线阵CCD原理及应用报告

线阵CCD一、概述电荷耦合器件(CCD,ChargeCoupledDevice)是一种以电荷包的形式存储和传递信息的半导体器件，它是由美国贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith在1970年前后发明的。它经历了以研究为主的发展阶段，在五年左右的时间内，建立了以一维空阱模型为基础的CCD基本理论，这个理论与实验结果大致相符，并满足了指导器件进一步发展的需要。与此同时，依靠成熟的MOS集成电路工艺，CCD迅速从实验室走向了市场。CCD在影像传感、信号处理和数字存储等三大领域中的广泛应用，充分显示出它的巨大潜力，在微电子学技术中独树一帜。CCD已被普遍认为是七十年代以来出现的最重要的半导体器件之一。和同样功能的电真空器件相比，CCD作为一种自扫描式光电接收器件，它有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点。因此它在科研、教育、医学、商业、工业、军事及消费等诸多领域都得到了广泛应用，已经成为图像采集及数字化处理必不可少的器件。信息时代离不开语言、文字、图像的实时获取与交流。如果把多媒体、各种网络和信息高速公路作为一个整体，那么CCD是它们的眼睛，是全球实时信息技术的关键器件。当前我们的CCD生产技术相对较弱，也缺乏一种完善的测试、评价CCD性能的系统。而CCD的种类越来越多，应用越来越广，如何正确地选择和使用CCD是我们所要面对的问题。根据我们的调查，还没有发现国内关于如何测试和评价CCD性能方面的研究结果。二、发展状况CCD图像传感器经过30多年的发展目前己经成熟。从最初简单的8像元移位寄存器发展至今，己经具有数百万甚至数千万像元。CCD技术及相关的测试技术也有了巨大的改进。最早出现的CCD为表面沟道型。该表面构造可在Si-SiO2界面附近产生阻碍电荷运输的“陷阱”，从而降低了电荷传输效率。为避免表面“陷阱”效应，表面沟道型结构改进为埋道型结构,即用离子掺杂的方式在SiO2层下加入N型薄层。据此提高了电荷传输效率，提升了对应工作频率以及消除了由于电荷传输与表面态“陷阱”间互相作用而产生的噪声。从而提高了CCD的光响应线性度、降低了器件噪声。埋道型CCD的最大电荷贮存量较小。在CCD阵列中，当单个CCD像元检测容量达到饱和后,额外的电荷将以所谓的电荷溢出过程向邻近CCD像元溢出，从而干扰了邻近像元的信号。为减轻单个CCD像元电荷溢出，一般采用了抗溢出结构，如采用抗溢出沟道设计，使溢出电子流入边槽而不溢入其他像元。一般CCD在紫外区的量子效率较低。这是由于CCD表面多晶硅电极吸收了紫外光所致，目前已采用了三种增加光谱响应度的办法:一是将整个CCD器件减薄到约10um厚，并从背面照射器件以便使入射辐射不通过器件前面的叠置栅结构。二是用荧光材料对器件表面进行涂敷，使短波段的光子被涂层中荧光物质吸收后在可见光波段被重新发射。三是采用有效的相位技术，用离子扩散面代替多硅栅来维持所需势阱。目前已有许多技术用以降低CCD的读出噪声和提高读出速度，如采用重新分级读出模式。重新分级是在传输所有电荷之前将包含在检测器中多路像素内的电荷进行整合的过程。检测器象素中重新分级的电荷以单一读出方式被检测因而只有仅与一次读出相关的噪声。同时，也提高了读出速度。另外，还利用了双沟道设计使CCD两边同时读出信号，提高了读出速度。三、线阵CCD的结构和工作原理1、线阵CCD的基本结构CCD的特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压作为信号。CCD以电荷包的形式储存和传送信息，主要由光敏单元、输入结构和输出结构等部份组成。CCD有两种基本类型：一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面,并沿着界面传输，这种类型器件称为表面沟道CCD，简称SCCD(suarfeeChargeCoPueldDveiee)；另一种是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿着一定方向传输,这类器件称为沟道或埋沟道器件，简称BCCD(BodyChargeCoupledDveiee)。下面以SCCD为例，介绍CCD的基本工作原理。线阵CCD的典型结构如图1所示。图1典型线阵CCD器件结构主体部分，即信号电荷转移部分，实际上是一串紧密排布的MOS电容器，它的作用是存储信号电荷，并且使这些电荷在时钟的作用下有规律地转移。输入部分，包括一个输入二极管和一个输入栅，它的作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。输出部分，包括一个输出二极管和一个输出栅，它的作用在于将CCD最后一个转移栅下的势阱中的信号电荷引出，并检出电荷所携带的光信息。2、线阵CCD的工作原理2.1、光电转换及存储线阵CCD是由许多光敏像元组成的，每个像元就是一个MOS电容器，如图2所示。它是在P型Si衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度约1000埃~1500埃的SiO2，再在表面镀一层金属，在衬底和金属电极间施加偏置电压，就构成了一个MOS电容器。当光投射到MOS电容上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带，如图3所示。光子进入衬底时产生的电子跃迁，形成电子一空穴对，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。这些光生电荷将储存在由电极形成的“势阱”中。图2MOS电容器图3电子能带跃迁图2.2、电荷的转移CCD器件中存储在势阱中的电荷包，能随栅极电压的变化作定向移动。当相邻电极的压差以及它们间的距离满足一定的要求时，电荷就能顺利地由浅势阱转移到深势阱。通常是将频率、波形相同,并且彼此间相位保持固定关系的多相时钟脉冲分组依次加在CCD的电极上，使电极上的电压按一定的规律变化，在半导体表面形成一系列分布不对称的势阱，使得电荷包沿着势阱的移动方向作定向连续移动，这就是所谓多相时钟驱动法。其中包括两相时钟驱动、三相时钟驱动和四相时钟驱动等。图4，示出了一个三相CCD中电荷自一个栅极下面转移至相邻栅极下面的过程。图4三相CCD中电荷转移过程假设电荷最初存储在电极②下面的势阱中，如图4（a）所示。加在CCD所有电极上的电压应大于开启电压Vth，Vth=2V。显然，电极②下面的势阱最深，如果逐渐将电极③的电压由2V增加到10V，这时②、③两个电极下面的势阱具有同样的深度，并合并在一起，原先存储在电极②下面的电荷，就在两个电极下面均匀分布，如图4(b)所示，然后，再逐渐将电极②的电压降到2V，使其势阱深度降低，如图4(c)所示，这时电荷全部转移到电极③下面的势阱中，此过程就是电荷从电极②到电极③的转移过程。在实际的线阵CCD中，我们将其电极1、4、7……并联加时钟脉冲Φ1，将电极2、5、8……并联加时钟脉冲Φ2，将电极3、6、9……并联加时钟脉冲Φ3，如图4(d)所示，即可完成电荷从左向右转移的过程。2.3、电荷的输出CCD电荷的读出多采用选通电荷积分器结构,以三相CCD为例，其电荷读出原理如图5所示。图5CCD输出电路结构与输出信号波形信号电荷包在外加驱动脉冲的作用下，在CCD移位寄存器中按顺序传送到输出级。当电荷包进入最后一个势阱中时，复位脉冲FR为正,场效应管T1导通，输出二级管D处于很强的反向偏置之下，其结电容C被充电到一个固定的直流电平Vcc上，源极跟随器T2的输出电平Vos被复位到一个固定的且略低于Vcc的正电平上，此电平称为复位电平。当FR正脉冲结束后,T1管截止，由于T1管存在一定的漏电流，这漏电流在T1管上产生一个小的压降，使输出电压有一个下跳，其下跳值称为馈通电压。当FR为正，F3也处于高电位时，信号电荷被转移到F3势阱中，由于VOG是一个比F3低的正电压,因此信号电荷仍被保存在F3势阱中，随着FR正脉冲结束，并变得低于VOG时，信号电荷进入电容C后，立即使A点电位下降到一个与信号电荷量成比的电位上，即信号电荷越多，A点电位下降越多。与此相应，T2管输出电平Vos也跟随下降，其下降幅度才是真正的信号电压,如图5（b）所示。四、TCD132D的使用4.1、TCD132D的结构TCD132D的结构如图6所示。它的光敏阵列共有1091个光电二极管，其中前面64个和后面3个用作暗电流检测而被遮蔽，用Dn表示，中间的1024个光电二极管为有效的光敏单元，用Sn表示。每个光敏单元的尺寸为14um*14um，相邻两个光敏单元的中心距为14um。光敏单元的总长度为14.336m。TCD132D内部的CCD驱动电路由脉冲产生电路和CCD驱动器构成。光敏单元两侧是转移栅电极SH，转移栅的两侧为CCD模拟移位寄存器,其信号处理电路由钳位电路、采样保持电路和前置放大电路构成。图6TCDz32D的原理结构图4.2、TCD132D原理图6中，中央是器件的摄像机构或者称摄像区，在摄像区的两侧为CCD移位寄存器，它由一系列的MOS电容器组成。它们对光不敏感,只是接受摄像区转移来的电荷包，把它们逐个移位到信号处理电路中去,最后送到器件外部，摄像区1024个MOS电容器在光照下获得光生载流子形成电荷包。在电荷包转移期间，按奇偶序号分开，分别转移到两侧的移位寄存器中去。当外部电路对ΦM、ΦCCD提供合适的驱动脉冲时，移位寄存器中的电荷包就由右向左移位。在TCD132D内部的CCD驱动电路保证了两个移位寄存器中的电荷包以奇偶序号交替的方式把电荷送到信号处理电路中，以恢复摄像时的次序。TCD132D的驱动脉冲如图7所示。当转移脉冲SH高电平到来时，ΦCCD必须为高电平，而且必须保证SH的下降沿落在ΦCCD的低电平上，这样才能保证光敏区的信号电荷通过转移栅并行地转移到模拟移位寄存器的势阱中。完成信号电荷转移后，SH变为低电平，光敏区势阱与模拟移位寄存器势阱被隔离开。光敏区进入光积分状态，而模拟移位寄存器在ΦCCD和ΦM脉冲的作用下，将转移到模拟移位寄存器的信号电荷向左转移，并经TCD132D内部的信号处理电路由Sout电极输出。图7TCD132D的驱动脉冲波形图当SH由高变低时，Sout端开始输出信号，如图6所示，Suot端首先输出54个虚设单元的信号（所谓虚设单元的信号是没有光电二极管与之对应的CCD模拟移位寄存器的部分），然后输出7个哑元信号（哑元是指被遮蔽的光电二极管与之对应的CCD模拟移位寄存器的部分产生的信号），再输出3个信号（这3个信号因光的斜射而产生电荷信号的输出，但这3个信号不能作为信号电荷来处理），然后才输出S1到S1024的有效像元信号。有效像元信号输出后，再输出3个哑元信号。以后便是空驱动，空驱动的数目可以是任意的，我们可以通过改变空驱动数目来改变CCD的积分时间。4.3、TCD132D的驱动由TCD132D的数据手册可知：（1）引脚图如图8所示；（2）主时钟信号ΦM取典型值2MHz即可；（3）CCD驱动信号ΦCCD是ΦM的4分频，取典型值0.5MHz即可；（4）SH信号的低电平持续时间至少是2182个主时钟周期；（5）Vref取典型值5V，Vad和Vdd取典型值12V，SS为模拟地，Vss为数字地；（6）信号从Sout端口输出，输出至少是2V，典型值为3V；图8TCD132D的引脚图