-
CCD
图像传感器
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。它具有光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命
长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存贮和处理等方面得到了广泛的应用。
CCD
图像传感器能实现信息的获取、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，被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视
、传真通信以
及工业检测和自动控制系统。实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器
，都用了
CCD
作图象探测元件。
<
/p>
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
CC
D
的基本单元是
MOS
电容器，这种电
容器能存贮电荷，其结构如图
1
所示。以
P
型
硅为例，在
P
< br>型硅衬底上通过氧化在表面形成
SiO
2
层，然后在
SiO
2
上淀积一层金属为栅
极，
P
< br>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
SiO
2
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，剩下的带负电的少数载流子在紧靠
SiO
2
层形成负电荷层
（耗尽层）
，电子一旦进入由于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。
当器件受到光照时
（光可从各电极的缝隙间经过
SiO
2
层射入，
或经衬底的薄
P
型硅射
入）
，<
/p>
光子的能量被半导体吸收，
产生电子
-<
/p>
空穴对，
这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，
< br>这些电子是可以传导的。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
< br>弱变成电荷的数量，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止
< br>光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。
金属
氧化物
电
子
少数载流子耗尽区
PSi
静
电
位
能
表
面
势
势阱
（
b
）
信号电荷
（
a
）
图
1
CCD
结构和工作原理图
(a)
用作少数载流子贮存单元的
MOS
电容器剖面图
(b)
有信号电荷的势阱，图上用阱
底的液体代表
总之，上述结构实质上是个微小的
MOS
电容，用它构成象素，既可“感光”又可留下
“潜影”
，感光作用是靠光强产生的电子电荷积累，潜影是各个象素留在各个电容里的电
荷不等而形成的，若能设法把各个电容里的电荷依次传送到输出端，再组成行和帧并经过
“显影”就实现了图象的传递。
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”
。认为相邻
MOS
电容两电极之间的间隙足够小
（目前工艺可做到
0.2
μ
m
）
，在信
号电荷自感生电场的库仑力推动下，<
/p>
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。
1.
三相
CCD
传输原理
简单的三相
CCD
结构如图
< br>2
所示。每一级也叫一个像元，有三个相邻电极，每隔两个
电极的所有电极（如
1
、
4
、
7
??，
2
、
5
、
8
??，
3
、
6
、
9
??）都接在一起，由
3
个相
0
位相差
120
的时钟脉冲
φ
1
、
φ
2
< br>、
φ
3
来驱动，故称三相
CCD
，图
2
（
a
）为断面图；图（
b
）
为俯视图；图（
d
）给出了三相
时钟之间的变化。在时刻
t
1
,
第一相时钟
φ
1
处于
高电压，
φ
2
、
φ
3
处于低压。这时第一组电极
1<
/p>
、
4
、
7
??下面形成深势阱，在这些势阱中可以贮
存信号电荷形成“电荷包”
，如图（
c
）所示。在
t
2
时刻
φ
< br>1
电压线性减少，
φ
2
为高电压，
在第一组电极下的势阱变浅，而第二组（
2
、
5
、
8
??）电极下形成深势阱，信息电荷从
第一组电极下面向第二
组转移，直到
t
3
时刻，
φ
2
为高压，
φ
1
、
φ
3
为低压，信息电荷全部
转移到第二组电极下面。重复上述类似过程，信息电荷可
从
φ
2
转移到
φ
3
，然后从
φ
3
转移
到
φ
1
电极下的势阱中，当三相时钟电压循环一个时钟周期时，电荷包向右转移一级（一
个像元）
，依次类推，信号电荷一直由电极
1
、
2
、
3<
/p>
??
N
向右移，直到输出。
(a)
t
1
t
2
t
3
(c)
t
1
t
2
t
3
t
4
图
2
三相
CCD
传输原理图
(b)
(d)
2
．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<
/p>
.
在三相
CCD
中是靠时钟脉冲的时
序控制
,
来形成
非对称势阱
.
但采用不对称的电极结构也可以引进不对称势势阱
,
从而变成
二相驱动的
CCD.
目前实用
CCD
中多
采用二相结构
.
实现二相驱动的方案有
:
阶梯氧化层电极
阶梯氧化层电极结构参见图
3
。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
,
左边电极下的位阱浅
,
自动起到了阻挡信
号倒流的作用
.
< br>设置势垒注入区
(
图
4)
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。
（
a
）结构示意；
(b)
驱动脉冲
图
3
采用阶梯氧化层电极形成的二相结构
图
4
采用势垒注入区形成二相结构
三．电荷读出方法
CCD<
/p>
的信号电荷读出方法有两种
:
输出二极管
电流法和浮置栅
MOS
放大器电压法
.
图
5(a)
是在线列阵未端衬底上扩散形成输出二极管
,
当二极管加反向偏置时
,
在
PN
结
区产生耗尽层。当信号电荷通过输出栅
OG
转移到二极管耗尽区时
,
将作为二极管的少数载
流子而形成反向电流输出。输出电流的大小与信息电荷大小成正
比
,
并通过负载电阻
R
L
变
为信号电压
U
0
输出
.
φ
2
φ
SiO
2
3
φ
1
φ
2
φ
3
OG
I
0
U
0
R
L
P
Si
U
β
(a)
φ
3
OG
φ
R
RD
SiO
2
浮置扩散结
P
Si
U
R
R
D
OD
φ
R
A
OG
OS
lok
R
L
U
O
OS
MOS
输出管
OD
（
b
）
图
5
电荷读出方法
（
a
）输出二极管电流法
(b)
浮置栅
MOS
放大器电压法
(c)
输出级原理电路
图
5(b)
< br>是一种浮置栅
MOS
放大器读取信息电荷的方法
.MOS
放大器实际是一个源极跟
随器
,
其栅极由浮置扩散结收集到的信号电荷控制
,
所以源极输出随信号电荷变化
.
为了接
收下一个“电荷包”的到来
,
必须将浮
置栅的电压恢复到初始状态
,
故在
MO
S
输出管栅极上
加一个
MOS
复位管。在复位管栅极上加复位脉冲
φ
R
,
使复位管开启
,
将
信号电荷抽走
,
使浮
置扩散结复位
.
图
5(c)
为
输出级原理电路
,
由于采用硅栅工艺制作浮置栅输出管
,
可使栅极等效电容
C
很小。如果电荷包的电荷为
Q,A
点等效电容为
C,
输出电压为
U
0
，
A
点的电位变化△
U
=
－
Q
,
因而
可以得到比较大的输出信号
,
起到放大器的作用
,
称为浮置栅
MOS
放大器电
压法。
C
实验仪器简介
:
< br>一、
CCD
多功能实验仪
CCD
多功能实验仪外形如图
6
所示。它的核心是一块
TCD 1206UD
CCD
芯片，配以
外围电路，以产生使
CCD
正常工作所需的各路驱动脉冲。仪器内部已连接好，仪器
面板
的右部是各路脉冲的外接线柱，方便学生对这些脉冲进行测试。面板上的积分时间设
置有
1
—
16
档，显示窗显示数字大于
16
的设置无效。频率设置为
0
—
3
档。为减少因误
操作而
引起的
CCD
器件损坏，仪器左
前方有一个
CCD
上电接钮，打开实验仪开关时
CCD
上电
按钮是不亮的，此时
CCD
没有接通电源，可以通过
CCD
实验仪上面的接线柱测量
CCD
的各路驱动脉冲。按动
CCD
上电按钮使之变亮，则
CCD
电源接通，可观测
CCD
的输出
信号。实验仪后部有一个
DB9
数据接口，可将
CCD
的输出信号与同步脉冲与其它数据处
理
设备连接。
图
6
CCD
多功能实验仪外形图
图
7
为
TCD
1206UD
的结构示意图，
它为一双
通道二相驱动的线阵
CCD
器件，
共有
2160
个光敏元。
奇数光敏元与其中
一列移位寄存器相连，
偶数光敏元与另一列移位寄存器相连。
移
位寄存器的像元数量与光敏光相同，相邻像元中的一个与光敏元相连，并接
?
1
脉冲，另
一个不直接与光敏元连接，接
?
2
脉冲，如图
4
所示。
图
8
为各路脉冲的波形图。
SH
信号加在转移栅上。当
SH
为高电平时，正值
φ
1
为高电平。移位寄存器中的所有
φ
1
< br>电极下均形成深势阱，同时
SH
的高电平使光敏元
MOS
电容存储势阱与
φ
1
电极下的深势阱
沟通，光敏
MO
S
电容中的信号电荷包迅速向上下两列移位寄存器中与
φ
1
连接的
MOS
电容
转移。
SH
为低电平时，
光敏元与移位寄存器的连接中断，
此时光敏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
φ
1
φ
2
时
钟脉冲作用下由右向左转移，
在输出端将上下两列信号按原光敏元采集的顺序合为一列后
，由输出端输出。
电源
光
敏
元
（补偿输出）
图
7
TCD1206UD
结构示意
由于结构上的安排，输出电路首先输出
13
个虚设单元的暗信号，再输出
51
个暗
信号，接着输出
2160
个有效信号，之后再输出
10
个暗电流信号，接下去输出两个奇偶检
测信
号，然后可输出多余的暗电流信号。由于该器件为双列并行传输的器件，所以在一个