CCD圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device）全稱為電荷耦合器件，是70年代發(fā)展起來的新型半導體器件。它是在MOS集成電路技術基礎上發(fā)展起來的，為半導體技術應用開拓了新的領域。它具有光電轉換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ?，具有集成度高、功耗小、結構簡單、壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，故在固體圖像傳感器、信息存貯和處理等方面得到了廣泛的應用。CCD圖像傳感器能實現(xiàn)信息的獲取、轉換和視覺功能的擴展，能給出直觀、真實、多層次的內容豐富的可視圖像信息，被廣泛應用于軍事、天文、醫(yī)療、廣播、電視、傳真通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。實驗室用的數(shù)碼相機、光學多道分析器等儀器，都用了CCD作圖象探測元件。一個完整的CCD器件由光敏單元、轉移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCD工作時，在設定的積分時間內由光敏單元對光信號進行取樣，將光的強弱轉換為各光敏單元的電荷多少。取樣結束后各光敏元電荷由轉移柵轉移到移位寄存器的相應單元中。移位寄存器在驅動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉移到輸出端。將輸出信號接到示波器、圖象顯示器或其它信號存儲、處理設備中，就可對信號再現(xiàn)或進行存儲處理。由于CCD光敏元可做得很?。s10um），所以它的圖象分辨率很高。一CCD的MOS結構及存貯電荷原理CCD的基本單元是MOS電容器，這種電容器能存貯電荷，其結構如圖1所示。以P型硅為例，在P型硅襯底上通過氧化在表面形成SiO2層，然后在SiO2 上淀積一層金屬為柵極，P型硅里的多數(shù)載流子是帶正電荷的空穴，少數(shù)載流子是帶負電荷的電子，當金屬電極上施加正電壓時，其電場能夠透過SiO2絕緣層對這些載流子進行排斥或吸引。于是帶正電的空穴被排斥到遠離電極處，剩下的帶負電的少數(shù)載流子在緊靠SiO2層形成負電荷層（耗盡層），電子一旦進入由于電場作用就不能復出，故又稱為電子勢阱。當器件受到光照時（光可從各電極的縫隙間經過SiO2層射入，或經襯底的薄P型硅射入），光子的能量被半導體吸收，產生電子-空穴對，這時出現(xiàn)的電子被吸引存貯在勢阱中，這些電子是可以傳導的。光越強，勢阱中收集的電子越多，光弱則反之，這樣就把光的強弱變成電荷的數(shù)量，實現(xiàn)了光與電的轉換，而勢阱中收集的電子處于存貯狀態(tài)，即使停止光照一定時間內也不會損失，這就實現(xiàn)了對光照的記憶。金屬氧化物少數(shù)載流子耗盡區(qū)PSi（a）電子靜電位能表面勢信號電荷勢阱（b）圖1 CCD結構和工作原理圖(a)用作少數(shù)載流子貯存單元的MOS電容器剖面圖 (b)有信號電荷的勢阱，圖上用阱底的液體代表總之，上述結構實質上是個微小的MOS電容，用它構成象素，既可“感光”又可留下“潛影”，感光作用是靠光強產生的電子電荷積累，潛影是各個象素留在各個電容里的電荷不等而形成的，若能設法把各個電容里的電荷依次傳送到輸出端，再組成行和幀并經過“顯影”就實現(xiàn)了圖象的傳遞。二電荷的轉移與傳輸CCD的移位寄存器是一列排列緊密的MOS電容器，它的表面由不透光的鋁層覆蓋，以實現(xiàn)光屏蔽。由上面討論可知，MOS電容器上的電壓愈高，產生的勢阱愈深，當外加電壓一定，勢阱深度隨阱中的電荷量增加而線性減小。利用這一特性，通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來調節(jié)勢阱深淺。制造時將MOS電容緊密排列，使相鄰的MOS電容勢阱相互“溝通”。認為相鄰MOS電容兩電極之間的間隙足夠?。壳肮に嚳勺龅?.2m），在信號電荷自感生電場的庫侖力推動下，就可使信號電荷由淺處流向深處，實現(xiàn)信號電荷轉移。為了保證信號電荷按確定路線轉移，通常MOS電容陣列柵極上所加電壓脈沖為嚴格滿足相位要求的二相、三相或四相系統(tǒng)的時鐘脈沖。下面我們分別介紹三相和二相CCD結構及工作原理。1.三相CCD傳輸原理簡單的三相CCD結構如圖2所示。每一級也叫一個像元，有三個相鄰電極，每隔兩個電極的所有電極（如1、4、7，2、5、8，3、6、9）都接在一起，由3個相位相差1200 的時鐘脈沖1、2、3來驅動，故稱三相CCD，圖2（a）為斷面圖；圖（b）為俯視圖；圖（d）給出了三相時鐘之間的變化。在時刻t1,第一相時鐘1處于高電壓，2、3處于低壓。這時第一組電極1、4、7下面形成深勢阱，在這些勢阱中可以貯存信號電荷形成“電荷包”，如圖（c）所示。在t2時刻1電壓線性減少，2為高電壓，在第一組電極下的勢阱變淺，而第二組（2、5、8）電極下形成深勢阱，信息電荷從第一組電極下面向第二組轉移，直到t3時刻，2為高壓，1、3為低壓，信息電荷全部轉移到第二組電極下面。重復上述類似過程，信息電荷可從2轉移到3，然后從3轉移到1電極下的勢阱中，當三相時鐘電壓循環(huán)一個時鐘周期時，電荷包向右轉移一級（一個像元），依次類推，信號電荷一直由電極1、2、3N向右移，直到輸出。圖2 三相CCD傳輸原理圖 (a)(b)t1t2t3(c)(d)t1 t2 t3 t42二相CCD傳輸原理 CCD中的電荷定向轉移是靠勢阱的非對稱性實現(xiàn)的.在三相CCD 中是靠時鐘脈沖的時序控制,來形成非對稱勢阱.但采用不對稱的電極結構也可以引進不對稱勢勢阱,從而變成二相驅動的CCD.目前實用CCD中多采用二相結構.實現(xiàn)二相驅動的方案有: 階梯氧化層電極 階梯氧化層電極結構參見圖3。由圖可見,此結構中將一個電極分成二部分,其左邊部分電極下的氧化層比右邊的厚,則在同一電壓下,左邊電極下的位阱淺,自動起到了阻擋信號倒流的作用. 設置勢壘注入區(qū)(圖4) 對于給定的柵壓, 位阱深度是摻雜濃度的函數(shù).摻雜濃度高,則位阱淺.采用離子注入技術使轉移電極前沿下襯底濃度高于別處，則該處位阱就較淺,任何電荷包都將只向位阱的后沿方向移動。 （a）結構示意； (b)驅動脈沖 圖3采用階梯氧化層電極形成的二相結構 圖4采用勢壘注入區(qū)形成二相結構三電荷讀出方法 CCD的信號電荷讀出方法有兩種:輸出二極管電流法和浮置柵MOS放大器電壓法.2 3 1 2 3 OGURLP Si(a)3 OG RSiO2浮置擴散結P SiRDRDURRODAOGlokRLOSODUOMOS輸出管（b）U0 I0OS圖5電荷讀出方法（a）輸出二極管電流法 (b)浮置柵MOS放大器電壓法 (c)輸出級原理電路SiO2 圖5(a)是在線列陣未端襯底上擴散形成輸出二極管,當二極管加反向偏置時,在PN結區(qū)產生耗盡層。當信號電荷通過輸出柵OG轉移到二極管耗盡區(qū)時,將作為二極管的少數(shù)載流子而形成反向電流輸出。輸出電流的大小與信息電荷大小成正比,并通過負載電阻RL變?yōu)樾盘栯妷篣0輸出. 圖5(b)是一種浮置柵MOS放大器讀取信息電荷的方法.MOS放大器實際是一個源極跟隨器,其柵極由浮置擴散結收集到的信號電荷控制,所以源極輸出隨信號電荷變化.為了接收下一個“電荷包”的到來,必須將浮置柵的電壓恢復到初始狀態(tài),故在MOS輸出管柵極上加一個MOS復位管。在復位管柵極上加復位脈沖R,使復位管開啟,將信號電荷抽走,使浮置擴散結復位.圖5(c)為輸出級原理電路,由于采用硅柵工藝制作浮置柵輸出管,可使柵極等效電容C很小。如果電荷包的電荷為Q,A點等效電容為C,輸出電壓為U0，A點的電位變化U=,因而可以得到比較大的輸出信號,起到放大器的作用,稱為浮置柵MOS放大器電壓法。實驗儀器簡介:一、CCD多功能實驗儀 CCD多功能實驗儀外形如圖6所示。它的核心是一塊TCD 1206UD CCD芯片，配以外圍電路，以產生使 CCD正常工作所需的各路驅動脈沖。儀器內部已連接好，儀器面板的右部是各路脈沖的外接線柱，方便學生對這些脈沖進行測試。面板上的積分時間設置有116檔，顯示窗顯示數(shù)字大于16的設置無效。頻率設置為03檔。為減少因誤操作而引起的CCD器件損壞，儀器左前方有一個CCD上電接鈕，打開實驗儀開關時CCD上電按鈕是不亮的，此時CCD沒有接通電源，可以通過CCD實驗儀上面的接線柱測量CCD的各路驅動脈沖。按動CCD上電按鈕使之變亮，則CCD電源接通，可觀測CCD的輸出信號。實驗儀后部有一個DB9數(shù)據接口，可將CCD的輸出信號與同步脈沖與其它數(shù)據處理設備連接。圖6 CCD多功能實驗儀外形圖圖7為TCD 1206UD的結構示意圖，它為一雙通道二相驅動的線陣CCD器件，共有2160個光敏元。奇數(shù)光敏元與其中一列移位寄存器相連，偶數(shù)光敏元與另一列移位寄存器相連。移位寄存器的像元數(shù)量與光敏光相同，相鄰像元中的一個與光敏元相連，并接脈沖，另一個不直接與光敏元連接，接脈沖，如圖4所示。 圖8為各路脈沖的波形圖。 SH信號加在轉移柵上。當SH為高電平時，正值1為高電平。移位寄存器中的所有1電極下均形成深勢阱，同時SH的高電平使光敏元MOS電容存儲勢阱與1電極下的深勢阱溝通，光敏MOS電容中的信號電荷包迅速向上下兩列移位寄存器中與1連接的MOS電容轉移。SH為低電平時，光敏元與移位寄存器的連接中斷，此時光敏元在外界光照作用下產生與光照對應的電荷，而移位寄存器中的信號電荷在12時鐘脈沖作用下由右向左轉移，在輸出端將上下兩列信號按原光敏元采集的順序合為一列后，由輸出端輸出。光敏元元圖7 TCD1206UD結構示意圖（補償輸出）電源 由于結構上的安排，輸出電路首先輸出13個虛設單元的暗信號，再輸出51個暗信號，接著輸出2160個有效信號，之后再輸出10個暗電流信號，接下去輸出兩個奇偶檢測信號，然后可輸出多余的暗電流信號。由于該器件為雙列并行傳輸?shù)钠骷?，所以在一個SH周期中至少要有1117個1 脈沖，即TSH1117T1。 2脈沖與1脈沖互為反相，即1高電平時2為低電平，1為低電平時2為高電平。 R為復位信號，對于雙通道器件而言，它的周期是12的一半，即在一個12脈沖周期內有兩個R脈沖，且R的下降沿稍超前12的變化前沿。 SP為像元同步脈沖，C為行同步脈沖，用作CCD與其它信號存儲、處理設備連接時作同步信號。U0為輸出信號。 圖8 各路脈沖波形圖二、TDS210數(shù)字示波器的使用1.數(shù)字示波器的面板圖如圖9（液晶顯示屏位于面板的左邊未畫）2.數(shù)字示波器TDS210的特點（1） 操作簡單對于一般周期性的波形，通過按“自動設置”便可以看到波形?！白詣釉O置”的作用在于合理地設置觸發(fā)電平（“釋抑電平”）、電壓衰減系數(shù)（“V/格”）和時基信號（“秒/格”）。（2） 可以測量波形的多種參數(shù) 可以測量周期、頻率、電壓平均值、電壓峰-峰值、電壓均方根值、波形上升時間、波形下降時間、正頻寬和負頻寬。（3） 具有自動計算功能作為數(shù)字式的儀表，它具有計算的功能，能夠將結果顯示出來，對待測量不需要作進一步的計算，比如測量頻率，只需要設置為測量頻率，然后從數(shù)字示波器的屏幕上讀出頻率的數(shù)字即可。（4） 具有存儲功能數(shù)字示波器通過將模擬信號數(shù)字化，然后存儲在示波器的存儲單元中。數(shù)字示波器不斷地采集外部輸入的模擬信號，然后不斷地更新存儲器中的數(shù)據，按“運行/停止”鍵可以“重新/暫?！睌?shù)據的采集。通過單次觸發(fā)，可以采集外部的脈沖信號，比如開關的閉合所引起的電路脈沖。利用存儲在示波器中的數(shù)據，顯示的靜止圖象，有利于測量不太穩(wěn)定的信號。存儲/調出外 部觸 發(fā)觸發(fā)源觀 察測量采集輔助功能光標顯示圖9 數(shù)字示波器的面板圖（5） 可以測量波形兩點間的電壓差和時間差通過光標功能可以測量波形的兩點間的電壓差，對于測量非周期信號很有用處；可以測量波的兩點之間的時間差，用于非對稱信號的測量和位相差的測量。 注：詳細介紹請參看實驗書的“數(shù)字示波器”3.操作提示(1) 由于本實驗室使用的信號輸入同軸電纜線沒有衰減，因此需要確認示波器的衰減設置是否為1。按CH1鍵，在出現(xiàn)的菜單中將探頭設置為1x；同樣按CH2鍵，在出現(xiàn)的菜單中將探頭設置為1x。（2）信號輸入同軸電纜線的黑表筆連接到CCD的接地端（GND）。特別是在兩路輸入（雙蹤使用）時，一定要將兩路信號輸入同軸電纜線的黑表筆接到同一位置（GND），這主要是因為示波器的兩路輸入的黑表筆在示波器內部是公共接地的，如不注意可能會導致短路而損壞CCD實驗儀器。（3）按MEASURE按鍵，設置待測物理量此時在面板左邊出現(xiàn)五個菜單。按“測量內容選擇”使之處于“信源”位置，然后通過“測量內容1測量內容4”按鍵分別設置測量那路輸入（ch1或ch2）；按“測量內容選擇”使之處于“類型”位置，然后可以通過“測量內容1測量內容4”按鍵分別設置測量那些物理量，這些物理量包括周期、頻率、電壓平均值、電壓峰-峰值、電壓均方根值、波形上升時間、波形下降時間、正頻寬和負頻寬等，在CCD實驗中一般設置為測量周期（或頻率）和電壓。然后按一下“自動設置”，則相應的測量數(shù)值便顯示在對應的“測量內容”位置。一次可以同時測量4個物理量。（4）測量波型豎直方向的電壓差或水平方向波的時間差，可以使用光標“CURSOR”鍵。按“CURSOR”，通過“測量內容選擇”按鍵選擇測量電壓或時間（頻率），然后將“光標1”和“光標2”分別移動到待測的兩位置，此時“測量內容3”顯示“光標1”的坐標數(shù)值，“測量內容4”顯示“光標2”的坐標數(shù)值，“測量內容2”顯示兩坐標的差值，豎直方向的差值為電壓，水平方向的差值為時間（系統(tǒng)將它認為是周期，因而同時將它轉化為頻率）。（5）如果測量時波形發(fā)生變化，以至于屏幕上顯示波形不夠一個周期時，則此時頻率和周期無法測量；如果在屏幕上不能顯示波形的上下峰位置，則電壓測量是錯誤的。在這種情況下，如果頻率比較高，按一下“自動設置”便可以。對于按一下“自動設置”還是不出現(xiàn)周期波形的，只能根據波形的大致電壓和周期通過調節(jié)“伏/格”和“秒/格”使波形穩(wěn)定顯示。（6）希望當前的波形靜止下來觀察，請按“運行/停止”鍵。注意事項: 1CCD實驗儀及示波器均屬易損貴重儀器，同學們一定要在搞清原理的基礎上使用。切忌亂扳亂動，切忌粗暴操作，一旦發(fā)生意外事故或出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時，應立即切斷電源，并向指導老師報告，故障排除后才可繼續(xù)實驗。 2作測量內容1時，CCD左邊電源不要打開，CCD上電接鈕指示燈應不亮。 3關閉CCD實驗儀電源后，要隔3分鐘才能再開機，否則工作狀態(tài)不正常。 4CCD有一定的線性工作范圍，光照太強或積分時間過長，超過了CCD的正常工作范圍，CCD光敏元產生的信號電荷過多，會產生“溢出”，此時即使轉移柵沒打開，信號電荷也會向移位寄存器轉移，使輸出不正常，使用中應避免這一情況。附錄 半導體的基本知識一、什么是半導體？在日常生活和生產實踐中，大家都知道，銀、銅、鋁、鐵等金屬材料是很容易導電的，叫做導體；而塑料、陶瓷、橡皮、石英玻璃等卻很不容易導電，盡管加很高的電壓，仍然基本上沒有電流，通常稱為電的絕緣體。半導體的導電性能則介于導體和絕緣體之間。為什么會出現(xiàn)有的物質容易導電，有的物質不容易導電這種現(xiàn)象呢？根本原因在于事物內部的特性，在于物質內部原子與原子結合的方式以及原子本身的結構，看其內部運載電荷的粒子（叫做載流子）的多少和運動速度的快慢。我們知道原子是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的，電子分幾層圍繞原子核作不停的運動。比較起來，金屬材料的外層電子受原子核的束縛力最小，因此有大量電子能夠掙脫原子核的束縛而成為自由電子。這些自由電子就成為運載電荷的載流子，它們在外電場的作用下作定向運動而形成電流。所以金屬的導電性能良好。絕緣材料中，原子的外層電子受原子核的束縛力很大，很不容易掙脫出來，因此形成自由電子的機會非常小。絕緣材料原子結構的這一特點決定了它的導電性能很差。半導體材料的原子結構比較特殊，其外層電子既不象導體那樣容易掙脫，也不象絕緣體那樣束縛很緊，這就決定了它的導電特性介于導體和絕緣體之間。二、半導體中的另一種載流子空穴在半導體中不僅有電子這樣的載流子，而且還有另一種載流子空穴。那么什么叫空穴呢？首先讓我們來看半導體材料硅和鍺的原子結構，如圖1所示。它們的特點是最外層的電子都是四個。通常，原子的外層電子叫做價電子，有幾個價電子就叫幾價元素，所以硅和鍺都是四價元素。圖1當硅、鍺等半導體材料制成單晶體時，其原子排列就由雜亂無章的狀態(tài)變成了非常整齊的狀態(tài)。其中，原子之間的距離都是相等的，約為2.35104微米。每個原子最外層的四個電子，不僅受自身原子核的束縛，而且還與周圍相鄰的四個原子發(fā)生聯(lián)系。這時，每兩個相鄰的原子之間都共有一對電子。電子對中的任何一個電子，一方面圍繞自身原子核運動，另一方面也時常出現(xiàn)在相鄰的原子所屬的軌道上，這樣的組合叫做共價鍵結構，如圖2(a)中所示。（a）硅單晶共價鍵結構 (b)熱運動產生的電子空穴對圖1由原子理論和實踐可以知道，每個原子的外層有八個電子屬于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，但是硅、鍺的共價鍵結構的特點是它們的外層共有電子所受到的束縛力并不象在絕緣體里那樣緊，在一定的溫度下，由于熱運動，其中少數(shù)電子還是可能掙脫束縛而成為自由電子，形成為電子載流子。值得注意的是，共有電子在掙脫束縛成為自由電子后，同時留下了一個空位，見圖2（b）。有了這樣一個空位，附近的共有電子就很容易來進行填補，從而形成共有電子的運動。這種運動，無論是效果上還是現(xiàn)象上，都好象一個帶正電荷的空位子在移動。為了區(qū)別于自由電子的運動，就把這種運動叫做“空穴”運動，空位子叫做“空穴”。打個通俗的比方，好比大家坐在一起看節(jié)目，如果前面走了人出現(xiàn)一個空位，后面的人遞補空位向前坐，看起來就好象是空位子在向后運動一樣。顯然，這種空位的移動同沒有座位的人到處走動不一樣，后者好比是自由電子的運動，而有座位的人依次遞補空位的走動則好比是空穴運動。由此可見，空穴也是一種載流子。當半導體處于外加電壓作用之下，通過它的電流可以看作是由兩部分組成：一部分是自由電子進行定向運動所形成的電子電流，另一部分是共有電子遞補空穴所形成的空穴電流。它們的區(qū)別是，電子電流是帶負電的電子的定向運動，而空穴（由于它的運動方向和電子相反）電流是帶正電的空穴的定向運動。所以，在半導體中，不僅有電子載流子，而且還有空穴載流子，這是半導體導電的一個重要特性。由于物質總是在不停地運動著，這就使得半導體里因為熱運動而不斷產生自由電子，同時則出現(xiàn)相應數(shù)量的空穴。因此，電子和空穴總是相伴而生、成對出現(xiàn)的，我們稱之為電子-空穴對。另一方面，自由電子在運動中又會與空穴重新結合而消失，這是一種相反的過程，我們叫做復合。電子-空穴對又產生，又復合，這就是半導體里不斷進行著的一對矛盾。在一定溫度條件下，這對矛盾可以實現(xiàn)相對的平衡，這時，產生和復合的過程雖然仍在繼續(xù)不斷地進行，但電子-空穴對卻始終維持一定的數(shù)目。三、P型和N型半導體上面分析的是純單晶半導體，在這種半導體里，雖然多了一種空穴載流子，但是，載流子的總數(shù)離開實際應用的要求，也就是從具有良好導電能力的要求來看，還相差很遠，所以其本身用處不大。半導體技術之所以能夠這樣迅速地發(fā)展，主要是由于人們能夠精確地控制半導體的電學特性，而所用的方法就是在純單晶半導體中摻入有用的雜質，使其導電特性得到很大的改善，因而獲得了重要的用途。例如，硅單晶中摻入少量的硼，就使半導體中空穴載流子的數(shù)目劇增，導電特性大為加強。這是什么道理呢？讓我們來觀察圖3（a），它是摻入的硼原子與硅原子組成共價鍵結構的示意圖。由于硼原子數(shù)目比硅原子要少得多，因此整個晶體結構基本不變，只是某些位置上的硅原子被硼原子所代替了。我們知道，硼是三價元素，即外層只有三個電子，所以當它與硅原子組成共價鍵時，就自然形成了一個空穴。這樣，摻入的硼雜質的每一個原子都可能提供一個空穴，從而使硅單晶中空穴載流子的數(shù)目大大增加。這種半導體內幾乎沒有自由電子，主要靠空穴導電，所以叫做空穴半導體，簡稱P型半導體。如果硅單晶中摻入的是磷、銻等五價元素，那么情況就又不一樣了。硅原子和磷原子組成共價鍵之后，磷外層的五個電子中，四個電子組成共價鍵，多出的一個電子受原子核束縛很小，因此很容易成為自由電子。所以，這種半導體，電子載流子的數(shù)目很多，主要靠電子導電，叫做電子半導體，簡稱N型半導體，如圖3（b）所示。(a)硅中摻硼形成空穴（P型） (b) 硅中摻磷形成電子（N）型圖3實際上，半導體中經常是既有P型雜質，又有N型雜質，那種雜質的濃度大，就由那種雜質決定其導電類型。比如，在硅中先摻入磷，成為N型硅，然后再摻入硼，那么當硼的濃度大大超過磷時，N型硅就轉化成了P型硅，使原子的自由電子絕大部分與空穴復合，剩下的自由電子數(shù)目就變得很少了。總結這一節(jié)可以得出結論：決定半導體導電特性的，不僅有電子導電，而且還有空穴導電。在純單晶中，摻入有用的雜質，可使半導體的導電特性大增強，由此獲得所需要的P型半導體和N型半導體，作為各種半導體器件的基本組成部分。