【文章內(nèi)容簡介】 。 按使用場合的不同有彩色和黑白 CCD芯片之別 ， 目前 ， 絕大部分面陣CCD是以整機的形式投放市場 。 無論線陣還是面陣 ， 工作原理基本相同 。 下面以 2048像元的雙列兩相線陣 CCD為例 ， 討論 CCD的結構原理 。 一般來說 ， 線陣 CCD光敏單元數(shù)越多 ， 可測量的范圍越寬 ， 測量精度也越高 。 目前常用 2048光敏元以上的線陣列 。 為了提高電荷耦合效率 ， 多采用雙列兩相器件 。 雙列兩相線陣 CCD結構： 主要由光敏區(qū) 、轉移柵和移位寄存器組成 。 每個光敏元是一個光敏二極管 ， 接收光信號 ， 作光電轉換 ， 是線陣 CCD 的一個像素 。 光敏元的兩側是用作存儲光生電荷的 MOS電容陣列 。 在 CCD器件的中間是一個光敏元組成的線陣 。 CCDA、 CCDB 是 雙列 CCD移位寄存器 。 轉移柵 （ SH） 控制光生電荷向 CCDA， CCDB轉移 。 轉移柵和移位寄存器由 MOS電容構成 ， 是蔽光的 。 MOS基本結構如圖表示： 在 P型 （ 或 N型 ） 硅單晶的襯底上生長一層很薄的二氧化硅 （ 約為） ， 再在 SiO2上面淀積具有一定形狀的金屬鋁 （ 或多晶硅 ） 電極 ， 電極間隙約為 , 不加電壓時 ， P型半導體中空穴是均勻分布的 。 在電極上加正偏壓 （ 若是 N型硅襯底則加負偏壓 ） ， 電場穿過 SiO2薄層 ， 排斥 P型硅中的多數(shù)載流子 — 空穴 ， 在SiO2下形成耗盡區(qū) （ 無載流子的本征區(qū) ） 。 當電極上電壓增加 ， 達到閾值電平以上時 ， 耗盡區(qū)進一步向體內(nèi)延伸 ， 并將 P型半導體內(nèi)的電子 （ 少數(shù)載流子 ）吸引到表面 ， 產(chǎn)生反型層 。 耗盡區(qū)對少數(shù)載流子 （ 電子 ） 來說象一個 “ 阱 ” ， 稱為勢阱 ， 能起收集電子的作用 ， 所加 偏壓越大 ， 勢阱就越深 ， 存貯電子能力越大 。 這就是 MOS的電荷存貯功能 。 每個電極與其下面的 SiO2層和 Si單晶構成 MOS結構 。 首先， 光生電荷由光電二極管向移位寄存器的并行轉移 ，如圖： 光敏區(qū)是一行 N?P擴散光電二極管 ， 以積分方式工作 。 光電柵極 PG緊靠著光敏二極管 ， PG上加有一定正電壓 ，以便在 PG下形成一勢阱 ， 收集并存儲光生少數(shù)載流子（ 電子 ） 。 勢阱內(nèi)吸收的光生電子數(shù)與入射的光強成正比 ， 這就是光生信號電荷 。 光積分一定時間后 ， SH變?yōu)楦唠娖?（ 比 PG高一倍 ） ，形成更深的勢阱 。 這時 ?1已是高電平 ， ?1下比 SH下有更深的勢阱 。 這樣就使光敏區(qū)與移位寄存器連通 ， 電路設計使得偶數(shù)光敏元的電荷轉向 CCDA， 奇數(shù)光敏元電荷轉向 CCDB。 然后， 向 CCD移位寄存器轉移的信號電荷再串行輸出 。 兩相 CCD移位寄存器電荷串行傳輸如圖： 當前面的 SH的電平由高變低時 ，低電平形成勢壘 ， 使光敏區(qū)與電極隔離 ， 之后 ， ?1 、 ?2 交替變化 ， 信號電荷就沿著確定的方向從左到右傳輸 ， 移向輸出端 。 CCDA， CCDB的右端是輸出柵 OG和浮置擴散放大器 ， 由復位晶體管 T1和輸出晶體管 T2組成 。 兩路光生電荷在這里按光敏元的順序交替輸出 。 OG加正電壓 ,將信號電荷輸送到輸出二極管的 N區(qū) 。 當復位脈沖 RS為低電平時 ， N區(qū)中的信號電荷控制輸出管 T2， 使 OS輸出一個信號脈沖 。 當 RS為高電平時 ， N區(qū)中的信號電荷被抽走 ， 騰出空間準備容納下一個電荷包 。這樣在 OG、 RS的作用下 ， OS端相繼輸出與光信號成正比的離散脈沖序列 。 綜上所述 ， 線陣 CCD在正確的 SH、 ?1 、 ?2 、 RS信號驅(qū)動下 ， 才能正常工作 。 SH、 ?1 、 ?2 、 RS 驅(qū)動信號的關系如圖： 面陣 CCD結構如圖： 像敏區(qū)是接收光學圖像的 ，存儲器和水平移位寄存器是蔽光的 。 在光積分期間 ， 像敏區(qū)積累電荷 。 之后向存儲區(qū)轉移 。 當圖像全部轉移到存儲器之后 ， 像敏區(qū)再開始新的一次光積分 。 存儲區(qū)的信號電荷逐行移進移位寄存器 ， 再從左到右輸出成視頻信號 。 為了與現(xiàn)行電視制式配合 ， 在時鐘脈沖的作用下也是將一幀圖像分為奇數(shù)場 、 偶數(shù)場兩場輸出 。 二 、 電荷耦合器件的性能參數(shù) 定義為每一次轉移后，到達下一個勢阱中的電荷與原來勢阱中的電荷量之比為轉移效率。 設某勢阱中電荷量為 Q(n)， 若傳到下一個勢阱中的電荷量是 Q(n+1)， 則電荷轉移效率為 : )()1(nQnQ ??? 則轉移損失率 ε 為 : ?? ????? 1)()1()(nQnQnQ一個電荷電荷包 Q(0) ， 經(jīng) n次轉移后 ， 剩下的電荷 Q(n)為 : ， 如果 η =， 經(jīng) 24次轉移 , Q(n) / Q(0) =78%； 而經(jīng)過 192次轉移后 ， Q(n) / Q(0) =14% 。 對于一個二相 CCD移位寄存器 ， 若移動 m位 ， 則 n=2m。 如果 ， m=512， 只有當 η =, Q(n) / Q(0)≈90%。 所以若要保證總效率在 90%以上 ， 要求 η 達 。故提高轉移效率是電荷耦合器件能否實用的關鍵 。 nQnQ ?)0()( ?影響 η的主要因素是界面態(tài)對電荷的俘獲。故常采用“胖零”方式，即讓“零”信號也有一定的電荷來填補陷阱。 使 CCD中信號電荷在移位寄存器中轉移的時鐘脈沖頻率即為工作頻率 。 由于 CCD器件是工作在不平衡狀態(tài)，所以驅(qū)動脈沖頻率的選擇顯得十分重要： 頻率太低，熱激發(fā)少數(shù)載流子過多 ，它的加入降低了輸出信號的信噪比； 頻率太高，又會降低總轉移效率 ，減小了輸出信號幅值。 為了避免熱激發(fā)所產(chǎn)生的少數(shù)載流子對信號電荷的影響 ，信號電荷從一個電極轉移到另一個電極的轉移時間 t1必須小于少數(shù)載流子的平均壽命 τ 。 在正常工作條件下 ，對于二相 CCD, t1 = T/2 = 1/(2f) τ , 其中 T為二相交迭脈沖周期 ， f為時鐘頻率 。 故有 。 當工作頻率升高時 ， 若電荷本身從一個電極轉移到另一個電極所需要的時間 t0跟不上驅(qū)動脈沖的變化 ， 將會使轉移效率大大降低 。 所以對二相 CCD， 要求 t0 ≤ T/2， 即： 為工作頻率的上限 。 )2/(1 ??f)2/(1 0tf ? 在低照度下 CCD的光電特性線性良好 ， 輸出信號電壓與入射的照度是線性關系 ， 照度指數(shù) γ 可達 %。 由于MOS電容存儲電荷量是有限的 ， 故當入射照度大于 100 lx，輸出信號電壓達飽和狀態(tài) 。 因而 CCD是低照度器件 。 目前多數(shù) CCD的像元都是采用光電二極管結構 ， 與 MOS像元結構相比 ， 其對藍光的響應度較高 。由圖 ， 在波長小于 ， 兩種像元結構的相對響應度的差異較大 ， 其主要原因是在 MOS像元結構中 ， 多晶硅電極對短波光的吸收而導致其短波光譜響應度低得多 。 CCD的積分靈敏度常用每單位曝光量下輸出信號電壓值表示 。 即 S=U/H ， 單位 。 又 ， 曝光量 H=Lτ, τ為曝光時間 (即光積分時間 ), 單位 μJ / cm2（ 或 ） 。 動態(tài)范圍被定義為 CCD像元的飽和輸出電壓與它在暗場下的峰 峰噪聲電壓的比值。 飽和輸出電壓決定于勢阱中可存儲的最大電荷量；峰 峰噪聲電壓由噪聲電荷決定。 CCD