CCD特性综合实验仪2009

1、CCD 特性实验CCD （Charge Coupled Device全称为电荷耦合器件 ,是 70 年代发展起来的新型 半导体器 件。它是在 MOS 集成电路技术基础上发展起来的 ,为半导体技术应用开 拓了新的领域。 CCD 具有 光电转换、信息存贮和传输等功能 , CCD 图像传感器能 实现图像信息的获取 ,转换和视觉功能的 扩展 ,能给出直观、真实、多层次的内容丰 富的可视图像信息。实验目的1. 学习掌握 CCD 的基本工作原理 , CCD 正常工作所需的外部条件及这些条件 的改变对 CCD 输 出的影响。2.测量曝光时间 ,驱动周期 ,照明情况对输出的影响 ,并根据实验原理对输出进行 说

2、明。 实验原理一个完整的 CCD 器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输 出电路组成。图 1为某型号 CCD 的结构示意图。 CCD 工作时,在设定的积分时间 内由光敏单元对光信号进行取样 , 将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。取样 结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器 的相应单元中。移位寄存器在驱 动时钟的作用下 ,将信号电荷顺次转移到输出端。将输出信号接 到计算机 , 示波器 , 图象显示器或其它信号存储、 处理设备中 , 就可对信号再现或进行存储处理。 由于 CCD 光敏元可做得很小 （约 10um ,所以它的图象分辨率很高。电源光敏单元（补偿输出图 1 CCD

3、结构示意图. CCD 的 MOS 结构及存贮电荷原理CCD 的基本单元是 MOS 电容器,这种电容器能存贮电荷 ,以 P 型硅为例,其结构 如图 2所示。 在 P 型硅衬底上通过氧化在表面形成 SiO 2层,然后在 SiO 2上淀积 一层金属为栅极 , P 型硅里的多 数载流子是带正电荷的空穴 ,少数载流子是带负电荷 的电子,当金属电极上施加正电压时 ,其电 场能够透过 SiO 2绝缘层对这些载流子进 行排斥或吸引。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处 , 形成耗尽区 ,带负电的少数 载流子在紧靠 SiO 2层形成负电荷层 （电荷包 ,这种现象便形成对电 子而言的陷阱 , 电子一旦进入就不能复出

4、 ,故又称为电子势阱 ,势阱深度与电压成正比 ,如图 3 所示。图 2 MOS 电容器剖面图 图 3 势阱 ,用阱底的液体代表信号电荷当 MOS 电容器受到光照时 （光可从各电极的缝隙间经过 SiO 2层射入 ,或经衬 底的薄 P 型硅射 入 ,光子的能量被半导体吸收 ,产生电子 -空穴对,这时出现的电子被 吸引存贮在势阱中 ,光越 强, 势阱中收集的电子越多 , 光弱则反之 , 这样就把光的强弱 变成电荷的数量 , 形成了光电转换 , 实现了对光照的记忆。早期的 CCD 器件用 MOS 电容器实现光电转换 ,现在的 CCD 器件为了改善性 能,用光电二极管 取代 MOS 电容器做光敏单元 ,

5、实现光电转换 ,移位寄存器 （实现电 荷转移为 MOS 电容器。二.电荷的转移与传输CCD 的移位寄存器是一列排列紧密的 MOS 电容器, 它的表面由不透光的铝层 覆盖, 以实现光 屏蔽。由上面讨论可知 , MOS 电容器上的电压愈高 ,产生的势阱愈深 , 当外加电压一定 ,势阱深 度随阱中的电荷量增加而线性减小。利用这一特性 ,通过控 制相邻 MOS 电容器栅极电压高低来调 节势阱深浅。 制造时将 MOS 电容紧密排列 , 使相邻的 MOS 电容势阱相互“沟通”。 当相邻 MOS 电容两电极之间的间隙足够 小(目前工艺可做到 0.2 m在 , 信号电荷自感生电场的库仑力推动下 , 就可使信号

6、电 荷由浅处流向深处 ,实现信号电荷转移。为了保证信号电荷按确定路线转移 ,通常 MOS 电容阵列栅极上所加电压脉冲为 严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉冲。下面我们介绍二相 CCD 结构及工作原理。 CCD中的电荷定向转移是靠势阱的非对称性实现的。实现二相 驱动的方案有 : 1.阶梯氧化层电极阶梯氧化层电极结构参见图 5。由图可见 ,此结构中将一个电极分成二部分 ,其 左边部分电极下的氧化层比右边的厚 ,则在同一电压下 ,左边电极下的势阱浅 ,自动起 到了阻挡信号倒流的作用。2. 设置势垒注入区 (图 6对于给定的栅压 ,位阱深度是掺杂浓度的函数 ,掺杂浓度高 ,则位阱浅。采用离

7、子 注入技术使转移电极前沿下衬底浓度高于别处 ,则该处位阱就较浅 ,任何电荷包都将 只向位阱的后沿方向移动。图 5采用阶梯氧化层电极形成的二相结构 图 6采用势 垒注入区形成二相结构 (a 结构示意 ; (b 驱动脉冲1 2 Al Al 2O 3注入区1 21 2(bSiO 2SiO 2(a低电位 高电位由图 6(b 可见,驱动脉冲 12反向,当 1为低电位时 ,它们在移位寄存器中形成 的势 阱如图 6(a 所示。当 1由低电位变为高电位 , 由2高电位变为低电位时 ,相当 于势阱曲线右 移一个单元 ,信号电荷也向右转移一位。三.电荷读出方法CCD 的信号电荷读出原理可用图 7、图 8说明。图

8、 7中 T 1, T 2为场效应管,它的源级,漏极之间的电流受栅极电压控制。以 2 相驱动为例 , 驱动脉冲 ,复位脉冲 ,输出信号波形之间的关系如图 8所示。在 t 1时刻, 加在场效应管 T 1栅极上 的复位脉冲 RS 为高电平 , T 1导通,结电容 C 被充电到一 个固定的直流电平 , 源极跟随器 T 2的输 出电平 Vo 被复位到略低于输入电压 Vi 的 复位电平上。在 T 2时刻,复位脉冲为低电平 , T 1截止, 仅有很小的漏电流 ,使输出电 平有一个下跳。在 T 3时刻, 脉2冲变为低电平 ,信号电荷从 2电极下进入 T 2管 栅极,这些电荷 (电子,带负电使 T 2管的栅极电

9、位下降 ,输出电平也跟随下降 , 电荷越 多 ,输出电平下降越多 ,其下降幅度代表信号电压。将信号电压取样 ,就得到与光敏单 元 曝光量成正比的输出电压。V i RS V oV o 图 8 驱动脉冲 ,复位脉冲 ,图 7 电荷读出原理图 输出信号波形图仪器介绍仪器由线阵 CCD , CCD 驱动电路, CCD 信号处理电路 ,接口电路 （装在主机里 专用软件 ,照 度计,减光镜 ,柔光镜,灰度板等组成。仪器面板如图 9所示。图 9 CCD 特性实验仪面板仪器设计了强大的软硬件功能 ,通过计算机设置工作参数 ,并显示 CCD 输出情 况。选择实验 1后计算机界面如图 10 所示。由菜单栏可输入起

10、始时间 ,结束时间,选择驱动周期 ,曝光时间。确定显示信号的 时间范围 和 CCD 的工作参数。屏幕上半部显示 CCD 工作时的各路驱动信号波形 下半部显示 CCD 输出电压 值。按启动后仪器开始采样并显示实时图形 ,按停止后显示屏上保持最后采集到的图形。停止后 用鼠标对准显示屏上一点 ,屏幕下方将会 显示鼠标纵线对应的时间值和鼠标横线对应的输出电压 值,用鼠标拖动还可放大或 缩小图形 ,便于作进一步的研究。其它界面和使用方法在实验内容和步骤中予以陈述。图 10 CCD 的操作与显示界面CCD 特性实验仪配件介绍照度计 :照度计的作用是实验时 ,测量照射 CCD 的光强。测量的照度值有的只 作

11、为参考 ,有 的则需带入进行计算 （如计算 CCD 的饱和曝光量 。减光镜 :由两片偏振片组成 , 旋转调节两偏振片的透光轴夹角 , 可调节透过减光 镜的光强度。 使用时 ,先将减光镜置于照度计通光窗口上 ,依据照度计显示的照度值 调节好减光镜 ,再将减光 镜放置于 CCD 窗口上使用 （必须完全把 CCD 窗口覆盖 。柔光镜 :其作用是将外界不均匀的光改变为均匀光 ,在实验中必须配在减光镜上 同时使用。 灰度板 : 在同一外界照度条件下 ,可表现出 CCD 每个像元感应并输出电 压同该像元对应光照 强度之间的变化。实验内容与步骤CCD 驱动信号与传输性能的实验CCD 要在若干时序严格配合的外

12、界脉冲驱动下才能正常工作。进入 ccd.exe 程序后选择实验 1, 并按图 10中的参数选择结束时间 , 显示屏上将 显示各路脉 冲的波形图。SH 信号加在转移栅上。当 SH 为高电平时 ,正值 1为高电平。移位寄存器中 的所有 1电极 下均形成深势阱 ,同时 SH 的高电平使光敏单元与各像元 1电极下 的深势阱沟通 ,光敏单元向 1注入信号电荷。 SH 为低电平时 ,光敏单元与移位寄存 器的连接中断 ,此时光敏单元在外界光照作 用下产生与光照对应的电荷 ,而移位寄存 器中的信号电荷在时钟脉冲作用下向输出端转移 ,由输 出端输出。1, 及2 RS 脉冲的时序与作用在实验原理中已有叙述 , CP 为像元同步脉冲。由于工艺上的原因 , 本实验仪所用 CCD 在靠近输出端设有 32个虚设单元 （哑 元 , 然后是 2048个有效光敏单元 ,最后又是 8个虚设单元 ,共 2088个单元像素。必 须经过 2088 个驱动周期后才 能把一幅完整的信号传送出去。适当的改变设置 , 可以显示若干有效光敏单元的输出情况。 当设置的显示时间 大于 2088 乘以 驱动周期时 ,可显示若干积分周期内每周期采样后光敏单元的总体输 出情况。按表 1 设置入射光照度约 1Lx, 调节灰度板位置 ,记录输出波形 ,并根据实验原理 对输出 波形进行说明 （参见附录 。也可自行设