1、線(xiàn)陣CCD一、 概述電荷耦合器件(CCD, Charge Coupled Device)是一種以電荷包的形式存儲(chǔ)和傳遞信息的半導(dǎo)體器件，它是由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的W. S. Boyle和G.E. Smith在1970年前后發(fā)明的。它經(jīng)歷了以研究為主的發(fā)展階段，在五年左右的時(shí)間內(nèi)，建立了以一維空阱模型為基礎(chǔ)的CCD基本理論，這個(gè)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致相符，并滿(mǎn)足了指導(dǎo)器件進(jìn)一步發(fā)展的需要。與此同時(shí)，依靠成熟的MOS集成電路工藝，CCD迅速?gòu)膶?shí)驗(yàn)室走向了市場(chǎng)。CCD在影像傳感、信號(hào)處理和數(shù)字存儲(chǔ)等三大領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，充分顯示出它的巨大潛力，在微電子學(xué)技術(shù)中獨(dú)樹(shù)一幟。CCD已被普遍認(rèn)為是七十年代以來(lái)出現(xiàn)的

2、最重要的半導(dǎo)體器件之一。和同樣功能的電真空器件相比，CCD作為一種自?huà)呙枋焦怆娊邮掌骷畜w積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長(zhǎng)、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場(chǎng)干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此它 在科研、教育、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、工業(yè)、軍事及消費(fèi)等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用， 已經(jīng)成為圖像采集及數(shù)字化處理必不可少的器件。信息時(shí)代離不開(kāi)語(yǔ)言、文字、 圖像的實(shí)時(shí)獲取與交流。如果把多媒體、各種網(wǎng)絡(luò)和信息高速公路作為一個(gè)整體， 那么CCD是它們的眼睛，是全球?qū)崟r(shí)信息技術(shù)的關(guān)鍵器件。當(dāng)前我們的CCD生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)較弱，也缺乏一種完善的測(cè)試、評(píng)價(jià)CCD性 能的系統(tǒng)。而CCD的種類(lèi)

3、越來(lái)越多，應(yīng)用越來(lái)越廣，如何正確地選擇和使用CCD 是我們所要面對(duì)的問(wèn)題。根據(jù)我們的調(diào)查，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)關(guān)于如何測(cè)試和評(píng)價(jià) CCD性能方面的研究結(jié)果。 二、 發(fā)展?fàn)顩rCCD圖像傳感器經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展目前己經(jīng)成熟。從最初簡(jiǎn)單的8像元移位寄存器發(fā)展至今，己經(jīng)具有數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)千萬(wàn)像元。CCD技術(shù)及相關(guān)的測(cè)試技術(shù)也有了巨大的改進(jìn)。最早出現(xiàn)的CCD為表面溝道型。該表面構(gòu)造可在Si-SiO2界面附近產(chǎn)生阻礙電荷運(yùn)輸?shù)摹跋葳濉?，從而降低了電荷傳輸效率。為避免表面“陷阱”效?yīng)，表面溝道型結(jié)構(gòu)改進(jìn)為埋道型結(jié)構(gòu),即用離子摻雜的方式在SiO2層下加入N型薄層。據(jù)此提高了電荷傳輸效率，提升了對(duì)應(yīng)工作頻率以及消除了由

4、于電荷傳輸與表面態(tài)“陷阱”間互相作用而產(chǎn)生的噪聲。從而提高了CCD的光響應(yīng)線(xiàn)性度、降低了器件噪聲。埋道型CCD的最大電荷貯存量較小。在CCD陣列中，當(dāng)單個(gè)CCD像元檢測(cè)容量達(dá)到飽和后,額外的電荷將以所謂的電荷溢出過(guò)程向鄰近CCD像元溢出，從而干擾了鄰近像元的信號(hào)。為減輕單個(gè)CCD像元電荷溢出，一般采用了抗溢出結(jié)構(gòu)，如采用抗溢出溝道設(shè)計(jì)，使溢出電子流入邊槽而不溢入其他像元。一般CCD在紫外區(qū)的量子效率較低。這是由于CCD表面多晶硅電極吸收了紫外光所致，目前已采用了三種增加光譜響應(yīng)度的辦法:一是將整個(gè)CCD器件減薄到約10um厚，并從背面照射器件以便使入射輻射不通過(guò)器件前面的疊置柵結(jié)構(gòu)。二是用熒光

5、材料對(duì)器件表面進(jìn)行涂敷，使短波段的光子被涂層中熒光物質(zhì)吸收后在可見(jiàn)光波段被重新發(fā)射。三是采用有效的相位技術(shù)，用離子擴(kuò)散面代替多硅柵來(lái)維持所需勢(shì)阱。目前已有許多技術(shù)用以降低CCD的讀出噪聲和提高讀出速度，如采用重新分級(jí)讀出模式。重新分級(jí)是在傳輸所有電荷之前將包含在檢測(cè)器中多路像素內(nèi)的電荷進(jìn)行整合的過(guò)程。檢測(cè)器象素中重新分級(jí)的電荷以單一讀出方式被檢測(cè)因而只有僅與一次讀出相關(guān)的噪聲。同時(shí)，也提高了讀出速度。另外，還利用了雙溝道設(shè)計(jì)使CCD兩邊同時(shí)讀出信號(hào)，提高了讀出速度。三、 線(xiàn)陣CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理1、線(xiàn)陣CCD的基本結(jié)構(gòu)CCD的特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓作為信

6、號(hào)。CCD以電荷包的形式儲(chǔ)存和傳送信息，主要由光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等部份組成。CCD有兩種基本類(lèi)型：一種是電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面,并沿著界面?zhèn)鬏?，這種類(lèi)型器件稱(chēng)為表面溝道CCD，簡(jiǎn)稱(chēng)SCCD(suarfeeChargeCoPueldDveiee)；另一種是電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿著一定方向傳輸,這類(lèi)器件稱(chēng)為溝道或埋溝道器件，簡(jiǎn)稱(chēng)BCCD(BodyChargeCoupledDveiee)。下面以SCCD為例，介紹CCD的基本工作原理。線(xiàn)陣CCD的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 典型線(xiàn)陣CCD器件結(jié)構(gòu)主體部分，即信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移部分，實(shí)際上是一串緊密排布

7、的MOS電容器，它的作用是存儲(chǔ)信號(hào)電荷，并且使這些電荷在時(shí)鐘的作用下有規(guī)律地轉(zhuǎn)移。輸入部分，包括一個(gè)輸入二極管和一個(gè)輸入柵，它的作用是將信號(hào)電荷引入到CCD的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中。輸出部分，包括一個(gè)輸出二極管和一個(gè)輸出柵，它的作用在于將CCD最后一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中的信號(hào)電荷引出，并檢出電荷所攜帶的光信息。2、線(xiàn)陣CCD的工作原理2.1、光電轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)線(xiàn)陣CCD是由許多光敏像元組成的，每個(gè)像元就是一個(gè)MOS電容器，如圖2所示。它是在P型Si襯底的表面上用氧化的辦法生成一層厚度約1000埃1500埃的SiO2，再在表面鍍一層金屬，在襯底和金屬電極間施加偏置電壓，就構(gòu)成了一個(gè)MOS電容器。當(dāng)光投

8、射到MOS電容上時(shí)，光子穿過(guò)透明電極及氧化層，進(jìn)入P型Si襯底，襯底中處于價(jià)帶的電子將吸收光子的能量而躍入導(dǎo)帶，如圖3所示。光子進(jìn)入襯底時(shí)產(chǎn)生的電子躍遷，形成電子一空穴對(duì)，在外加電場(chǎng)的作用下，分別向電極兩端移動(dòng)，這就是光生電荷。這些光生電荷將儲(chǔ)存在由電極形成的“勢(shì)阱”中。 圖2 MOS電容器 圖3 電子能帶躍遷圖2.2、電荷的轉(zhuǎn)移CCD器件中存儲(chǔ)在勢(shì)阱中的電荷包，能隨柵極電壓的變化作定向移動(dòng)。當(dāng)相鄰電極的壓差以及它們間的距離滿(mǎn)足一定的要求時(shí)，電荷就能順利地由淺勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到深勢(shì)阱。通常是將頻率、波形相同,并且彼此間相位保持固定關(guān)系的多相時(shí)鐘脈沖分組依次加在CCD的電極上，使電極上的電壓按一定的規(guī)律

9、變化，在半導(dǎo)體表面形成一系列分布不對(duì)稱(chēng)的勢(shì)阱，使得電荷包沿著勢(shì)阱的移動(dòng)方向作定向連續(xù)移動(dòng)，這就是所謂多相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)法。其中包括兩相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、三相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和四相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)等。圖4，示出了一個(gè)三相CCD中電荷自一個(gè)柵極下面轉(zhuǎn)移至相鄰柵極下面的過(guò)程。圖4 三相CCD中電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程假設(shè)電荷最初存儲(chǔ)在電極下面的勢(shì)阱中，如圖4（a）所示。加在CCD所有電極上的電壓應(yīng)大于開(kāi)啟電壓Vth，Vth=2V。顯然，電極下面的勢(shì)阱最深，如果逐漸將電極的電壓由2V增加到10V，這時(shí)、兩個(gè)電極下面的勢(shì)阱具有同樣的深度，并合并在一起，原先存儲(chǔ)在電極下面的電荷，就在兩個(gè)電極下面均勻分布，如圖4(b)所示，然后，再逐漸將電極的電壓

10、降到2V，使其勢(shì)阱深度降低，如圖4(c)所示，這時(shí)電荷全部轉(zhuǎn)移到電極下面的勢(shì)阱中，此過(guò)程就是電荷從電極到電極的轉(zhuǎn)移過(guò)程。在實(shí)際的線(xiàn)陣CCD中，我們將其電極1、4、7并聯(lián)加時(shí)鐘脈沖1，將電極2、5、8并聯(lián)加時(shí)鐘脈沖2，將電極3、6、9并聯(lián)加時(shí)鐘脈沖3，如圖4(d)所示，即可完成電荷從左向右轉(zhuǎn)移的過(guò)程。2.3、電荷的輸出CCD電荷的讀出多采用選通電荷積分器結(jié)構(gòu),以三相CCD為例，其電荷讀出原理如圖5所示。圖5 CCD輸出電路結(jié)構(gòu)與輸出信號(hào)波形信號(hào)電荷包在外加驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，在CCD移位寄存器中按順序傳送到輸出級(jí)。當(dāng)電荷包進(jìn)入最后一個(gè)勢(shì)阱中時(shí)，復(fù)位脈沖FR為正,場(chǎng)效應(yīng)管T1導(dǎo)通，輸出二級(jí)管D處于很

11、強(qiáng)的反向偏置之下，其結(jié)電容C被充電到一個(gè)固定的直流電平Vcc上，源極跟隨器T2的輸出電平Vos被復(fù)位到一個(gè)固定的且略低于Vcc的正電平上，此電平稱(chēng)為復(fù)位電平。當(dāng)FR正脈沖結(jié)束后,T1管截止，由于T1管存在一定的漏電流，這漏電流在T1管上產(chǎn)生一個(gè)小的壓降，使輸出電壓有一個(gè)下跳，其下跳值稱(chēng)為饋通電壓。當(dāng)FR為正，F(xiàn)3也處于高電位時(shí)，信號(hào)電荷被轉(zhuǎn)移到F3勢(shì)阱中，由于VOG是一個(gè)比F3低的正電壓,因此信號(hào)電荷仍被保存在F3勢(shì)阱中，隨著FR正脈沖結(jié)束，并變得低于VOG時(shí)，信號(hào)電荷進(jìn)入電容C后，立即使A點(diǎn)電位下降到一個(gè)與信號(hào)電荷量成比的電位上，即信號(hào)電荷越多，A點(diǎn)電位下降越多。與此相應(yīng)，T2管輸出電平Vo

12、s也跟隨下降，其下降幅度才是真正的信號(hào)電壓,如圖5（b）所示。四、 TCD132D的使用4.1、TCD132D的結(jié)構(gòu)TCD132D的結(jié)構(gòu)如圖6所示。它的光敏陣列共有1091個(gè)光電二極管，其中前面64個(gè)和后面3個(gè)用作暗電流檢測(cè)而被遮蔽，用Dn表示，中間的1024個(gè)光電二極管為有效的光敏單元，用Sn表示。每個(gè)光敏單元的尺寸為14um*14um，相鄰兩個(gè)光敏單元的中心距為14um。光敏單元的總長(zhǎng)度為14.336m。TCD132D內(nèi)部的CCD驅(qū)動(dòng)電路由脈沖產(chǎn)生電路和CCD驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。光敏單元兩側(cè)是轉(zhuǎn)移柵電極SH，轉(zhuǎn)移柵的兩側(cè)為CCD模擬移位寄存器,其信號(hào)處理電路由鉗位電路、采樣保持電路和前置放大電路構(gòu)

13、成。圖6 TCDz32D的原理結(jié)構(gòu)圖4.2、TCD132D原理圖6中，中央是器件的攝像機(jī)構(gòu)或者稱(chēng)攝像區(qū)，在攝像區(qū)的兩側(cè)為CCD移位寄存器，它由一系列的MOS電容器組成。它們對(duì)光不敏感,只是接受攝像區(qū)轉(zhuǎn)移來(lái)的電荷包，把它們逐個(gè)移位到信號(hào)處理電路中去,最后送到器件外部，攝像區(qū)1024個(gè)MOS電容器在光照下獲得光生載流子形成電荷包。在電荷包轉(zhuǎn)移期間，按奇偶序號(hào)分開(kāi)，分別轉(zhuǎn)移到兩側(cè)的移位寄存器中去。當(dāng)外部電路對(duì)M、CCD提供合適的驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)，移位寄存器中的電荷包就由右向左移位。在TCD132D內(nèi)部的CCD驅(qū)動(dòng)電路保證了兩個(gè)移位寄存器中的電荷包以奇偶序號(hào)交替的方式把電荷送到信號(hào)處理電路中，以恢復(fù)攝像時(shí)的

14、次序。TCD132D的驅(qū)動(dòng)脈沖如圖7所示。當(dāng)轉(zhuǎn)移脈沖SH高電平到來(lái)時(shí)，CCD必須為高電平，而且必須保證SH的下降沿落在CCD的低電平上，這樣才能保證光敏區(qū)的信號(hào)電荷通過(guò)轉(zhuǎn)移柵并行地轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器的勢(shì)阱中。完成信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移后，SH變?yōu)榈碗娖?，光敏區(qū)勢(shì)阱與模擬移位寄存器勢(shì)阱被隔離開(kāi)。光敏區(qū)進(jìn)入光積分狀態(tài)，而模擬移位寄存器在CCD和M脈沖的作用下，將轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器的信號(hào)電荷向左轉(zhuǎn)移，并經(jīng)TCD132D內(nèi)部的信號(hào)處理電路由Sout電極輸出。圖7 TCD132D的驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖當(dāng)SH由高變低時(shí)，Sout端開(kāi)始輸出信號(hào)，如圖6所示，Suot端首先輸出54個(gè)虛設(shè)單元的信號(hào)（所謂虛設(shè)單元的信號(hào)是沒(méi)有光電二極管與之對(duì)應(yīng)的CCD模擬移位寄存器的部分），然后輸出7個(gè)啞元信號(hào)（啞元是指被遮蔽的光電二極管與之對(duì)應(yīng)的CCD模擬移位寄存器的部分產(chǎn)生的信號(hào)），再輸出3個(gè)信號(hào)（這3個(gè)信號(hào)因光的斜射而產(chǎn)生電荷信號(hào)的輸出，但這3個(gè)信號(hào)不能作為信號(hào)電荷來(lái)處理），然后才輸出S1到S1024的有效像元信號(hào)。有效像元信號(hào)輸出后，再輸出3個(gè)啞元信號(hào)。以后便是空驅(qū)動(dòng)，空驅(qū)動(dòng)的數(shù)目可以是任意的，我們可以通過(guò)改變空驅(qū)動(dòng)數(shù)