CCD特性实验

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
【实验内容】
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。 φ1，φ2 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。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。
特性曲线线性段的斜率， 即为 CCD 的响应度或称灵敏度 （V/Lx·s） ， 它表征曝光量改变时输出电压的改变程度。 特性曲线的拐点对应的输出电压 VS 为饱和输出电压，即 CCD 输出的最大电压。 拐点对应的曝光量称为饱和曝光量，CCD 使用时必须保证最大曝光量低于饱和曝光量，否则会导致信号严重 失真。 特性曲线的起始点对应的电压 VD 为暗信号电压，即一定曝光时间下，无光照时的输出电压。一只良好的 CCD 传感器，应具有高的响应度和低的暗信号输出。 按表 2 数据设置参数， 用减光镜和柔光镜调整照度(通常可设置为 0.2～1.5Lx 之间， 如果外界环境光线较暗， 可适当增加照度值或增加外界光照强度，其他实验也可以采用类似处理方法),并记录测量到的照度值。在不同曝 光时间时点击启动按钮，可观察到由于噪声的影响，各单元的输出值在小范围内波动。点击停止后，用鼠标横线 对准各输出单元的输出平均值，屏幕下方将会显示横线对应的电压值，将测量到的输出电压数据记录于表 2 中。 用表 2 数据作图，并由图计算出 CCD 的灵敏度，饱和输出电压，饱和曝光量。 2．暗信号电压，暗噪声，动态范围，像敏单元不均匀度： 暗信号电压是由于积分暗电流，以及时钟脉冲通过寄生电容耦合等因素产生。暗电流的存在，限制了 CCD 的 曝光（积分）时间。实验中，通过改变 CCD 的曝光时间，观测暗信号输出幅度的变化以及噪声大小。一般手册上 给出的暗信号电压，是在 10ms 的曝光时间下测量得到。 暗电流与温度密切相关，温度每升高 7 度，暗电流约增加 1 倍，当需要用 CCD 探测微弱信号时，将 CCD 制冷， 能大大延长积分时间。 暗信号一般是不均匀的，存在着热噪声，转移噪声等各种噪声因素，暗噪声定义为暗信号电压平均值与最大 值之间的差值。 动态范围一般定义为饱和输出电压与暗信号电压的比值。由于暗信号电压与曝光时间有关，因此曝光时间越 短，动态范围越大。动态范围决定了 CCD 在不失真状态下能探测的最强与最弱信号的比值，在光谱测量等应用领 域中，为了测量出较弱的谱线，就需选用动态范围大的 CCD。 CCD 的各个像元在均匀光照下，有可能输出不相等的信号电压。这是由于材料的不均匀性以及工艺条件，制 造误差等因素导致的。 像敏单元不均匀度 NU 值是使 CCD 在均匀白光照射下，使其输出电压等于 1/2 饱和输出电压时测量得到，定 义为U/U，U 为输出电压的平均值，U 为输出电压平均值与最大值之间的差值。实用的 CCD 不均匀度应在 10％以 下。 用不透光材料遮盖 CCD 窗口，在不同的曝光（积分）时间测量暗信号及暗噪声电压，记录于表 3 中。 用均匀白光照明，用减光镜调整 CCD 的照度，使曝光时间 10ms 时的输出电压约为饱和输出电压的一半，测 量输出电压的平均值 U 及输出电压平均值与最大值之间的差值U，记录于表 3 中。 用饱和输出电压除以 10ms 时的暗信号电压，计算 CCD 的动态范围。 用表 3 中测量的 U 及U，计算 CCD 的像敏单元不均匀度。
电源
光敏单元
（补偿输出）
图1
CCD 结构示意图
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。
图 5 采用阶梯氧化层电极形成的二相结构
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，φ2 脉冲变为低电平，信号电荷从φ2 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。
(a) t1 t2 t3 (c) 图4 t1 t2 t3 t4 三相
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。
Al Al2O3 注入区 SiO2
φ1 φ2 SiO2
（a）
φ1 φ2
（b）
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 由图 6（b）可见，驱动脉冲φ1φ2 反向，当φ1 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φ1 由低电位变为高电位，φ2 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。
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 0.2μm） ，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。下面我们分别介绍三相和二相 CCD 结构及工作原理。
二、CCD 特性参数的测量
影响 CCD 性能的基本参量有：像敏单元数，像元尺寸，响 输出电压（V） 应度，饱和曝光量，饱和输出电压，暗信号电压，动态范围， V S 像敏单元不均匀度，驱动频率，传输效率，光谱响应范围，功 率损耗等。这些参量，有的完全由 CCD 的材料及制造工艺确定， 如像元数，像元尺寸，光谱响应范围等。有的与使用条件，外 围电路与信号处理电路的参数，光学系统的优劣有关系，可用 实验的方法测量。 VD 在实验项目中选择实验 2， 屏幕上将显示输出电压， 不再显 曝光量（Lx · s） 示驱动信号。 图 11 CCD 的光电转换特性 1、CCD 的光电转换特性： 光电转换特性是 CCD 最基本的特性。实验中，改变 CCD 的曝光量（照度与曝光时间的乘积） ，测量相应的输 出电压，以曝光量为横轴，输出电压为纵轴，就可作出 CCD 的光电转换特性曲线。
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。