第二十讲CMOS摄像器件和红外焦平面器件幻灯片资料

信号处理部分 ——有利于电荷的存储与转移
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 类似于可见光CCD，红外光敏阵列和转移机构同
做在窄禁带本征或掺杂非本征半导体材料上。
混合式
混合式：红外光敏做在上述半导体材料上，信号 处理部分则做在硅片上。两者之间用导线连接。
单片式IRFPA
红外焦平面器件结构
成像透镜
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）。
1、IRFPA的工作条件
IRFPA通常工作于1~3um、3~5um和8~12um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;
短波红外（1~3 μm）
铟镓砷（InGaAs） 硫化铅探测器(PbS)
中波红外（3~5 μm）
锑化铟（InSb） 碲镉汞探测器（HgCdTe）
长波红外、热红外（8~14μm） 碲镉汞探测器（HgCdTe）
远红外（16 μm以上）
量子阱探测器(QWIP)
3、 IRFPA的结构
红外光敏部分 ——材料的红外光谱响应
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 。
1997年，东芝公司研制成功640*640像素光敏二极 管型CMOS APS，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 CMOS APS，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。
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。
有源像素结构APS（Active Pixel Structure )
光电二极管型有源像素（PP－APS）1994，哥伦比亚大学
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
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 按照响应波段与材料可分为
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。
波长/μm 300K背景辐射光子通量密度
/(光子/cm2·s) 光积分时间（饱和时间）μs 对比度（300K背景）/（％）
1～3 ≈1012
106 ≈10
3～5 ≈1016
102 ≈3
8～12 ≈1017
Hg1-xCdxTe IRFPA
HgCdTe材料是目前最重要的红外探测器材料，研 制与发展HgCdTe IRFPA是目前的主要方向。
基本结构
通常HgCdTe IRFPA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。
HgCdTe IRFPA的像素尺寸目前可作到18×18um2
多晶硅非制冷焦平面（UFPA）
制冷HgCdTe
Micro bolometer
320×256
（ 3Hale Waihona Puke Baidu0×240）
30μm×30μm
45 μm × 45μm
3.7μm~4.8μm
7.7μm～9.5μm
8~12 μm
法国SOFRADIR公司探测器
1. 1~3μm波段 代表材料HgCdTe—碲镉汞 2. 3~5μm波段 代表材料HgCdTe、InSb—锑化铟、
PtSi—硅化铂
3. 8~12μm 波段 代表材料HgCdTe
表：一些典型的各波段探测器。
波段（波长） 近红外（0.7~1.1μm）
工作在该波段的典型红外光 子探测器
硅光电二极管 （Si）
主要有三种类型
非本征硅（P型）单片式IRFPA， 缺点：需制冷、响应度均匀性差。
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
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？
frame/s
Cost
Nikon D100 ~$2,500
Canon 300D ~$800
1.4、红外焦平面器件
Infrared Focal Plane Arrays, IRFPA 第三代红外热像技术
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
热成像技术的优势：
•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
64×64、128×128、640×480凝视型的HgCdTe IRFPA已批量生产。
硅肖特基势垒IRFPA
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。
已实现了256×256、512×512、640×480、 1024×1024、1968×1968等多种型号的器件
1.3、CMOS摄像器件
1990’s，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
无源像素型（PPS）和有源像素型（APS）
无源像素结构，1967，Weckler
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。
微透镜改善低光特性
CMOS APS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。
2、CMOS摄像器件的总体结构
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。
Integration Power
Consumption Resolution Image
Quality Speed
Poor 2-5 W Up to 14 Mpix Historically best Usually up to 100
frame/s
Excellent 20-50 mW Up to 12 Mpix Being improved Up to thousands
电学连接方式：
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 IRFPA
InSb是一种比较成熟的中波红外探测器材料。 InSb IRFPA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1×32、1×128、1×256、1×512的 线列IRFPA和背光照结构的58×62、128×128、 256×256、640×480、1024×1024的面阵IRFPA
主要类别
用于空间成像光谱仪的1024×1024短波(1~2.5um) HgCdTe IRFPA；
用于战术导弹寻的器和战略预警、监视系统的 640×480的中波(3~5um ) HgCdTe IRFPA；
应用十分广泛的长波(8~12um) HgCdTe IRFPA； 目前4N系列（4×288、4×480、4×960）的扫描型和
硅肖特基势垒IRFPA的像素目前可作到17×17um2
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。
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
CCD vs. CMOS
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。
MOS 摄像器件的工作原理：
X 移位寄存器
ΦX1
φX2
信号输出
RL
Y
MOS 开关
E
移
位
A/D
寄
存
数字信号输出
器
ΦY1 ΦY2
光电二极管
3、CMOS与CCD器件的比较
10 ≈1
1、IRFPA的工作条件
波长/μm 300K背景辐射光子通量密度
/(光子/cm2·s) 光积分时间（饱和时间）μs 对比度（300K背景）/（％）
1～3 ≈1012
106 ≈10
3～5 ≈1016
102 ≈3
8～12 ≈1017
10 ≈1
通常光子密度高于1013/cm2s的背景称为高背景条件，