天津理工大学：《大学物理实验》课程教学资源（讲义）ZKY-CCD-1CCD特性实验仪实验指导及操作说明书.docx

世纪中科ZCCD特性实验仪实验指导及操作说明书第1页共10页CCD特性实验CCD（ChargeCoupledDevice）全称为电荷耦合器件，是7O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。CCD具有光电转换、信息存贮和传输等功能，CCD图像传感器能实现图像信息的获取，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。CCD具有集成度高、分辨率高、灵敏度高、功耗小、寿命长、性能稳定、便于与计算机结合等优点。被广泛应用于人民生活、军事、天文、医疗、电视、图像扫描、工业检测和自动控制等各个领域。学习和掌握一些CCD的基本结构，工作原理，通过实验对CCD的基本特性进行测量，为进一步应用CCD打下基础，是十分必要的。实验目的学习掌握CCD的基本工作原理，CCD正常工作所需的外部条件及这些条件的改变对CCD1.输出的影响。2.测量曝光时间，驱动周期，照明情况对输出的影响，并根据实验原理对输出进行说明。3.测量CCD的光电转换特性曲线，根据曲线得到CCD的灵敏度、饱和输出电压及饱和曝光量。4.测量并计算CCD的暗信号电压、暗噪声、动态范围、像敏单元不均匀度等参数。5.比较CCD输出信号经AD转换和二值化处理后输出信号的差异，了解各自的应用领域。实验原理一个完整的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。图1为某型号CCD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。RS (e)g1P24?电话信号CCD模拟转移寄存器2输出O5::0SH转移栅2缓冲级tu.)BBks光敏单元补偿222DOS(2输出（补偿输出）缓冲级转移摇CCD模拟转移寄存器122SS (t)图1CCD的结构示意图1.CCD的MOS结构及存贮电荷原理成都世纪中科仪器有限公司地址：成都市人民南路四段九号中科院成都分院邮编：610041电话：（028）8524700685213812传真：（028）85247006

CCD 特性实验仪实验指导及操作说明书第 1 页共 10 页成都世纪中科仪器有限公司地址：成都市人民南路四段九号中科院成都分院邮编：610041 电话：（028）85247006 85213812 传真：（028）85247006 CCD 特性实验 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。CCD 具有光电转换、信息存贮和传输等功能，CCD 图像传感器能实现图像信息的获取，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。CCD 具有集成度高、分辨率高、灵敏度高、功耗小、寿命长、性能稳定、便于与计算机结合等优点。被广泛应用于人民生活、军事、天文、医疗、电视、图像扫描、工业检测和自动控制等各个领域。学习和掌握一些 CCD 的基本结构，工作原理，通过实验对 CCD 的基本特性进行测量，为进一步应用 CCD 打下基础，是十分必要的。实验目的 1. 学习掌握 CCD 的基本工作原理，CCD 正常工作所需的外部条件及这些条件的改变对 CCD 输出的影响。 2. 测量曝光时间，驱动周期，照明情况对输出的影响，并根据实验原理对输出进行说明。 3. 测量 CCD 的光电转换特性曲线，根据曲线得到 CCD 的灵敏度、饱和输出电压及饱和曝光量。 4. 测量并计算 CCD 的暗信号电压、暗噪声、动态范围、像敏单元不均匀度等参数。 5. 比较 CCD 输出信号经 AD 转换和二值化处理后输出信号的差异，了解各自的应用领域。实验原理一个完整的 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。图 1 为某型号 CCD 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 1 CCD 的结构示意图 1. CCD 的 MOS 结构及存贮电荷原理光敏单元（补偿输出）电源

世纪中科ZCCD特性实验仪实验指导及操作说明书第2页共10页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。栅极二氧化硅耗尽区P型硅图2MOS电容器面图图3势阱，用阱底的液体代表信号电荷当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。2.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时（目前工艺可做到0.2um），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。三相CCD传输原理简单的三相CCD结构如图4所示。对应每一个光敏单元为一个像元，每1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120°的时钟脉冲Φ1、Φ2、Φ3来驱动，故称三相CCD，图4（a）为剖面图，（b）为俯视图，（d）给出了三相时钟随时间的变化。在t时刻，第一相时钟Φi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4（c）所示。在t2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t3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Φ电极下的势中，当三相时钟电压循环一个时钟周期时，电荷成都世纪中科仪器有限公司地址：成都市人民南路四段九号中科院成都分院邮编：610041电话：（028）8524700685213812传真：（028）85247006

CCD 特性实验仪实验指导及操作说明书第 2 页共 10 页成都世纪中科仪器有限公司地址：成都市人民南路四段九号中科院成都分院邮编：610041 电话：（028）85247006 85213812 传真：（028）85247006 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。图 2 MOS 电容器剖面图图 3 势阱，用阱底的液体代表信号电荷当 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。 2. 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时（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。三相 CCD 传输原理简单的三相 CCD 结构如图 4 所示。对应每一个光敏单元为一个像元，每 1 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 120°的时钟脉冲φ1、φ2、φ3 来驱动，故称三相 CCD，图 4（a）为剖面图，（b）为俯视图，（d）给出了三相时钟随时间的变化。在 t1 时刻，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 4（c）所示。在 t2 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 t3 时刻，φ 2 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，电荷栅极二氧化硅耗尽区 P 型硅

世纪中科Z第4页共10页CCD特性实验仪实验指导及操作说明书图6（a）所示。当Φi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。3.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，它的源极，漏极之间的电流受栅极电压控制。以二相驱动为例，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ti时刻，加在场效应管T.栅极上的复位脉冲RS为高电平，T，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，T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。ViΦΦ2RSTTVeD大图7电荷读出原理图RSVo本信号电床图8驱动脉冲，复位脉冲，输出信号波形图仪器介绍仪器由线阵CCD，CCD驱动电路，CCD信号处理电路，接口电路，专用软件，照度计，减光镜，柔光镜，灰度板等组成。CCD，CCD驱动电路，CCD信号处理电路，接口电路，照度计及照度值显示窗口装在主机里，照度计的作用是实验时测量照射CCD的光强。测量的照度值有的只作为参考，有的则需带入进行计算（如计算CCD的饱和曝光量）。仪器面板如图9所示。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示实时图形，按停止后显示屏上保持最后采集到的图形。停止后用鼠标对准显示屏上一点，屏幕下方将会显示鼠标纵线对应的时间值和鼠标横线对应的输出电压值，用鼠标拖动还可放大或缩小图形，便于进一一步研究。其它界面和使用方法在实验内容和步骤中予以成都世纪中科仪器有限公司地址：成都市人民南路四段九号中科院成都分院邮编：610041电话：（028）8524700685213812传真：（028）85247006

CCD 特性实验仪实验指导及操作说明书第 4 页共 10 页成都世纪中科仪器有限公司地址：成都市人民南路四段九号中科院成都分院邮编：610041 电话：（028）85247006 85213812 传真：（028）85247006 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。 3. 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，它的源极，漏极之间的电流受栅极电压控制。以二相驱动为例，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。图 7 电荷读出原理图图 8 驱动脉冲，复位脉冲，输出信号波形图仪器介绍仪器由线阵 CCD，CCD 驱动电路，CCD 信号处理电路，接口电路，专用软件，照度计，减光镜，柔光镜，灰度板等组成。 CCD，CCD 驱动电路，CCD 信号处理电路，接口电路，照度计及照度值显示窗口装在主机里，照度计的作用是实验时测量照射 CCD 的光强。测量的照度值有的只作为参考，有的则需带入进行计算（如计算 CCD 的饱和曝光量）。仪器面板如图 9 所示。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示实时图形，按停止后显示屏上保持最后采集到的图形。停止后用鼠标对准显示屏上一点，屏幕下方将会显示鼠标纵线对应的时间值和鼠标横线对应的输出电压值，用鼠标拖动还可放大或缩小图形，便于进一步研究。其它界面和使用方法在实验内容和步骤中予以 Vi φ2 φ1 φ2 RS T1 T2 Vo D C φ2 t1 t2 t3 RS Vo 信号电压