CCD图像传感器详解

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。

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

CCD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，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO2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，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，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。

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μm ），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。

1.三相CCD 传输原理

简单的三相CCD 结构如图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

位相差1200 的时钟脉冲φ1、φ2、φ3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φ1处于高电压，φ2、φ3处于低压。这时第一组电极1、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φ1电压线性减少，φ2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，φ2为高压，φ1、φ3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φ2转移到φ3，然后从φ3转移到φ1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……N 向右移，直到输出。

金属

氧化物

少数载流子耗尽区

PSi （a ）

电

子

静电位

能 表面势 信号电荷 势阱

（b ） 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

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.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.

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 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2 三相CCD 传输原理图 (a)

(b) t 1

t 2

t 3

(c) (d)

t 1 t 2 t 3 t 4

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.

图5(b)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MOS 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φR ,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=－C 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。 实验仪器简介:

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。 φ2 φ3 φ1 φ2 φ3 OG

U β R L

P Si (a)

φ3 OG φR

SiO 2 浮置扩散结

P Si RD

R D U R φR OD A

OG lo k R L OS OD U O

MOS 输出管

（b ） U 0 I 0 OS 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

SiO 2

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1φ脉冲，另一个不直接与光敏元连接，接2φ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 的高电平使光敏元MOS 电容存储势阱与φ1电极下的深势阱沟通，光敏MOS 电容中的信号电荷包迅速向上下两列移位寄存器中与φ1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φ1φ2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。

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，所以在一个光敏元

图7 TCD1206UD 结构示意图

（补偿输出）

电源

SH 周期中至少要有1117个φ1 脉冲，即T SH ＞1117T 1。

φ2脉冲与φ1脉冲互为反相，即φ1高电平时φ2为低电平，φ1为低电平时φ2为高电平。 φR 为复位信号，对于双通道器件而言，它的周期是φ1φ2的一半，即在一个φ1φ2脉冲周期内有两个φR 脉冲，且φR 的下降沿稍超前φ1φ2的变化前沿。

S P 为像元同步脉冲，φC 为行同步脉冲，用作CCD 与其它信号存储、处理设备连接时作同步信号。U 0为输出信号。

图8 各路脉冲波形图

二、TDS210数字示波器的使用

1.数字示波器的面板图如图9（液晶显示屏位于面板的左边未画）

2.数字示波器TDS210的特点

（1）操作简单

对于一般周期性的波形，通过按“自动设置”便可以看到波形。“自动设置”的作用在于合理地设置触发电平（“释抑电平”）、电压衰减系数（“V/格”）和时基信号（“秒/格”）。

（2）可以测量波形的多种参数

可以测量周期、频率、电压平均值、电压峰-峰值、电压均方根值、波形上升时间、波形下降时间、正频宽和负频宽。

（3）具有自动计算功能

作为数字式的仪表，它具有计算的功能，能够将结果显示出来，对待测量不需要作进一步的计算，比如测量频率，只需要设置为测量频率，然后从数字示波器的屏幕上读出频率的数字即可。

（4）具有存储功能

数字示波器通过将模拟信号数字化，然后存储在示波器的存储单元中。数字示波器不断地采集外部输入的模拟信号，然后不断地更新存储器中的数据，按“运行/停止”键可以“重新/暂停”数据的采集。

通过单次触发，可以采集外部的脉冲信号，比如开关的闭合所引起的电路脉冲。利用