2.4　固体电荷耦合成像器件（CCD）

电荷耦合器件（简称CCD）是一种MOS（金属-氧化物-半导体）结构的新型器件。它具有光电转换、信号存储和信号传输（自扫描）的功能，在图像传感、信息处理和信息存储等方面应用广泛，因而发展非常迅速。

CCD的突出特点是：以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。

CCD有两种基本类型：一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道CCD（简称SCCD）；另一种是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD）。

2.4.1　CCD工作的基本原理

以下将以SCCD为主对象来讨论CCD的基本工作原理。

（1）电荷存储

构成CCD的基本单元是MOS结构。如图2-35（a）所示，在栅极G施加正偏压U_G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U_G（此时U_G小于p型半导体的阈值电压U_th）后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图2-35（b）所示。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。当U_G>U_th时，半导体与绝缘体界面上的电势（常称为表面势，用E_s表示）会高得足以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2-35（c）所示，反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。然而，当栅极电压由零突变到高于阈值电压时，掺杂半导体中的少数载流子很少，不能立即建立反型层。在此情况下，耗尽区将进一步向体内延伸。而且，栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上。如果随后可获得少数载流子，那么耗尽区将收缩，表面势下降，氧化层上的电压增加。当提供足够的少数载流子时，表面势可降低到半导体材料费米能级E_f的两倍。例如，对于掺杂为10¹⁵cm^-3的p型半导体，其费米能级为0.3V。耗尽区收缩到最小时，表面势E_s下降到最低值0.6V，其余电压降落在氧化层上。

表面势E_s随栅极电压U_G和反型层电荷浓度Q_INV的变化如图2-36和图2-37所示。

图2-36是在掺杂为10²¹cm^-3的情况下，对于氧化层的不同厚度在不存在反型层电荷时，表面势E_s与栅极电压U_G的关系曲线。图2-37为栅极电压不变的情况下，表面势E_s与反型层电荷浓度Q_INV的关系曲线。曲线的直线性好，说明表面势E_s与反型层电荷浓度Q_INV有着良好的反比例线性关系。这种线性关系很容易用半导体物理中的“势阱”的概念来描述。电子所以被加有栅极电压U_G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U_G的关系恰如E_s与U_G的线性关系。如图2-38（a）空势阱的情况。图2-38（b）为反型层电荷填充1/3势阱时，表面势收缩。表面势E_s与反型层电荷量Q_INV间的关系，如图2-38（c）所示。当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，E_s降到2E_f。此时，表面势不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象。因此，表面势可作为势阱深度的量度。而表面势又与栅极电压U_G、氧化层厚度d_ox有关，即与MOS电容容量C_ox与U_G的乘积有关。势阱的横截面积取决于栅极电极的面积A，MOS电容存储信号电荷的容量为

Q=C_oxU_GA　　（2-32）

（2）电荷耦合

图2-39通过对CCD中四个彼此靠得很近的电极的观察，说明了CCD中的势阱及电荷是如何从一个位置移到另一个位置的过程。假定开始时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的电压（例如2V）。设图2-39（a）为零时刻（初始时刻），过t时刻后，各电极上的电压变为如图2-39（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紧（间隔只有几微米），它们各自的对应势阱将合并在一起。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，见图2-39（b）、（c）。若此后电极上的电压变为图2-39（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的势阱中，见图2-39（e）。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。

通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极分为几组，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。图2-39所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形如图2-39（f）所示，这样的CCD称为三相CCD。三相CCD的电荷耦合（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，逐个单元地转移。

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。

（3）电荷的注入和输出

①电荷的注入　在CCD中，电荷注入的方法有光注入和电注入两种，这里介绍光注入方法。当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。光注入方式又可分为正面照射式及背面照射式。图2-40所示为背面照射光注入的示意图，CCD摄像器件的光敏单元为光注入方式。光注入电荷Q_IP为

Q_IP=ηqΔn_e0AT₀　　（2-32）

式中，η为材料的量子效率；q为电子电荷量；Δn_e0为入射光的光子流速率；A为光敏单元的受光面积，m²；T₀为光注入时间，s。

②电荷的输出　目前CCD的输出方式主要是电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出三种，其中前两种输出为破坏性一次输出，只有浮置栅放大器输出为非破坏性输出。

2.4.2　CCD的特性参数

（1）转移效率η和转移损失率ε

电荷转移效率η是表征CCD性能好坏的重要参数。把一次转移后，到达下个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为转移效率。如在t=0时，某电极下的电荷为Q（0），在时间t时，大多数电荷在电场作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电荷由于某种原因留在该电极下，若被留下来的电荷为Q（t），则转移效率η和转移损失率ε就分别为

　　 （2-33） 　　

　　 （2-34） 　　

理想情况下η应等于1，但实际上电荷在转移中有损失。所以η总是小于1，常为0.9999以上。一个电荷Q（0）的电荷包，经过n次转移后，所剩下的电荷为Q（n）=Q（0）ηⁿ。影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获。为此，常采用“胖零”工作模式，即让“0”信号也有一定的电荷，以减少电荷每次转移的损失率。

（2）工作频率

为了避免由于热产生的少数载流子对于注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t必须小于少数载流子的平均寿命τ，即t<τ。在正常工作条件下，对于三相CCD，有

　　 （2-35） 　　

式中，f为工作频率的下限。

当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需的时间t大于驱动脉冲使其转移的时间，将会使转移效率大大下降。为此，要求工作频率的上限为

　　 （2-36） 　　

2.4.3　电荷耦合摄像器件（CCID）

电荷耦合摄像器件是用于摄像或像敏的器件，其功能是把二维光学图像信号转变为一维时序的视频信号输出。电荷耦合摄像器件有线型和面型两大类型，两者都需要用光学成像系统将景物图像成在CCD的像敏面上。像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元（MOS电容）中。然后，再转移到CCD的移位寄存器（转移电极下的势阱）中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。

对于线型器件，它可以直接接收一维光信息，而不能直接将二维图像转变为视频信号输出。为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法来实现。

（1）一维（线阵）CCID

图2-41是一维CCID结构原理，其中图2-41（a）是一种单排结构，它包括光敏区和移位寄存区（转移区）两部分。移位寄存区被遮挡，每一光敏单元与移位寄存区之间用转移栅隔开，转移栅的作用是控制光敏单元所积累的光生信号电荷向移位寄存器转移，转移时间小于光照光敏区（即光积分）的时间。

单排结构线阵CCID的基本工作过程是：当转移栅关闭时，光敏区在光照时间内所积累信号电荷的多少与一行图像中每个光敏单元所对应的图像的光强成正比，当积分周期结束，转移栅打开，每一光敏单元势阱内的信号电荷并行地转移到移位寄存器相应的单元内；接着转移栅关闭，光敏区开始对下一行图像信号进行积分。与此同时，移位寄存器将已转移到移位寄存器内的上一行信号电荷输出为视频脉冲信号。这种结构的CCID转移次数多、效率低，只适用于光敏单元较少的摄像器件。

双排结构的线阵CCID具有两列移位寄存器A和B，分别在光敏区的两边，如图2-41（b）所示。当转移栅开启时，其奇、偶光敏单元势阱内所积累的信号电荷分别移入A、B两列移位寄存器内，然后串行输出，最后合二为一，恢复信号电荷的原有顺序。显然，这种双排结构的CCID比单排结构的CCID的转移次数少了一半，因此大大地提高了传输效率，一般在大于256位的一维CCID中采用。

（2）二维（面阵）CCID

按照光敏区和暂存区的不同排列，二维CCID可分为两种结构。

①帧传输结构　图2-42（a）是二维CCID帧传输结构示意图。这种结构是由光敏区（成像区）、暂存区和水平移位寄存器三部分组成，光敏区由并行排列的若干个（设m个）电荷耦合沟道组成，各沟道间用沟阻隔开，使沟道内的电荷不能横向移动，但水平驱动电极（图2-42中未画出）横贯各沟道，每个沟道有n个光敏单元，因此整个光敏区有n×m个光敏单元。暂存区的结构和单元数与光敏区相同，而暂存区和水平移位寄存器是遮光的。工作过程如下：当光敏区接受图像照射后，经一定时间（积分时间），光敏区下的势阱内就积累和存储了一定的图像信号电荷，在光敏区和暂存区各自的转移栅脉冲的驱动作用下把电荷图像完整快速地移到暂存区；紧接着，光敏区开始积累第二帧图像信号电行，与此同时，暂存区的信号电荷在转移脉冲驱动下，一行一行地移至水平移位寄存器，并向外输出；一旦第一帧信号电荷全部读出，第二帧信号电荷又通过暂存区移入水平寄存器，实现连续地读出。

这种CCID的特点是结构简单，光敏单元的尺寸可以做得很小，但由于光敏区和暂存区的结构和光敏单元数一样，芯片尺寸显得较大，然而与真空摄像管相比，其体积仍显得很小。

②行间转移结构　图2-42（b）为二维CCID行间转移结构示意图，这种结构类似于单通道线阵CCID的组合，只是为了同步而把所有的转移栅连在一起，组成了一个垂直移位寄存器，为了达到二维自扫描目的，又加了水平移位寄存器。其工作过程是：光敏区接收图像照射后产生图像信号电荷，并存储在光敏区下面的势阱中，当积累到一定的信号电荷（经积分时间）时，转移栅开启，把光敏区里的图像信号电荷转移到各自的垂直移位寄存器；当转移栅关闭后，光敏区继续积累图像信号电荷，垂直移位寄存器中的信号电荷在垂直转移脉冲驱动下向下移一位，紧接着水平移位寄存器在水平转移脉冲驱动下以极快的速度送至输出端输出，构成一行视频信号；如此重复，直把刚才垂直移位寄存器中的所有信号电荷水平输出，此时才完成一帧图像信息的变换工作。

（3）三相驱动一维CCID器件介绍

图2-43是DL40型256×1CCID的逻辑框图，它主要由光敏区、转移栅、移位寄存器、输出栅组成，它们的作用与前述相同。图2-43中还有排洪栅和排洪漏是为防止某些像元中电荷过载（如强光照射）溢至相邻光敏单元所设置的，通常工作时加有直流偏置，使超过光敏元件中最大电荷量的电荷流入排洪漏；OS和OS'是补偿放大器的源极输出，可以抑制视频信号和暗电流信号噪声的影响。

该器件需要ф_s、ф₁、ф₂、ф₃、ф_R五路驱动脉冲及V_p、V_BB等直流偏置电压。其中ф_s为转移栅脉冲。转移栅开启时间为T/2（高电平），其余为关闭时间（低电平）。ф₁、ф₂、ф₃为移位寄存器的三相驱动脉冲，其周期为T。ф_R为复位脉冲，它的作用是每输出一位信号复位一次，因此周期也为T。

当图像信息（已积累好）需要转移时，转移栅脉冲ф_s和接收信号电荷的移位寄存器都应为高电平，即转移栅开启，使光敏单元下势阱中积累的一行图像信号电荷通行无阻地进入已形成势阱的移位寄存器。当信号电荷进入移位寄存器后，ф_s脉冲马上为低电平（关闭），此时阻止信号电荷再从光敏区流向移位寄存器，光敏区再进行光积分，与此同时，移位寄存器在三相驱动脉冲ф₁、ф₂、ф₃的作用下将256位光敏单元的信号电荷输出。

三相驱动一维CCID是在三相交叠脉冲ф₁、ф₂、ф₃的驱动下，一位位地转移，最后输出视频信号的，因此，三相驱动脉冲的产生非常重要。图2-44（a）所示为用一片四联D触发器产生三相驱动脉冲的电路。设D₁=、D₂=Q₁、D₃=Q₂，三个D触发器的时钟端CK连在一起，并将其接到振荡器的输出端，三个D触发器的复位端R也连在一起接至开机自动复位电路上。

当开机时，三个D触发器均处于自动复位（置零）状态，此时见D₁=1、D₂=0、D₃=0，经过一段时间t后，电容C充电到高电平，复位端为“1”，不再复位，三个D触发器将从零开始接受时钟脉冲的作用，按D端的状态工作，产生如图2-44（b）所示的波形，设=ф₁，Q₁=ф₂，Q₃=ф₃，此时，ф₂，为三相交叠脉冲。

2.4.4　CCD技术应用举例

CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，应用范围很广，应用方法也很多。本节将简要介绍一些CCD实际应用系统。

（1）CCD用于一维尺寸测量

CCD用于一维尺寸测量的技术是非常有效的非接触检测技术，被广泛地应用于各种加工件的在线检测和高精度、高速度的检测技术领域。由CCD像传感器、光学系统、计算机数据采集和处理系统构成的CCD光电尺寸检测仪器的使用范围和优越性是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器都无法比拟的。这与CCD本身所具有的高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑及其自扫描的特性密切相关。这种测量方法往往无须配置复杂的机械运动机构，从而减少产生误差来源，使测量更准确、更方便。下面以CCD玻璃管内、外径尺寸测控仪为例，讨论CCD用于尺寸测量的技术。

以线阵CCD像传感器为核心的玻璃管尺寸测控仪用于控制玻璃管生产线，对玻璃管外圆直径及壁厚尺寸进行实时监测，并根据测试结果对生产过程进行控制，以便提高产品的合格率。该测量仪器的技术指标是：

①测量范围为ф20mm和ф28mm；

②测量精度为外径ф（20±0.3）mm和ф（28±0.4）mm，壁厚（1.2±0.05）mm和（2±0.07）mm；

③显示内容为实测玻璃管直径、壁厚值、上下偏差及超差报警；

④过程控制为玻璃管拉制速度、吹气量及合格品筛选控制信号的输出。

（2）仪器的工作原理

玻璃管外径、壁厚测量控制仪的系统原理方框图如图2-45所示。

整个系统由照明系统、被测玻璃管夹持系统、成像物镜、光电检测系统和计算机测控系统构成。稳压稳流调光电源为远心照明系统提供稳定的照明光，被照明的玻璃管经成像物镜成像在线阵CCD的光敏阵列面上。由于透射率的不同，玻璃管的像在上下边缘处形成两条暗带，中间部分的透射光相对较强，形成亮带。两条暗带最外边的边界距离为玻璃管外径所成像的大小，中间亮带宽度反映了玻璃管内径像的大小，而暗带宽则是玻璃管的管壁所成的像。线阵CCD在驱动脉冲的作用下完成光电转换并产生如图2-46所示的视频信号。

CCD输出的视频信号需要经二值化电路进行二值化处理，以明确区分出外径和壁厚的信号。二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。光学系统把被测对象成像在CCD光敏元上，由于被测物与背景在光强上的强烈变化，反映在CCD视频信号中所对应的图像尺寸边界处会有急剧的电平变化，通过二值比处理把CCD视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平。实现CCD视频信号二值化的处理由硬件电路完成，常采用电压比较器，即将视频信号与某一电平阈值比较，视频信号电平高于阈值的部分输出高电平，而低于阈值部分输出低电平，形成具有—定宽度的二值化电平的脉冲信号，如图2-47所示。

该脉冲宽度对应被测对象尺寸大小。将外径、壁厚信号经长线传输到微机数据采集接口电路，计算机计算出外径和壁厚值，再将计算值与公差带值作比较得到偏差量。这时，一方面保存所测得的偏差量；另一方面根据偏差的情况给出调整玻璃管的拉制速度和吹气量等参数的调节信号，同时发出分选信号，选出超差的玻璃管和合格的玻璃管。

（3）工业内窥镜电视系统

在质量控制、测试及维护检验中，正确地识别裂缝、应力、焊接整体性及腐蚀等缺陷是非常重要的，但传统的光纤内窥镜的光纤成像却常使检查人员难于判断是真正的瑕疵，还是图像不清造成的结果。

运用CCD电子成像技术的工业内窥镜电视，可以在易于观察的电视荧光屏上看到一个清晰的、真实色彩的放大图像。根据这个明亮而分辨率高的图像，检查人员能快速而准确地进行检查工作。

在这种工业内窥镜中，利用电子成像的办法，不但可以提供比光纤更清晰及分辨率更高的图像，而且能在探测步骤及编制文件方面提供更大的灵活性。这种视频电子成像系统最适用于检查焊接、涂装或密封，检查孔隙、阻塞或磨损，寻查零件的松动及振动。在过去，内表面的检查，只能靠成本昂贵的拆卸检查，而现在则可迅速地得到一个非常清晰的图像。此系统可由多个观察人员在电视荧光屏上提供悦目的大型图像，也可制成高质量的录像带及照相文件。