电荷耦合器件(Charge-Coupled Devices)简称CCD，是1970年由美国贝尔实验室首先研制出来的新型固体器件。它是受磁泡存储器的启发，作为MOS技术的延伸而产生的一种半导体器件。一般把它与电荷注入器件(CⅠD)、电荷引动器件(CPD)、自扫描光电二极管列阵(SSPD)等器件一起统称为电荷传输器件或电荷转移器件。这类固体器件具有体积小、重量轻，灵敏度高、寿命长、功耗低、动态范围大等优点，因而受到人们的重视，并在许多领域获得广泛的应用。

以往的双极和单极型半导体器件的工作原理是以在热平衡状态下工作为基础的，而CCD则是用处于热非平衡状态的势阱来进行电荷存储和转移的。它具有独特的工作机理，运用先进的硅技术获得多种复合机能。随着超大规模集成电路技术的发展，CCD已发展成为强有力的多功能器件。

CCD作为一种多功能器件，有三大应用领域: 摄像、信号处理和存储。特别是在摄像领域，作为二维传感器件，CCD与真空摄像器件相比，具有无灼伤、无滞后、体积小、功耗低、价格低、寿命长等优点。广播级电视摄像机中，CCD摄像机已接近与真空器件摄像机“平分秋色”。而在闭路电视、家用摄像机方面，CCD摄像机则呈现出“一统天下”的趋势。在工业、军事和科学研究等领域中的应用，如方位测量、遥感遥测、图像制导、图像识别等方面更呈现出其高分辨力、高准确度、高可靠性等突出优点。二维CCD都是做成平面型的，对使用者所提出的要求具有更大的适应性。因而， CCD成像器件又是目前红外探测技术发展的重点。此外，一维线阵CCD也在传真、光学符号识别及自动精密测量等方面发挥着越来越重要的作用。

【实验目的】

(1)了解电荷耦合器件的工作原理及相关特性。

(2)掌握线阵CCD信号采集与处理方法。

【实验原理】

CCD是基于MOS(金属-氧化物-半导体)电容器在非稳态下工作的一种器件，由一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器列阵构成，如图15.1所示，具有存储和转移信息的能力，又称为动态移位寄存器。CCD的电荷转移基于MOS电容之间的耗尽层耦合。

考察两个间隔较大的MOS电容器，在两个金属栅极之间没有被金属覆盖那部分的氧化物下的表面势，将由氧化层上面的情况、固定氧化物电荷Q及衬底掺杂浓度等确定。因此，在这种情况下，不可能使一个MOS电容器中存储的信息电荷转移到另一个MOS电容器中。但是，当两个金属栅极彼此足够靠近时，其间隙下的表面势将由两个金属栅极上的电位决定，从而就能够形成两个MOS电容器下面耗尽层的耦合，使一个MOS电容器中存储的信号电荷转移到下一MOS电容器中去。

图15.1 CCD结构模型

当CCD工作时，可以用光注入或电注入的方法向势阱注入信号电荷，以获得自由电子或自由空穴。势阱所存储的自由电荷通常也称为电荷包。在提取信号时，需要将电荷包有规则地传递出去，即进行电荷的转移。

CCD的电荷转移是利用耗尽层耦合原理，即根据加在MOS电容器上的栅极电压越高，产生的势阱越深的事实，在耗尽层耦合的前提下，通过控制相邻MOS电容器栅压的高度来调节势阱的深浅，使信号电荷由势阱浅的位置流向势阱深的位置。CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。为此，MOS电容器列阵上所加的电位脉冲必须严格满足相位时序要求，使得任何时刻势阱的变化总是朝着一个方向。

图15.2为三相CCD电荷转移过程原理图和电位脉冲时序波形图。当电荷从左向右转移时，在任何时刻，当存储有信号电荷的势阱抬起时，与之相邻的右边的势阱总比该势阱深，这样才能保证电荷始终朝右边转移。为此，通常在CCD的MOS列阵上将几个相邻的MOS电容器划分为一个单元而无限循环，每一单元称为一位。将每一位中对应位置上的电容栅极分别连在各自共同的电极线上，称之为相线。一位CCD中包含的电容器个数即为CCD的相数，每相线连起来的电容器的个数即为CCD的位数。

线阵CCD摄像器件也称为LCCⅠD，如图15.3所示，其结构可分为单边传输与双边传输两种形式，工作原理相仿，但性能略有差别。在同样光敏元数情况下，双边转移次数为单边的一半，总的转移效率比单边高; 光敏元之间的最小中心距也可比单边的小一半。双边传输的唯一缺点是两路输出总有一定的不对称性。

图15.2 三相CCD的电荷转移过程及时钟脉冲波形

图15.3 线阵CCD摄像器件

以单边传输器件为例说明线阵CCD工作原理。图15.4是一个有n个光敏元的线阵CCD摄像器件。器件由光敏区、转移栅、模拟移位寄存器(即CCD)、电荷注入电路和信号电荷读出电路等几部分组成。器件的工作过程可归纳为积分、转移、传输、读出、计数等五个工作环节。这五个环节按一定时序工作，相互有严格的同步关系，并是个无限循环过程。图15.4为工作波形图。

图15.4 LCCⅠD工作波形

①积分: 在有效积分时间里，光栅如为高电平，每个光敏元下形成势阱。入射在光敏区的光子，在硅表面一定深度范围激发电子-空穴对。空穴被驱赶到半导体体内，光生电子被积累在光敏元的势阱中。势阱中电荷包的大小，与入射到该光敏元的光强成正比，也与积分时间成正比。所以，经过一定积分时间后，光敏区就对应入射光图像形成电荷包构成的“电像”。在积分阶段，转移栅是低电平而使光敏区与CCD隔开。这样，就保证了光敏区的正常积分及CCD将前一积分周期的信号正常转移和读出。

②转移: 这里的转移是指将n个光信号电荷包从光敏元并行转移到所对应的那位CCD中。为了避免转移中可能引起的信号损失或混淆，光栅、转移栅及CCD四相驱动脉冲电压的变化应遵照一定的时序。

③传输: 信号电荷包的传输是在转移过程结束之后开始的。n个信号电荷包依次沿着CCD串行传输。每驱动一个周期，各信号电荷包向输出端方向转移一位。第一个驱动周期输出的为第一个光敏元的信号电荷包; 第二个驱动周期输出第二个光敏元的信号电荷包; 依此类推，第n个驱动周期传输出来的为第n个光敏元的信号电荷包。

④计数: 计数器用来记录驱动周期的个数。由于每一驱动周期读出一个信号电荷包，所以，只要驱动n个周期就完成了全部信号的传输与读出。但考虑到“行回扫”时间的需要，应过驱动几次。故计数器的预置值通常定为n+m次，其中m为根据具体要求确定的过驱动次数。每当计数到预置值时，表示前一行的n个信号已全部读完，新一行的信号已经准备就绪，计数器产生一个脉冲，开始新的一行信号的“转移”、“传输”。计数器重新从零开始计数。

⑤读出: 输出电路的功能在于将信号电荷转换为信号电压并读出。(www.daowen.com)

线阵CCD摄像器件有着难以克服的缺点，即信号积累时间太短，在每帧时间内，对每个像元来说仅有一行扫描时间的积累。因此为增加信号积累，应该采用面阵器件。

本实验使用线阵CCD测量LED空间光功率分布，该线阵CCD为2048像素，相邻像素中心间隔14μm。

【实验仪器】

实验装置如图15.5所示: 线阵CCD、CA9005信息光电子综合实验系统、光纤连接线、溴钨灯、示波器。

图15.5 单模光纤数值孔径测量光路图

【实验内容及步骤】

(1)实验装置连接

①按图15.5所示结构放置各光学器件，并调节支架高度至各光学器件等高同轴。

②将单模光纤出射端用夹具固定。

③CCD正对单模光纤出射端放置，距离50mm。

④卤素灯驱动端连接至DCS和GND，CCD电源连接至DCS和GND，CCD输出信号连接至示波器。

(2)单模光纤数值孔径测量

①DCS置12V，调节光纤夹具，使得光束中心对准CCD中心。

②调节示波器，直到观察到稳定的CCD信号。

③记录信号波形，求单模光纤数值孔径。

【思考题】

(1)线阵CCD摄像器件有什么缺点?

(2)线阵CCD器件的工作过程可归纳为几个环节? 分别是什么?

【注意事项】

(1)测量过程中要用遮光布盖住仪器，防止外面光线对测量结果产生影响。

(2)溴钨灯工作时温度很高，不要碰到光纤和遮光布，不然会损坏光纤和烧焦遮光布。