CCD特性综合实验仪2009.doc

第5页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明。实验原理光敏单元图1 CCD结构示意图（补偿输出）电源一个完整的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。一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SiO2层，然后在SiO2 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SiO2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SiO2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，故又称为电子势阱，势阱深度与电压成正比，如图3所示。当MOS电容器受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2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，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0.2m），在信号电荷自感生电场的库仑力推动下，就可使信号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)12AlAl2O3注入区1212（b）SiO2SiO2（a） 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低电位高电位 （a）结构示意； (b)驱动脉冲由图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，2由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7中T1，T2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t1时刻，加在场效应管T1栅极上的复位脉冲RS为高电平，T1导通，结电容C被充电到一个固定的直流电平，源极跟随器T2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T2时刻，复位脉冲为低电平，T1截止，仅有很小的漏电流，使输出电平有一个下跳。在T3时刻，2脉冲变为低电平，信号电荷从2电极下进入T2管栅极，这些电荷（电子，带负电）使T2管的栅极电位下降，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。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。实验内容与步骤一、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。1，2及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）。也可自行设置参数，观测参数设置对输出的影响，加深对实验原理的理解。表1 曝光时间，驱动周期，照明情况对输出的影响 起始时间0，照度约1Lx结束时间(ms)曝光时间(ms)驱动周期(ms)灰度板位置CCD输出电压图形对输出的说明220.8420.8420.8440.8441.6443.2883.2说明：上表中的初始照度和曝光时间需根据每个CCD的自身特性参数进行设置，上表设置参数只为示例。附录：对表1输出波形的说明 起始时间0，照度约1Lx结束时间(ms)曝光时间(ms)驱动周期(ms)灰度板位置CCD输出电压图形对输出的说明220.8曝光时间等于显示时间，显示1幅完整图形。各光敏单元输出电压幅度与透过灰度板的照度成正比。由于显示时间大于驱动周期的2088倍，有效信号传送完后有一段时间传送空信号。420.8由于显示时间是曝光时间的2倍，显示的是2幅图形。横坐标（时间轴）上每格对应的时间是结束时间为2ms时的2倍。420.8挡光片位置改变，光敏单元照明情况改变，输出也随之改变440.8曝光时间延长，输出电压也随之增加。由于驱动周期未变，只需1.67ms就将所有信号传送到输出端