11、固态图像传感技术全解析

固态图像传感技术全解析

1. 固态图像传感基础

在固态图像传感领域，电荷载流子的扩散是一个关键现象。电荷载流子在无电场影响且不复合的情况下能够移动的距离具有重要意义。例如，当寿命 $\tau = 10 μs$ 且扩散系数 $D = 45 cm^2/s$ 时，扩散长度 $L = 212 μm$。这表明扩散过程对于远距离收集电荷载流子极为重要。同时，在半导体深处光生的电荷载流子有很大机会到达表面，这会导致对比度严重降低，尤其是在小像素周期的情况下。为了应对这一问题，可通过过滤能深入半导体的长波长光子来解决。

光生电荷载流子在电场作用下会形成光电流。光电流与入射光强度在超过 10 个数量级的范围内呈严格线性关系，这种宽动态范围的线性特性使得半导体光电传感器在图像传感器和光学测量系统等众多应用中极具吸引力。

2. 光电流处理

光传感器从场景光分布中提取的所有信息都包含在各个像素光电流的空间和时间调制中。因此，对像素光电流进行相应处理以高效获取相关调制参数十分必要。以下是几种常见的光电流预处理方法：
- 光电二极管和 CCD 中的光电荷积分
- 这是最简单的光电流处理方式，即在曝光时间内对光电流进行积分，从而得到与曝光时间内入射到像素敏感区域的光子数量成正比的积分电荷。
- 可利用用于产生光电荷分离电场的器件电容来实现这一功能。常见的光电敏感结构有光电二极管（PD）和金属 - 氧化物 - 半导体（MOS）电容。
- 光电二极管由不同导电类型的半导体组合而成，在 p - n 结的空间电荷区存在电场，用于分离光生电荷载流子。空间电荷区具有一定电容，其大小与空间电荷区宽度成反比。通常先将光电二极