线阵CCD的原理及驱动
实验目的
(1)掌握用双踪示波器观测二相线阵CCD驱动脉冲的频率、幅度、周期和各路驱动脉冲之间的相位关系等的测量方法。
(2)通过对典型线阵CCD驱动脉冲的时序和相位关系的观测,掌握二相线阵CCD的基本工作原理,尤其是复位脉冲在ccD输出电路中的作用;转移脉冲与驱动脉冲间的相位关系,以及电荷转移的过程。
实验前准备内容
(1)阅读实验指导书,了解实验目的及内容;
(2)学习线阵CCD的基本工作原理(参考《光电检测技术》教材第5章第4节有关内容),阅读双踪示波器的使用说明书。
(3)学习TCD2252D线阵CCD基本工作原理与驱动波形图(参考附录)。
(4)掌握双踪示波器的基本操作方法,尤其是它的同步、幅度、频率、时间与相位的测量方法。
实验所需仪器设备
(1)双踪同步示波器(带宽50MHz以上)一台。
(2)彩色线阵CCD多功能实验仪YHLCCD-IV一台。
(3)万用表一台。
实验内容
1.驱动脉冲相位的检测
根据线阵CCD的基本工作原理,观测转移脉冲SH与F1(CR1)、F2(CR2)的相位关系,理解线阵CCD的并行转移过程;观测F1与F2及F1与CP、SP、RS间的相位关系,理解线阵CCD的串行传输过程和复位脉冲RS的作用。
2.驱动频率和积分时间的检测
测量CCD在不同驱动频率的情况下的F1与F2、F1、RS的周期与频率值,以及它的行周期(FC)值,理解线阵CCD的驱动频率、周期与积分时间的关系。
3.CCD输出信号的检测
检测CCD的输出信号,观测积分时间、SH与FC信号波形等同CCD的输出信号间的关系。
实验基本原理
CCD的基本结构是MOS(金属一氧化物一半导体)电容结构。它是在半导体P型硅(Si)作衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度约100nm~150nm的SiO2,再在SiO2表面蒸镀一层金属(如铝),在衬底和金属电极间加上一个偏置电压(称栅电压),就构成了一个MOS电容器。所以,CCD是由一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器阵列构成的。其基本工作原理有如下的三个过程:
1.光电转换
当有光线投射到MOS电容上时,光子穿过透明电极及氧化层,进入P型硅(Si)衬底,衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带,从而形成电子—空穴对,这种电子—空穴对在外加电场的作用下,就会分别向电极两端移动,因而产生光生电荷,即将光信号转换为电信号。
对于Si材料来说,因其Eg=1.12eV,所以其上限截止波长为λc=1.11μm。也就是说,波长小于和等于1.11μm的光子能使硅衬底中的价带电子跃入导带,产生电子—空穴对;而大于1.11μm波长的光子则会穿透半导体层而不起作用。对于不同的衬底材料,将具有不同的Eg值,因而器件将具有不同的光谱特性,从而可适用于不同的场合。
2.电荷存储
由上述知,构成CCD的基本单元是MOS结构。如下图(a)所示,在栅极G施加正偏压UG之前,P型半导体中的空穴(多数载流子)的分布是均匀的。当栅极施加正偏压UG(此时UG小于P型半导体的阈值电压Uth)后,空穴被排斥,产生耗尽区,如图(b)所示。如偏压继续增加,耗尽区将进一步向半导体体内延伸。当UG>Uth时,半导体与绝缘体界面上的电势(常称为表面势,用ΦS表示)变得如此之高,以致于将半导体体内的电子(少数载流子)吸引到表面,形成一层极薄的(约10-2μm)但电荷浓度很高的反型层,如图(c)所示。反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。
电子之所以被加有栅极电压UG的MOS结构吸引到氧化层与半导体的交界面处,是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时,势阱的“深度”与栅极电压UG的关系恰如与UG的线性关系(如下图(a)空势阱的情况)。图(b)为反型层电荷填充1/3势阱时,表面势收缩。当反型层电荷足够多,使势阱被填满时,降到2,此时,表面势不再束缚多余的电子,电子将产生“溢出”现象。这样,表面势可以作为势阱深度的量度,而表面势又与栅极电压UG、氧化层的厚度dOX有关,即与MOS电容容量COX与UG的乘积有关。因此,势阱的横截面积取决于栅极电极的面积A,所以MOS电容存储信号电荷的容量为:
Q=COXUG·A (8-1)
3.电荷转移
为了理解在CCD中势阱及电荷如何从一个位置移到另一个位置,可参见下图。取CCD中四个彼此靠得很近的电极来观察。若开始有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的深势阱里,其他电极上均加有大于阈值的较低电压(例如2V)。设图(a)为零时刻(初始时刻),过t1时刻后,各电极上的电压变为如图(b)所示,第二个电极仍保持为10V,第三个电极上的电压由2V变到10V,因这两个电极靠得很近(间隔只有几微米),它们各自的对应势阱将合并在一起。即原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有,如图(b)和(c)。若此后电极上的电压变为图(d)所示,第二个电极电压由10V变为2V,第三个电极电压仍为10V,则共有的电荷转移到第三个电极下面的势阱中,如图(e)。由此可见,深势阱及电荷包向右移动了一个位置。
通常把CCD电极分为几组,每一组称为一相,并施加同样的时钟脉冲。CCD的内部结构决定了使其正常工作所需的相数。上图所示的结构需要三相时钟脉冲,其波形图如图(f)所示,这样的CCD称为三相CCD。三相CCD的电荷传输方式必须在三相交迭脉冲的作用下才能以一定的方向,逐单元地转移。
值得指出的是,我们通常所说的CCD的位数的位,不是这里的一个栅电极。对三相CCD来说,电荷包转移了三个栅电极是时钟脉冲的一个周期,我们把这三个栅电极称之为CCD的一个单元,或CCD的一位,也就是我们通常所说的一个像元;显然,对二相CCD来说,就是二个栅电极为一位;对四相CCD则一位是四个栅电极了,所以千万不能混淆。
需要强调指出的是,CCD电极间隙必须很小,电荷才能不受阻碍地自一个电极下转移到相邻电极下。如电极间隙比较大,则两相邻电极间的势阱将被势垒隔开,而不能合并,电荷也不能从一个电极向另一个电极平滑地转移。这样,CCD便不能在外部脉冲作用下正常工作。能够产生电荷完全耦合(这就是电荷耦合器件名称的由来)条件的最大间隙一般由具体电极结构、表面态密度等因素决定。理论计算和实验证实,为了不使电极间隙下方界面处出现阻碍电荷转移的势垒,间隙的长度应小于3μm,这大致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽度的尺寸。当然,如果氧化层厚度、表面态密度不同,结果也会不同。但对绝大多数CCD,1μm的间隙长度是足够小的。
以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD,简称为N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD,简称为P型CCD。由于电子的迁移率(单位场强下的运动速度)远大于空穴的迁移率,因此,N型CCD比P型CCD的工作频率高得多。
实际上,目前的CCD器件均采用光敏二极管代替过去的MOS电容器。空间电荷区(即耗尽区)对带负电的电子而言、是一个势能特别低的区域,因此也称之为势阱。投射光产生的光生电荷就储存在这个势阱之中,势阱能够储存的最大电荷量又称之为势阱容量,势阱容量与所加栅压近似成正比。
光敏二极管和MOS电容器相比,光敏二极管具有灵敏度高,光谱响应宽,蓝光响应好,暗电流小等特点。如果将一系列的MOS电容器或光敏二极管排列起来,并以两相、三相或四相工作方式把相应的电极并联在一起,并在每组电极上加上一定时序的驱动脉冲,这样就具备了CCD的基本功能。
4.CCD的外围驱动电路
CCD需要外围驱动电路才能工作,现以日本东芝生产的线阵2048位TCD142D为实例作一介绍。TCD142D器件为二相CCD:需要相差180°的二路驱动脉冲与,一路转移控制脉冲,一路复位脉冲。其驱动脉冲的波形如下图所示。
值得注意的是,由于结构上的安排,器件的OS输出端首先输出12个虚设单元的脉冲,再输出51个暗信号脉冲后才连续输出2048个信号脉冲,最后输出11个暗电流脉冲,接下去输出多余无信号脉冲。由于该器件是两列并行传输,所以在一个周期中至少要有1061个脉冲,即TSH>1061T1。图中的是复位脉冲,复位一次输出一个光信号。器件的补偿输出DOS端,用于检取驱动脉冲(尤其复位脉冲)对输出电路的容性干扰信号,若将OS端与DOS端的输出分别送到差分放大器的两个输入端,则在输出端将得到被放大的没有驱动脉冲干扰的光电信号。
TCD142D的外围驱动电路原理框图如下图所示。
由图可知,由晶体振荡器输出频率为4MHz的方波脉冲,经J·K触发器分频得到频率为2MHz的方波脉冲,将4MHz与2MHz脉冲相与即经脉冲形成电路而形成脉冲占空比为1:3的频率为2MHz的脉冲;将脉冲再经J·K触发器分频而产生频率为1MHz的脉冲;经脉冲形成电路而形成脉冲为1MHz的脉冲;将脉冲经反相器反相后而形成脉冲(1MHz);将1MHz的脉冲送入分频器,经译码电路而由脉冲形成电路而产生周期TSH>1061μs的转移控制脉冲。至此,TCD142D所需的四路脉冲均已产生。这四路脉冲经反相器反相,再经阻容加速电路送至DS0026驱动器以驱动TCD142D进入正常工作。DS0026驱动器实际是一驱动门电路,它将电平由5V转为12V,并反相。
TCD142D的驱动电路如下图所示。
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