技术应用-非晶固体光敏传感器技术

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技术应用-非晶固体光敏传感器技术



                                                                                 
                                       

史永基  史东军  史战军 □
注：光电子技术在传感器领域中的应用连载（6-上）
摘要：全文描述了各种非晶固体光敏传感器技术以及它们的结构、工作原理和应用。本文主要介绍a-si:h（氢化非晶硅）图像传感器、mc-si:h（氢化微晶硅）图像传感器。
关键词：光敏；传感器；非晶固体；a-si:h；mc-si:h；图像传感器。
中图分类号：tp212.14   文献标识码：a   文章编号：1006-883x(2002)12-0006-10




一、引言
   
光学传感器阵列是日益增长的影像系统的关键器件。在现有产品中，ccd传感器在线性信号的动态范围方面受到限制，而cmos图像传感器虽然优于ccd图像传感器，但却具有固定图样噪声和温度漂移等不足之处。工业上对高性能、大动态范围新一代图像传感器系统的需求，使非晶固体传感器技术得到迅速发展。
非晶固体光敏传感器主要包括a-si:h图像传感器、mc-si:h图像传感器、非晶si20te80 ao气体传感器、a-si:h光电传感器、a-si:h
ir光调制器、电光传感器和光电耦合器等。本文主要介绍前两种的分类、原理与应用。

二、a-si:h图像传感器
1、非晶硅摄像仪
(1)数字摄像仪
数字摄像仪的每个阵列包括两种象素形式，第一种为逆变器读出电路，位于阵列的左边，第二种为源输出读出电路，位于阵列的右边。这两种象素读出方式均由三个场效应管组成（如图1、图2所示），t1是复位管，t2是读出管，t3是驱动管。积分电容由非晶硅光电二极管和非晶硅薄膜集成电路的寄生电容组成。图1是逆变器读出电路，图2是源输出读出电路。
设计象素电路时，为使象素面积最小，将行选择线完全埋在聚合物层中，使象素仪包含pmos晶体管。逆变器读出象素面积为10mm&acute；10mm，而源输出读出象素面积为10mm&acute；12mm。这种摄像仪的灵敏度是2.5mv/lx×s，噪声电压小于2mvrms，满标电压为2.5v，动态范围大于60db。
(2)汽车和机器人摄像仪
较大动态范围摄像仪的迅速发展主要受汽车功能要求的推动，例如避免撞车、车道偏离警报、加强自适应的行驶控制等。满足这些要求的局部自适应摄像仪为386&acute；256象素阵列，总的动态范围是120db，灵敏度为3v/lx×s，帧频为60hz。这种摄像仪的重要特点是象素能自动适应局部照明条件。光电流iph转换为积分电容上的信号电压vs，
该电压在不同的点与固定参考电压vr相比较。如果象素电压大于参考电压，积分终止，以免饱和，否则，积分时间加倍，以便更好地利用电压漂移。因此，当照明强度较高时，积分电压总是位于vr到2vr的范围内。图3是摄像仪的象素结构框图，图4是这种图像传感器的计时图。
为了确定选择积分时间，将斜波电压vramp加于所有的象素。如果有某个象素停止积分，它就储存了作为记时信息的vramp的实际值。该电压值使信号处理器能确定那个象素已选定的积分周期。最经济的积分时间是两个电源串联，以减少时钟信号的产生和信号处理。
记时信息和积分信号的读出方法是：将绝对强度值分为两个信号，一个是绝对时间信息（t），另一个是相对于时间信息的强度信息（i）。两个电源串联时，曝光量e可表示为e=2ti。对这些信号的处理，可利用低耗元件（如8位adc），动态范围仍可大于100db。上述这种自适应摄像仪包括17个晶体管和2个电容器，图5是面积为40mm&acute；38.3mm的一个象素的结构。
2、a-si:h tft（薄膜晶体管）图像传感器
(1)自控a-si:h tft象素开/关图像传感器
a-si:h
tft以其关态漏电流小、开/关电流比高、耗费低、可大面积生产的优势广泛应用于大面积有源矩阵液晶显示器和大面积图像传感器的开关元件。利用自控a-si:h
tft技术所生产的摄像仪阵列可达512&acute；512象素，象素大小只有75mm2。图6表示摄像仪的结构和等效电路。这种摄像仪阵列的一个重要特点是信噪比高，在低光强照明条件下，读出电子仪器噪声是主要的噪声源，噪声大小取决于前端电荷放大器的输入电容。读出一个象素时电荷放大器的总输入电容包括：一个传感器电容和来自有源象素的一个源/漏栅极电容。对于512&acute；512象素阵列，在数据线与传感器偏压接触之间有512个附加的几何电容（csensor-data），512个数据线与栅极连线交叉几何电容（ccross），511个tft关闭时源/漏与栅极间的等效电容（ctft）。因为自控tft没有源/漏与栅极迭加，所以利用自控tft技术可减小电容ctft。表1给出了利用传统的tft技术和自控tft技术生产的摄像仪电容和噪声特性。摄像仪有2600个象素连接在一起。利用低频（1khz）标准阻抗分析仪测量所有的电容。利用两种不同技术生产的摄像仪噪声是用同一组电子仪器测量的。噪声的减小对大面积摄像仪阵列影响很大。

表1  自控a-si:h tft摄像仪与传统a-si:h tft摄像仪寄生电容和噪声特性比较
      分类
      参数自控tfts
      摄像仪传统tfts
      摄像仪
      csensor-data
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