CCD 驱动信号与传输性能的实验

CCD驱动信号与传输性能的实验 刘文军

CCD （Charged Coupled Device）全称电荷耦合器件，它是用于存储和传输信息的新型半导体器件， • 它在工业、军事、科学研究、生活等方面有广泛的应用，如光学测量、遥感测量、图像制导、图像识别、数码摄影等。

1969年，ccd由美国贝尔实验室的W.S.Boyle与G.E.Smith发明，2009年获诺贝尔物理奖。1969年，ccd由美国贝尔实验室的W.S.Boyle与G.E.Smith发明，2009年获诺贝尔物理奖。

实验目的 • 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。 • 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 • 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。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结构示意图

CCD的MOS结构及存贮电荷原理

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。 • 当相邻MOS电容两电极之间的间隙足够小（目前工艺可做到0.2μm），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。

二相CCD传输原理 • CCD中的电荷定向转移是靠势阱的非对称性实现的。采用阶梯氧化层电极形成的二相结构

二相CCD传输原理 低电位采用势垒注入区形成二相结构（a）结构示意； (b)驱动脉冲高电位

电荷读出方法

实验内容、步骤 • 选择实验1后计算机界面如图10所示。 • 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。 • 由屏幕上半部显示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。

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。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φ1为高电平。移位寄存器中的所有φ1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φ1电极下的深势阱沟通，光敏单元向φ1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。 • 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。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设置实验条件和灰度板位置，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）。在做完表1内容后，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

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。

CCD 驱动信号与 传输性能的实验