最新2019-第二十讲-CMOS摄像器件和红外焦平面器件-PPT课件.ppt

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1.3、CMOS摄像器件,1990s，CMOS技术用于图像传感器，其优点结构简单，耗电量是普通CCD的1/3，制造成本比CCD低，可将处理电路等完全集成。

1、CMOS像素结构,无源像素结构，1967，Weckler,无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高的优点。

但是，由于传输线电容较大，CMOS无源像素传感器的读出噪声较高，而且随着像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。

无源像素型（PPS）和有源像素型（APS）,由一反向偏置光敏二极管和一个开关管构成，开关管开启，二极管与垂直列线连通，信号电荷读出。

有源像素结构APS（ActivePixelStructure）,光电二极管型有源像素（PPAPS）1994，哥伦比亚大学,在像元内引入缓冲器或放大器，可改善像元性能，称为有源像素传感器。

功耗小，量子效率高。

每个像元有3个晶体管。

大多数中低性能的应用。

光栅型有源像素结构（GPAPS）,光栅型有源像素型CMOS每个像素5个晶体管，采用0.25umCMOS工艺允许达到5um像素间距，浮置扩散电容的典型值为10-14F量级，产生20uV/e的增益，读出噪声可达5-20均方根电子。

成像质量高。

工作过程：

光生信号电荷积分在光栅PG下，浮置扩散节点A复位（电压VDD）；然后改变光栅脉冲，收集在光栅下的信号电荷转移到扩散节点。

复位电压水平与信号电压水平之差即传感器的输出信号。

2019年，东芝公司研制成功640*640像素光敏二极管型CMOSAPS，像素尺寸5.6um*5.6um，具有彩色滤色膜和微透镜阵列。

2000年，美国Foveon公司和美国国家半导体公司采用0.18umCMOS工艺研制成功4096*4096像素CMOSAPS，像素尺寸5um*5um，管芯尺寸22mm*22mm，是集成度最高，分辨率最高的CMOS固体摄像器件。

微透镜改善低光特性,CMOSAPS图像传感器的功耗较小。

但与PPS相比，有源像素结构的填充系数小，典型值为20%-30%。

像素尺寸减小后低光照下灵敏度迅速降低，采用滤色片和在CMOS上制作微透镜组合以及CMOS工艺的优势，前景好于CCD。

外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元选通相应的行像素单元，单元内信号电荷通过各自所在列总线传输到对应的模拟信号处理器（ASP）及A/D变换器，转换成相应的数字图像信号输出。

行选通单元扫描方式：

逐行扫描和隔行扫描。

隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。

行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，可以实现图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像信息。

2、CMOS摄像器件的总体结构,MOS摄像器件的工作原理：

3、CMOS与CCD器件的比较,CCD摄像器件灵敏度高、噪声低、像素面积小难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要使用相对高的工作电压，制造成本比较高,CMOS摄像器件集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低需进一步提高器件的信噪比和灵敏度,CMOS与CCD器件的对比,CCDvs.CMOS,IntegrationPowerConsumptionResolutionImageQualitySpeedCost,Excellent20-50mWUpto12MpixBeingimprovedUptothousandsframe/s,Poor2-5WUpto14MpixHistoricallybestUsuallyupto100frame/s,NikonD100$2,500,Canon300D$800,1.4、红外焦平面器件,第三代红外热像技术,InfraredFocalPlaneArrays,IRFPA,红外热像仪的基本结构,红外热像仪的核心-红外焦平面器件,克服了主动红外夜视需要依靠人工热辐射，并由此产生容易自我暴露的缺点；克服了被动微光夜视完全依赖于环境自然光和无光不能成像的缺点;穿透烟雾和尘埃的能力很强；目标伪装困难；远距离、全天候观察；有很高的温度灵敏度和较高的空间分辨能力,热成像技术的优势：

由于这类器件工作是一般安放在成像透镜的焦面上，所以它们又被叫做红外焦平面器件（IRFPA）。

红外焦平面器件结构,1、IRFPA的工作条件,IRFPA通常工作于13um、35um和812um的红外波段并多数探测300K背景中的目标;红外成像条件是在300K背景中探测温度变化为0.1K的目标;随波长的变长，背景辐射的光子密度增加。

由普朗克定律计算出红外波段300K背景的光谱辐射光子密度。

通常光子密度高于1013/cm2s的背景称为高背景条件，辐射对比度背景温度变化1K所引起光子通量变化与整个光子通量的比值，它随波长增长而减小。

IRFPA工作条件：

高背景、低对比度,1、IRFPA的工作条件,2、IRFPA的分类,按照结构可分为单片式和混合式按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝视型按照读出电路可分为CCD、MOSFET和CID等类型按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型,13m波段代表材料HgCdTe碲镉汞35m波段代表材料HgCdTe、InSb锑化铟、PtSi硅化铂812m波段代表材料HgCdTe,按照响应波段与材料可分为,表：

一些典型的各波段探测器。

3、IRFPA的结构,目前没有能同时很好地满足二者要求的材料IRFPA结构多样性,单片式IRFPA,非本征硅（P型）单片式IRFPA，缺点：

需制冷、响应度均匀性差。

主要有三种类型,本征单片式IRFPA，缺点：

转移效率低、响应均匀性差，存储容量较小。

肖特基势垒单片式IRFPA，响应均匀性好，但量子效率较低。

混合式IRFPA,直接注入方式是将探测器阵列与转移部分直接用导线相连。

特点：

结构简单、功耗低，有直流成分。

间接注入方式是通过缓冲级（有源网络）进行连接。

改善探测器阵列同转移部分的匹配性能。

增加器件功耗，增大尺寸和工艺复杂性。

探测器阵列采用窄禁带本征半导体材料制成，电荷转移部分用硅材料。

如何建立联系？

电学连接方式：

探测器阵列与转移部分的连接：

倒装式,互连技术：

每个探测器与多路传输器对准配接。

采用背照方式,4、典型的IRFPA,InSb是一种比较成熟的中波红外探测器材料。

InSbIRFPA是在InSb光伏型探测器基础上，采用多元器件工艺制成焦平面阵列，然后与信号处理电路进行混合集成。

采用前光照结构的132、1128、1256、1512的线列IRFPA和背光照结构的5862、128128、256256、640480、10241024的面阵IRFPA,InSbIRFPA,Hg1-xCdxTeIRFPA,通常HgCdTeIRFPA是由HgCdTe光伏探测器阵列和CCD或MOSFET读出电路通过铟柱互连而组成混合式结构。

HgCdTeIRFPA的像素尺寸目前可作到1818um2,HgCdTe材料是目前最重要的红外探测器材料，研制与发展HgCdTeIRFPA是目前的主要方向。

基本结构,用于空间成像光谱仪的10241024短波（12.5um）HgCdTeIRFPA；用于战术导弹寻的器和战略预警、监视系统的640480的中波（35um）HgCdTeIRFPA；应用十分广泛的长波（812um）HgCdTeIRFPA；目前4N系列（4288、4480、4960）的扫描型和6464、128128、640480凝视型的HgCdTeIRFPA已批量生产。

主要类别,硅肖特基势垒IRFPA,已实现了256256、512512、640480、10241024、19681968等多种型号的器件硅肖特基势垒IRFPA的像素目前可作到1717um2,硅肖特基势垒IRFPA目前已被广泛应用于近红外与中红外波段的热成像，目前唯一利用已成熟的硅超大规模集成电路技术制造的红外传感器。

非制冷IRFPA,热释电探测器阵列测辐射热计阵列，热释电氧化钒、非晶硅等,多量子阱（MQW）IRFPA,先进的晶体材料外延工艺，在一定的衬底材料上，用这两种工艺交替地淀积两种不同半导体薄层，周期性结构，薄层厚度从几个到几十个原子层，形成一种全新的材料，称为超晶格材料，性质取决于A和B的性质及它们的层厚，性能也与原来大不相同。

分I、II、III类三种超晶格材料。

工作原理：

利用子带间的电子吸收红外辐射跃迁，在外电路作用下形成光电流，适宜于制作长波红外探测器。

优点：

稳定性好、抗辐射能力强，均匀性好。

多晶硅非制冷焦平面（UFPA）制冷HgCdTeMicrobolometer320256（320240）30m30m45m45m3.7m4.8m7.7m9.5m812m法国SOFRADIR公司探测器,