光电二极管阵列图像传感器

定义与用途

光电二极管阵列是将许多光电二极管以线列或面阵形式集成在一个芯片上的图像传感器，用于同时检测入射光像各点的光强度并转换为电信号。为取出这些光电信号，需配上扫描输出和放大等电路，或通过混合集成方法组成完整的摄像器件。

为什么需要积分方式

阵列中每个光电二极管的有效面积很小（通常小于 100×100 μm²），光电流很弱，直接测量瞬时电流灵敏度不足，因此采用积分方式：让结电容在固定时间内被光电流放电，用积累的电荷量反映光强。

像元电路与三个阶段

每个像元的基本电路由光电二极管（P-N 结）、负载电阻 $R_L$、电源 $U_C$ 和开关 $S$ 串联组成。工作循环分三个阶段：

1. 预充电（初始状态）：开关 $S$ 闭合，二极管处于反偏，电源对 PN 结的结电容（耗尽层/空间电荷区电容）反向充电。由于光电流 $I_L$ 及暗电流 $I_d$ 很小，充电稳定后 PN 结上的电压基本接近电源电压 $U_C$。
2. 光积分：开关 $S$ 断开，光照产生电子—空穴对，使结电容缓慢放电。电子—空穴对的产生速率与入射光强度成正比，结电容也以相同速率放电。因此在固定时间内，储存电荷移走的数量 $Q$ 与入射光强度成正比，该段时间称为光积分时间。
3. 再充电取样：开关 $S$ 再次闭合，二极管被再次充电至电压 $U_C$，再充电电流流经负载电阻 $R_L$ 产生压降。该方法实质是监视结电容经光照放电后、恢复初始条件时所补充的电荷量，补充电荷量可反映积分信号；再充电峰值电流及瞬时压降还受RC、开关及采样窗口影响，因此应在积分读出或固定采样时序的测量条件下取用该信号。

重复放电与再充电步骤，可从负载电阻上获得连续的光电输出信号，实现阵列中每个光电二极管的连续摄像。结电容上的电压随时间呈锯齿状波形：光积分段电压下降，再充电段迅速回升至 $U_C$。在光生电流近似恒定、结电容近似恒定且漏电与饱和可忽略的条件下，光积分段电压才近似线性下降；结电容随偏压变化时，电荷与光强近线性并不自动保证电压严格线性。

阵列结构与寻址读出

单个光敏二极管只能检测视场经光学系统汇聚后的“平均光强”。将二极管做小并组成阵列，即可得到“光强分布”图像。阵列芯片中每个像素单元由 PN 结感光，并通过线路连接。

为按顺序取出各像元信号，需要开关寻址和时序控制：每个像元的开关受扫描电路控制，依次接通对应像元进行再充电取样，从而把二维或一维光强分布串行读出为电信号。

局限与适用范围

该方案有两个缺点：单个二极管感光面积小，且每个二极管都需要线路连接。因此它适用于需要同时获取光强分布、且允许通过扫描时序逐点读出的成像或检测场合；其输出是各像元光积分期间积累电荷的串行电信号，反映的是积分时间内的平均光强分布。