梧州学院100

梧州学院课程设计论文（2014-2015学年第一学期）课程名称传感器与检测技术论文题目红外CCD图像传感器院别信息与电子工程学院专业电子信息工程专业班级12电本一班学号201201902146学生姓名黄艳梅指导教师姚高华完成时间2014年12月梧州学院课程论文(2014-2015学年第一学期)红外CCD图像传感器学生姓名：黄艳梅提交日期：2015年1月10日学生签名：学号班级课程编号XZ1902002专业电子信息工程课程名称传感器与测量技术任课教师姚高华教师评语：成绩评定：分任课教师签名：年月日目录摘要………………………………………………………………1红外图像传感器概述…………………………………………红外CCD图像传感器姓名：黄艳梅摘要：当今时代，由于CCD图像传感器在航空计测等方面的重要作用，拥有CCD新技术的各国及各公司都将CCD技术作为军事机密或商业机密，因此尽管CCD图像传感器技术的发展十分迅速，然而与CCD相关的技术、科研文献十分缺乏。由于国内的半导体产业发展较晚，因此国内的CCD技术相对落后且发展缓慢，随着我国最近几年航空航天技术的迅速发展，目前CCD图像传感器相关的研究就成为十分重要的课题之一。在面阵CCD图像传感器和红外探测器阵列技术基础上发展起来的新一代固体红外摄像阵列（IRCCD）的目标主要是军事应用，如夜视、跟踪、制导红、外侦察和预警等。它是现代防御技术的关键性高技术之一。美国在1986年曾投资8000万美元加快这项技术的发展。在海湾战争与伊拉克战争中，美军已经使用了微光及红外CCD摄像机装备部队，并发挥了巨大的夜间战斗力。本文从红外CCD图像传感器的发展背景出发，了解了红外CCD图像传感器的发展及应用。分析了其结构原理及其读出电路的分类，探讨了红外CCD图像传感器及其读出电路的相关性能参数。介绍了一种新颖的中红外摄像系统。美国仙童（Fairychild）公司的WestonCCD图像分公司推出一种IRCCD摄像系统——CCD6000型。该系统以PiSi肖特基势垒为技术基础，引入了用于定时和视频信号处理的RS—170A标准，使其在许多需要实时高分辨率分析显示1—5.5um光谱范围的红外摄像领域中获得了广泛的应用。它在激光束分析、遥感、监视、目标跟踪、医疗及非接触式温度控制方面显示了优越性.。关键字：CCD图像传感器；红外摄像阵列；红外CCD探测器；中红外摄像系统1CCD图像传感器的研究背景电荷耦合器件简称CCD（ChargedCoupleDevice）,是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件。它以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、转移及输出信号电荷的功能。CCD于1970年在美国贝尔实验室被发现，随后其发展异常迅速，从CCD概念提出到商品化的电荷耦合摄像机出现只用了短短4年的时间。CCD之所以发展迅速，其主要原因是它在数字信息存储、模拟信号处理以及作为传感器等方面有着十分广泛的应用。目前CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术成为一体的综合性技术，在现代光学、光电检测技术和现代测试技术领域中成果累累，方兴未艾。而CCD传感器无论是线阵还是面阵结构，其中都混杂有各种噪声或干扰成分，这极大地影响了CCD在高精度测量领域中的应用。因此降低噪声成为改善像系统的一个首要任务。相应的，如何精确地简便地CCD的噪声也变得极为重要。近几年来，CCD器件在军、民用领域都有了长足发展。民用领域主要用于视频摄录一体化(VTR)、保安监视报警、医疗、工业自动化、科研、新闻广播、多媒体、办公自动化及其他许多领域，广泛用于战斗机、舰船、坦克、及单兵武器装备的图像、探测部件。可见光CCD图像传感器主要为侦察、制导、预警、瞄准、等武器系统提供高清晰度、高分辨率的图像，并通过高速实时监控及遥感技术，反馈回精确的战斗信息，从而提高部队战术战略快速反应能力，已逐渐成为现代武器装备不可或缺的重要组成部分。电荷耦合器件的结构和工作原理CCD是一种半导体器件，由金属、绝缘体、半导体构成，是一种固态检测器。它由很多个光敏单元组成，每个光敏单元就是一个MOS（金属-氧化物-半导体）电容器（现今大多为光敏二极管）。形象地说，CCD由一系列排得很紧密的MOS电容器组成，且具有一般电容所不具有的耦合电荷的能力。一个光敏单元或一个MOS电容就是一个像素。由于光敏单元一般做得很小，所以300—500万像素的数码相机很容易实现。1.CCD的工作原理CCD中基本单元是MOS电容器，它的形成是在P型或N型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚度为100—150nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成一个MOS电容器，如图4.3.1（a）所示。CCD一般是以P型硅为衬底，在这种P型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。在电极施加栅极电压V之前，空穴的分布是均匀的。当电极相对于衬底施加正栅压V（V大于MOS管的开启电压）时，在SiO2界面处表面势能升高，在电极下的空穴被排斥，电子被吸引到表面，产生耗尽层。当栅压继续增加，耗尽层将进一步向半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫做“势阱”。当一束光照射到MOS管电容上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入衬底，在光子作用下，产生电子-空穴对，电子-空穴对在外加电场的作用下，分别向电极两端移动，这就是光生电荷。由此产生的电子被称为光生电子，这些光生电子被附近的势阱所吸引，并储存在阱势中，如图4.3.1（b）所示。势阱内存储的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比，存储了电荷的势阱有被称为电荷包，同时产生的空穴被电场排斥到耗尽区外。势阱中能容纳多少电子，取决于势阱的“深浅”，即表面势的大小。势阱能够存储的最大电荷量又被称为势阱容量，它与所加栅压近似成正比。2，电荷转移的原理从上面的讨论可知，外加在MOS管电容上的电压越高，产生势阱越深；外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。利用这一特性，通过控制相邻MOS管电容栅极电压高低来调节势阱深浅，让MOS管电容间的排列足够紧密，使相邻MOS管电容的势阱相互沟通，即相互耦合（通常相邻MOS管电容电极间隙小于3um，目前工艺上可做到小于0.2um），就可使信号电荷由势阱浅处流向势阱深处，实现信号电荷的转移。为了让信号电荷按规定的方向转移，在MOS管电容阵列上加满足一定相位要求的驱动时钟脉冲电压，这样在任何时刻，势阱的变化总朝着一个方向。为了实现这种定向的转移，在CCD的ＭＯＳ阵列上划分几个相邻ＭＯＳ电容为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每一位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同的电极上，此共同电极称为相线。例如，３个为一单元的ＭＯＳ线列，第１，４,７……电容的栅极连接到一根相线上，第２,５,８……连接到第二个共同相线上，第３,６,９……则连接到第三个共同相线上。通常ＣＣＤ有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为１８０度、１２０度和９０度。当这种时序脉冲加到ＣＣＤ的无限循环结构上时，将实现信号的定向转移。以三相ＣＣＤ为例，每位３个电极所加的时钟电压及工作过程如图４.３.２所示。图中表面电动势增加方向向下，虚线代表表面电动势大小。在ｔ＝ｔ１时，＆１处于高电平，而＆２和＆３处于低电平。＆１电极上的栅电压大于开启电压，故在＆１电极下形成势阱。如果有光照形成外来信号电荷注入，则电荷将聚集在＆１电极下。当ｔ＝ｔ１时，＆１和＆２同时为高电平，＆３为低电平，故＆１和＆２电极下都形成势阱。由于两个电极靠得很近，势阱连通，使电荷从＆１电极下势阱耦合到＆２电极下。当ｔ＝ｔ３时，＆１上的栅压小于＆２上的栅压，故＆１电极下的势阱变“浅”，电荷更多的通向＆２电极下。当ｔ＝ｔ４时，＆１，＆３都为低电平，只有＆２处于高电平，故电荷全部聚集到＆２电极下，于是就实现了电荷从电极＆１下到＆２下的转移。经过这样的过程，当ｔ＝ｔ５时，电荷包又耦合到＆３电极下。当ｔ＝ｔ６时，电荷包就转移到下一位的＆１电极下，如此下去，在ＣＣＤ时钟脉冲控制下，信号电荷就这样从一个势阱向下一个势阱，直到输出。3）电荷的输出在CCD中，有效地收集和检测电荷是一个重要问题。CCD信号电荷的输出主要有电流输出和电压输出两种方式。@电流输出如图4.3.4（a）所示，当信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到末级电极（图中&2电极）下的势阱中后，&2电极上的电压由高变低时，由于势阱提高，信号电荷将通过输出栅（加有恒定的电压）下的势阱进入反向偏置的二极管（图中N+区）。由U、电阻R、衬底P和N+区构成的反向偏置二极管相当无限深的势阱。进入到反向偏置的二极管中的电荷，将产生输出电流I，且I的大小与注入到二极管中的信号电荷成正比，但与电阻R成反比。电阻R是制作在CCD内的电阻，阻值是常数。所以，输出电流I与注入到二极管中的电荷量成线性关系，且Q=I△t由于I的存在，使得A点的电位发生变化：I增大，A点电位降低，所以可以用A点的电位来检测二极管的输出电流I，用隔直电容将A点的电位变化取出，再通过放大器输出。图4.3.4（a）中的场效应管VT为复位管。它的主要作用是将一个读出周期内输出二极时复位场效应管导通，它的动态电阻远小于偏置电阻R，使二极管中的剩余电荷被迅速抽走使A点的电位恢复到起始的高电平电压输出电压输出有浮置扩散放大器（FDA）和浮置栅放大器（FDA）等方式。浮置扩散放大器的结构如图4.3.4（b）所示。在与CCD同一芯片上集成了两个MOSFET，即复位管VT1和放大器VT2.在&2下的势阱未形成之前，在RG端加复位脉冲&R，使复位管VT1导通，把浮置扩散区上一周期的剩余电荷通过VT2的沟道抽走。当信号电荷到来时，复位管VT1截止，由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管VT2的栅极电位，栅极电势为△Uout=Qs/Cfd式中，Cfd为浮置扩散节点上的总电容。经过放大器放大Kv后，输出的信号为U0=Kv△Uout以上两种输出机构均为破坏性的一次性输出。图4.3.4（c）为浮置栅放大器输出。VT2的栅极不直接与信号电荷的转移沟道相连接，而是与沟道上面的浮置栅极相连。当信号电荷转移到浮置栅下面的沟道时，在浮置栅上感应出境像电荷，以此来控制VT2的栅极电位，达到信号检测与放大的目的。显然，这种机构可以实现电荷在转移过程中非破坏性检测。CCD图像传感器CCD图像传感器是利用CCD的光电转换和电荷转换的双重功能。当一定波长的入射光照射CCD时，若CCD的电极下形成势阱，则光生少数载流子就积聚到势阱中，其数目与光照时间和光强度成正比。使用时钟控制将CCD的每一位下的光生电荷依次转移出来，分别从同一输出电路上检测出，则可以得到幅度与各光生电荷成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转移成电信号“图像”。由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，具有良好的一致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。CCD图像传感器有线列和面阵两大类，它们各具有不同的结构和用途。（1）CCD线列图像器件图4.3.5所示为线型固态图像传感器的结构。其感光部分是光敏二极管（PD）线阵列，PD作为感光像素位于传感器中央，两侧设置CCD移位寄存器。寄存器上面覆以遮光物。奇数号位的PD的信号电荷移往下侧的移位寄存器；偶数号位则移往上侧的转移寄存器。以另外的信号驱动CCD移位寄存器，把信号电荷经公共输出端，从光敏二极管PD上依次读出。（1）面型固态图像传感器如图4.3.6所示面型固态图像传感器有4种基本构成方式。图4.3.6（a）所示为x-y选址方式。它也是用移位寄存器对PD阵列进行x-y二维扫描，信号电荷最后经二极管总线读出。X-y选址方式固态图像传感器的问题质量不是很好。图4.3.6(b)是行选址方式，它是将若干个结构简单的线型传感器平行地排列起来构成的。为切换各个线型传感器的时钟脉冲，必须具备一个选址电路。同时，行选址方式的传感器，垂直方向上还必须设置