的比值减小。因此，只要将色敏器件短路电流比对某类光源定标后，就可由此直接确定该类光源中未知光源的色温。
图8-31（a）给出了国内研制的CS-1型半导体色敏器件的光谱特性，其波长范围是400～1000nm。不同器件的光谱特性略有差别。
上述CS-1型半导体色敏器件的短路电流比-波长特性示于图8-31（b）。该特性表征半导体色敏器件对波长的识别能力，是赖以确定被测波长的基本特性。
由于半导体色敏器件测定的是两只光电二极管的短路电流之比，而这两只光电二极管是做在同一块材料上的，具有基本相同的温度系数。这种内部的补偿作用使半导体色敏器件的短路电流比对温度不十分敏感，所以通常可不考虑温度的影响。
目前还不能利用上述色敏器件来测定复式光的颜色。此工作还有待进一步深入研究。
图8-3 1CS-1半导体色敏器件特性
（a）光谱特性；（b）短路电流比波长特性
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