光電子技術(shù)課件-固體攝像器件第五章-1次

1、第5章 光電成像系統(tǒng),,光電成像系統(tǒng)的基本組成,成像轉(zhuǎn)換過(guò)程有四個(gè)方面的問(wèn)題需要研究：,能量方面——物體、光學(xué)系統(tǒng)和接收器的光度學(xué)、輻射度學(xué)性質(zhì)，解決能否探測(cè)到目標(biāo)的問(wèn)題成像特性——能分辨的光信號(hào)在空間和時(shí)間方面的細(xì)致程度，對(duì)多光譜成像還包括它的光譜分辨率噪聲方面——決定接收到的信號(hào)不穩(wěn)定的程度或可靠性信息傳遞速率方面,成像特性、噪聲——信息傳遞問(wèn)題，決定能被傳遞的信息量大小,光電成像器件是光電成像系統(tǒng)的核心,§1 固體

2、攝像器件,固體攝像器件的功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息（可見(jiàn)光、紅外輻射等），轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)—— 視頻信號(hào)，而視頻信號(hào)能再現(xiàn)入射的光輻射圖像,固體攝像器件主要有三大類：,電荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即CMOS）電荷注入器件（Charge Injection Device，即CID）,一、電荷耦合攝像器件,貝爾實(shí)驗(yàn)室的W. S. B

3、oyle，G. E. Smith在探索磁泡器件的電模擬工作中，在1969年秋構(gòu)思了電荷耦合器件的原理,W. S. Boyle, G. E. Smith. Charge coupled semiconductor devices. Bell Syst. Tech. Jour., 1970, 49: 587-593.,G. F. Amelio, M. F. Tompsett, G. E. Smith. Experiment verifica

4、tion of the Charge coupled device concept. Bell Syst. Tech. Jour., 1970, 49: 593-600.,他們首先提出的一種器件結(jié)構(gòu)是采用相同的電極和三相時(shí)鐘系統(tǒng)，為隔離各個(gè)電荷包，最少需要三相時(shí)鐘,緊密排列在半導(dǎo)體絕緣表面上的電容器可用來(lái)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移電荷，按適當(dāng)?shù)拇涡驅(qū)@些電極加上脈沖，它們就會(huì)產(chǎn)生攜帶一包一包少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)勢(shì)阱,電荷耦合器件（CCD）特點(diǎn)——以電荷作為

5、信號(hào)CCD的基本功能——電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移CCD工作過(guò)程——信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)的過(guò)程,1 電荷耦合器件的基本原理 表面溝道器件，即SCCD（Surface Channel CCD）——轉(zhuǎn)移溝道在界面的CCD器件,體內(nèi)溝道（或埋溝道CCD），即 BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）——用離子注入方法改變轉(zhuǎn)移溝道的結(jié)構(gòu)，從而使勢(shì)能極小值脫離界面而進(jìn)入襯底內(nèi)部，形成體內(nèi)的轉(zhuǎn)移溝道，避免了表面態(tài)

6、的影響，使得該種器件的轉(zhuǎn)移效率高達(dá)99.999％以上，工作頻率可高達(dá)100MHz，且能做成大規(guī)模器件,以表面溝道CCD為例介紹CCD基本原理,電荷存儲(chǔ),,,構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)電容器電荷耦合器件工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài),電荷轉(zhuǎn)移,,,電荷檢測(cè),以浮置擴(kuò)散輸出為例,,,,信號(hào)電壓是在浮置電平基礎(chǔ)上的負(fù)電壓；每個(gè)電荷包的輸出占有一定的時(shí)間長(zhǎng)度To；在輸出信號(hào)中疊加有復(fù)位期間的高電平脈沖；對(duì)CCD的輸出

7、信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，較多地采用了取樣技術(shù)，以去除浮置電平、復(fù)位高脈沖及抑制噪聲。,CCD輸出信號(hào)的特點(diǎn)：,,2 電荷耦合攝像器件的工作原理,按結(jié)構(gòu)可分為線陣CCD和面陣CCD按光譜可分為可見(jiàn)光CCD、紅外CCD、X光CCD和紫外CCD可見(jiàn)光CCD又可分為黑白CCD、彩色CCD和微光CCD,CCD的電荷存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移的概念,半導(dǎo)體的光電性質(zhì),CCD攝像器件,,,,256×256,128×128,積分空間積分時(shí)間積分,線

8、陣CCD,線陣CCD可分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu),,,,面陣CCD,常見(jiàn)的面陣CCD攝像器件有兩種：行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)與幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu),,,幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu),彩色CCD,目前主要有三片式和單片式兩種,,三片式CCD,,,拜爾方式濾色器,行間排列的濾色器,二、電荷耦合攝像器件的特性參數(shù),電荷包從一個(gè)柵轉(zhuǎn)移到下一個(gè)柵時(shí)，有 部分的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)去，余下 部分沒(méi)有被轉(zhuǎn)移，稱轉(zhuǎn)移損失率,1 轉(zhuǎn)移效率,,,,一個(gè)電荷量為Qo的電荷包，經(jīng)過(guò)n次轉(zhuǎn)移后

9、的輸出電荷量應(yīng)為：,,總效率為：,,2 不均勻度(非均勻性),光敏元的不均勻CCD的不均勻,本節(jié)討論光敏元的不均勻性，認(rèn)為CCD是近似均勻的，即每次轉(zhuǎn)移的效率是一樣的。光敏元響應(yīng)的不均勻是工藝過(guò)程及材料不均勻性引起的，大規(guī)模器件的均勻性問(wèn)題嚴(yán)重,定義光敏元響應(yīng)的均方根偏差對(duì)平均響應(yīng)的比值為CCD的不均勻度 ：,,,,,—— 第n 個(gè)光敏元原始響應(yīng)的等效電壓,,—— 平均原始響應(yīng)等效電壓,N —— 線列CCD的總位數(shù),

10、3 暗電流CCD成像器件在既無(wú)光注入又無(wú)電注入情況下的輸出信號(hào)稱暗信號(hào)，即暗電流暗電流的根本起因在于耗盡區(qū)產(chǎn)生復(fù)合中心的熱激發(fā) 由于工藝過(guò)程不完善及材料不均勻等因素的影響，CCD中暗電流密度的分布是不均勻的,,P是CCD的相數(shù),暗電流的危害有兩個(gè)方面：限制器件的低頻限引起固定圖像噪聲,4 靈敏度（響應(yīng)度）在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量的輸出信號(hào)電壓（電流）,5 光譜響應(yīng),CCD的光譜響應(yīng)是指等能量相對(duì)光譜響應(yīng)，最大響應(yīng)值歸一化

11、為100%所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，稱峰值波長(zhǎng)，通常將10%（或更低）的響應(yīng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱截止波長(zhǎng)。有長(zhǎng)波端的截止波長(zhǎng)與短波端的截止波長(zhǎng)，兩截止波長(zhǎng)之間所包括的波長(zhǎng)范圍稱光譜響應(yīng)范圍。,6 噪聲散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲,7 分辨率,分辨率是攝像器件最重要的參數(shù)之一，它是指攝像器件對(duì)物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力，測(cè)試時(shí)用專門的測(cè)試卡目前國(guó)際上一般用ＭＴＦ（調(diào)制傳遞函數(shù)）來(lái)表示分辨率像元分辨率,,8 動(dòng)態(tài)范圍與線性度,動(dòng)態(tài)范圍＝線性度是指在動(dòng)

12、態(tài)范圍內(nèi)，輸出信號(hào)與曝光量的關(guān)系是否成直線關(guān)系,,圖像傳感器尺寸,三、CMOS攝像器件,采用CMOS技術(shù)可以將光電攝像器件陣列、驅(qū)動(dòng)和控制電路、信號(hào)處理電路、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，可以實(shí)現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng) ——Camera-On-A-Chip,1 CMOS像素結(jié)構(gòu),無(wú)源像素型（PPS）有源像素型（APS）,無(wú)源像素結(jié)構(gòu),無(wú)源像素單元具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、像素填充率高及量子效率比較高的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于傳輸線電容較大，

13、CMOS無(wú)源像素傳感器的讀出噪聲較高，而且隨著像素?cái)?shù)目增加，讀出速率加快，讀出噪聲變得更大。,有源像素結(jié)構(gòu),光電二極管型有源像素（PP－APS）,大多數(shù)中低性能的應(yīng)用,光柵型有源像素結(jié)構(gòu)（PG－APS）,成像質(zhì)量較高,CMOS有源像素傳感器的功耗比較小。但與無(wú)源像素結(jié)構(gòu)相比，有源像素結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)小，其設(shè)計(jì)填充系數(shù)典型值為20%-30%。在CMOS上制作微透鏡陣列，可以等效提高填充系數(shù)。,2 CMOS攝像器件的總體結(jié)構(gòu),,,外界光照射像

14、素陣列，產(chǎn)生信號(hào)電荷，行選通邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元，行像素內(nèi)的信號(hào)電荷通過(guò)各自所在列的信號(hào)總線傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理器(ASP)及A/D變換器，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字圖像信號(hào)輸出。行選通單元可以對(duì)像素陣列逐行掃描，也可以隔行掃描。隔行掃描可以提高圖像的場(chǎng)頻，但會(huì)降低圖像的清晰度。行選通邏輯單元和列選通邏輯單元配合，可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能，讀出感興趣窗口內(nèi)像元的圖像信息,3 CMOS與CCD器件的比較,CCD攝像器件靈敏

15、度高、噪聲低、像素面積小難與驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)處理電路單片集成，需要使用相對(duì)高的工作電壓，制造成本比較高,CMOS攝像器件集成能力強(qiáng)、體積小、工作電壓?jiǎn)我?、功耗低、?dòng)態(tài)范圍寬、抗輻射和制造成本低需進(jìn)一步提高器件的信噪比和靈敏度,Eric R. Fossum. CMOS Image Sensors: Electronic Camera-On-A-Chip. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONIC DEVICES

16、, 1997,44(10): 1689-1698,四、紅外焦平面器件,紅外焦平面器件（Infrared Focal Plane Arrays, IRFPA）,1. IRFPA的工作條件,IRFPA通常工作于1～3μm、3～5μm和8～12μm的紅外波段并多數(shù)探測(cè)300K背景中的目標(biāo)典型的紅外成像條件是在300K背景中探測(cè)溫度變化為0.1K的目標(biāo) 隨波長(zhǎng)的變長(zhǎng)，背景輻射的光子密度增加,用普朗克定律計(jì)算的各個(gè)紅外波段300K背景的光譜

17、輻射光子密度,通常光子密度高于1013／cm2s的背景稱為高背景條件，因此3～5μm或8～12μm波段的室溫背景為高背景條件。輻射對(duì)比度——背景溫度變化1K所引起光子通量變化與整個(gè)光子通量的比值，它隨波長(zhǎng)增長(zhǎng)而減小。IRFPA工作條件：高背景、低對(duì)比度,2 IRFPA的分類,按照結(jié)構(gòu)可分為單片式和混合式按照光學(xué)系統(tǒng)掃描方式可分為掃描型和凝視型按照讀出電路可分為CCD、MOSFET和CID等類型按照制冷方式可分為制冷型和非制冷型

18、,1～3μm波段 代表材料HgCdTe—碲鎘汞3～5μm波段 代表材料HgCdTe、InSb—銻化銦、 PtSi—硅化鉑8～12μm 波段 代表材料HgCdTe,按照響應(yīng)波段與材料可分為,3. IRFPA的結(jié)構(gòu),IRFPA由紅外光敏部分和信號(hào)處理部分組成紅外光敏部分——材料的紅外光譜響應(yīng)信號(hào)處理部分——有利于電荷的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移目前沒(méi)有能同時(shí)很好地滿足二者要求的材料——IRFPA結(jié)構(gòu)多樣性,單片式I

19、RFPA,單片式IRFPA主要有三種類型非本征硅單片式IRFPA要求制冷，工作于8～14μm的器件要制冷到15～30K，工作于3～5μm波段的器件要制冷到40～65K；量子效率低，通常為5%～30%；由于摻雜濃度的不均勻，使器件的響應(yīng)度均勻性較差,本征單片式IRFPA,將紅外光敏部分與轉(zhuǎn)移部分同作在一塊窄禁帶寬度的本征半導(dǎo)體材料上。目前受重視的材料是HgCdTe量子效率較高。轉(zhuǎn)移效率低（η＝0.9）響應(yīng)均勻性差窄禁帶材料

20、的隧道效應(yīng)限制了外加電壓的幅度，表面勢(shì)不大，存儲(chǔ)容量較小,肖特基勢(shì)壘單片式IRFPA,基于肖特基勢(shì)壘的光電子發(fā)射效應(yīng)，在同一硅襯底上制作可響應(yīng)紅外輻射的肖特基勢(shì)壘陣列及信號(hào)轉(zhuǎn)移部分。目前受重視的材料是PtSi光激發(fā)過(guò)程取決于金屬中的吸收，響應(yīng)度均勻性較好采用的硅襯底可制成高性能的CCD轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)量子效率比較低，需要制冷,,,,混合式IRFPA,混合式IRFPA的探測(cè)器陣列采用窄禁帶本征半導(dǎo)體材料制作，電荷轉(zhuǎn)移部分用硅材料直接注入方

21、式是將探測(cè)器陣列與轉(zhuǎn)移部分直接用導(dǎo)線相連間接注入方式是通過(guò)緩沖級(jí)（有源網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行連接,探測(cè)器陣列與轉(zhuǎn)移部分的連接大多采用倒裝式,,4 典型的IRFPA,InSb IRFPAInSb是一種比較成熟的中波紅外探測(cè)器材料。InSb IRFPA是在InSb光伏型探測(cè)器基礎(chǔ)上，采用多元器件工藝制成焦平面陣列，然后與信號(hào)處理電路進(jìn)行混合集成。采用前光照結(jié)構(gòu)的1×32、1×128、1×256、1×512的

22、線列IRFPA和背光照結(jié)構(gòu)的58×62、128×128、256×256、640×480、1024×1024的面陣IRFPA,HgCdTe IRFPA,HgCdTe材料是目前最重要的紅外探測(cè)器材料，研制與發(fā)展HgCdTe IRFPA是目前的主攻方向通常HgCdTe IRFPA是由HgCdTe光伏探測(cè)器陣列和CCD或MOSFET讀出電路通過(guò)銦柱互連而組成混合式結(jié)構(gòu)HgCdTe IRFPA

23、的像素目前可作到18×18μm2,用于空間成像光譜儀的1024×1024短波(1～2.5μm) HgCdTe IRFPA用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈尋的器和戰(zhàn)略預(yù)警、監(jiān)視系統(tǒng)的640×480的中波(3～5μm ) HgCdTe IRFPA應(yīng)用十分廣泛的長(zhǎng)波(8～12μm) HgCdTe IRFPA目前4N系列（4×288、4×480、4×960）的掃描型和64×64、128&

24、#215;128、640×480凝視型的HgCdTe IRFPA已批量生產(chǎn),硅肖特基勢(shì)壘IRFPA,硅肖特基勢(shì)壘IRFPA目前已被廣泛應(yīng)用于近紅外與中紅外波段的熱成像目前唯一利用已成熟的硅超大規(guī)模集成電路技術(shù)制造的紅外傳感器已實(shí)現(xiàn)了256×256、512×512、640×480、1024×1024、1968×1968等多種型號(hào)的器件硅肖特基勢(shì)壘IRFPA的像素目前可作到

25、17×17μm2,非制冷IRFPA,熱釋電探測(cè)器陣列測(cè)輻射熱計(jì)陣列——氧化釩、非晶硅等 1979年美國(guó)得克薩斯儀器公司曾演示了100×100元的鈮酸鍶鋇（SBN）熱釋電探測(cè)器陣列非制冷IRFPA的像素目前可作到28×28μm2,,多量子阱（MQW）IRFPA,先進(jìn)的晶體材料外延工藝——金屬有機(jī)汽相沉積（MOCVD）和分子束外延（MBE）人們選擇一定的襯底材料，用這兩種工藝在襯底上依次交替地淀積兩種

26、不同半導(dǎo)體A和B薄層，形成ABABA…或其他周期性結(jié)構(gòu)，薄層的厚度從幾個(gè)到幾十個(gè)原子層，形成一種完全新穎的材料，稱為超晶格材料 性質(zhì)取決于A和B的性質(zhì)及它們的層厚,Ⅰ類AlGaAs/GaAs超晶格材料,AlGaAs為勢(shì)壘，GaAs為勢(shì)阱當(dāng)勢(shì)壘高度較高、較厚時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)被限制在勢(shì)阱中，這種情況下的超晶格材料稱為量子阱（QW）材料如果有很多相同量子阱疊加就組成了多量子阱（MQW）材料由量子阱構(gòu)成的探測(cè)器，是發(fā)生在子帶間的電子躍遷，