2.4　固體電荷耦合成像器件（CCD）

電荷耦合器件（簡稱CCD）是一種MOS（金屬-氧化物-半導體）結構的新型器件。它具有光電轉換、信號存儲和信號傳輸（自掃描）的功能，在圖像傳感、信息處理和信息存儲等方面應用廣泛，因而發展非常迅速。

CCD的突出特點是：以電荷作為信號，而不同于其他大多數器件是以電流或者電壓為信號。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉移。因此，CCD工作過程的主要問題是信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測。

CCD有兩種基本類型：一種是電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面傳輸，這類器件稱為表面溝道CCD（簡稱SCCD）；另一種是電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內，并在半導體體內沿一定方向傳輸，這類器件稱為體溝道或埋溝道器件（簡稱BCCD）。

2.4.1　CCD工作的基本原理

以下將以SCCD為主對象來討論CCD的基本工作原理。

（1）電荷存儲

構成CCD的基本單元是MOS結構。如圖2-35（a）所示，在柵極G施加正偏壓U_G之前，p型半導體中的空穴（多數載流子）的分布是均勻的。當柵極施加正偏壓U_G（此時U_G小于p型半導體的閾值電壓U_th）后，空穴被排斥，產生耗盡區，如圖2-35（b）所示。偏壓繼續增加，耗盡區將進一步向半導體內延伸。當U_G>U_th時，半導體與絕緣體界面上的電勢（常稱為表面勢，用E_s表示）會高得足以將半導體體內的電子（少數載流子）吸引到表面，形成一層極薄的（約10^-2μm）但電荷濃度很高的反型層，如圖2-35（c）所示，反型層電荷的存在表明了MOS結構存儲電荷的功能。然而，當柵極電壓由零突變到高于閾值電壓時，摻雜半導體中的少數載流子很少，不能立即建立反型層。在此情況下，耗盡區將進一步向體內延伸。而且，柵極和襯底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區上。如果隨后可獲得少數載流子，那么耗盡區將收縮，表面勢下降，氧化層上的電壓增加。當提供足夠的少數載流子時，表面勢可降低到半導體材料費米能級E_f的兩倍。例如，對于摻雜為10¹⁵cm^-3的p型半導體，其費米能級為0.3V。耗盡區收縮到最小時，表面勢E_s下降到最低值0.6V，其余電壓降落在氧化層上。

表面勢E_s隨柵極電壓U_G和反型層電荷濃度Q_INV的變化如圖2-36和圖2-37所示。

圖2-36是在摻雜為10²¹cm^-3的情況下，對于氧化層的不同厚度在不存在反型層電荷時，表面勢E_s與柵極電壓U_G的關系曲線。圖2-37為柵極電壓不變的情況下，表面勢E_s與反型層電荷濃度Q_INV的關系曲線。曲線的直線性好，說明表面勢E_s與反型層電荷濃度Q_INV有著良好的反比例線性關系。這種線性關系很容易用半導體物理中的“勢阱”的概念來描述。電子所以被加有柵極電壓U_G的MOS結構吸引到氧化層與半導體的交界面處，是因為那里的勢能最低。在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度”與柵極電壓U_G的關系恰如E_s與U_G的線性關系。如圖2-38（a）空勢阱的情況。圖2-38（b）為反型層電荷填充1/3勢阱時，表面勢收縮。表面勢E_s與反型層電荷量Q_INV間的關系，如圖2-38（c）所示。當反型層電荷足夠多，使勢阱被填滿時，E_s降到2E_f。此時，表面勢不再束縛多余的電子，電子將產生“溢出”現象。因此，表面勢可作為勢阱深度的量度。而表面勢又與柵極電壓U_G、氧化層厚度d_ox有關，即與MOS電容容量C_ox與U_G的乘積有關。勢阱的橫截面積取決于柵極電極的面積A，MOS電容存儲信號電荷的容量為

Q=C_oxU_GA　　（2-32）

（2）電荷耦合

圖2-39通過對CCD中四個彼此靠得很近的電極的觀察，說明了CCD中的勢阱及電荷是如何從一個位置移到另一個位置的過程。假定開始時有一些電荷存儲在偏壓為10V的第二個電極下面的深勢阱里，其他電極上均加有大于閾值的較低的電壓（例如2V）。設圖2-39（a）為零時刻（初始時刻），過t時刻后，各電極上的電壓變為如圖2-39（b）所示，第二個電極仍保持為10V，第三個電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個電極靠得很緊（間隔只有幾微米），它們各自的對應勢阱將合并在一起。原來在第二個電極下的電荷變為這兩個電極下勢阱所共有，見圖2-39（b）、（c）。若此后電極上的電壓變為圖2-39（d）所示，第二個電極電壓由10V變為2V，第三個電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉移到第三個電極下的勢阱中，見圖2-39（e）。由此可見，深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。

通過將一定規則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導體表面按一定方向移動。通常把CCD電極分為幾組，并施加同樣的時鐘脈沖。CCD的內部結構決定了使其正常工作所需的相數。圖2-39所示的結構需要三相時鐘脈沖，其波形如圖2-39（f）所示，這樣的CCD稱為三相CCD。三相CCD的電荷耦合（傳輸）方式必須在三相交迭脈沖的作用下才能以一定的方向，逐個單元地轉移。

以電子為信號電荷的CCD稱為n型溝道CCD，簡稱為n型CCD。而以空穴為信號電荷的CCD稱為p型溝道CCD，簡稱為p型CCD。由于電子的遷移率（單位場強下的運動速度）遠大于空穴的遷移率，因此，n型CCD比p型CCD的工作頻率高得多。

（3）電荷的注入和輸出

①電荷的注入　在CCD中，電荷注入的方法有光注入和電注入兩種，這里介紹光注入方法。當光照射CCD硅片時，在柵極附近的半導體體內產生電子-空穴對，其多數載流子被柵極電壓排開，少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。光注入方式又可分為正面照射式及背面照射式。圖2-40所示為背面照射光注入的示意圖，CCD攝像器件的光敏單元為光注入方式。光注入電荷Q_IP為

Q_IP=ηqΔn_e0AT₀　　（2-32）

式中，η為材料的量子效率；q為電子電荷量；Δn_e0為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積，m²；T₀為光注入時間，s。

②電荷的輸出　目前CCD的輸出方式主要是電流輸出、浮置擴散放大器輸出和浮置柵放大器輸出三種，其中前兩種輸出為破壞性一次輸出，只有浮置柵放大器輸出為非破壞性輸出。

2.4.2　CCD的特性參數

（1）轉移效率η和轉移損失率ε

電荷轉移效率η是表征CCD性能好壞的重要參數。把一次轉移后，到達下個勢阱中的電荷與原來勢阱中的電荷之比稱為轉移效率。如在t=0時，某電極下的電荷為Q（0），在時間t時，大多數電荷在電場作用下向下一個電極轉移，但總有一小部分電荷由于某種原因留在該電極下，若被留下來的電荷為Q（t），則轉移效率η和轉移損失率ε就分別為

　　 （2-33） 　　

　　 （2-34） 　　

理想情況下η應等于1，但實際上電荷在轉移中有損失。所以η總是小于1，常為0.9999以上。一個電荷Q（0）的電荷包，經過n次轉移后，所剩下的電荷為Q（n）=Q（0）ηⁿ。影響電荷轉移效率的主要因素是界面態對電荷的俘獲。為此，常采用“胖零”工作模式，即讓“0”信號也有一定的電荷，以減少電荷每次轉移的損失率。

（2）工作頻率

為了避免由于熱產生的少數載流子對于注入信號的干擾，注入電荷從一個電極轉移到另一個電極所用的時間t必須小于少數載流子的平均壽命τ，即t<τ。在正常工作條件下，對于三相CCD，有

　　 （2-35） 　　

式中，f為工作頻率的下限。

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的時間t大于驅動脈沖使其轉移的時間，將會使轉移效率大大下降。為此，要求工作頻率的上限為

　　 （2-36） 　　

2.4.3　電荷耦合攝像器件（CCID）

電荷耦合攝像器件是用于攝像或像敏的器件，其功能是把二維光學圖像信號轉變為一維時序的視頻信號輸出。電荷耦合攝像器件有線型和面型兩大類型，兩者都需要用光學成像系統將景物圖像成在CCD的像敏面上。像敏面將照在每一像敏單元上的圖像照度信號轉變為少數載流子數密度信號存儲于像敏單元（MOS電容）中。然后，再轉移到CCD的移位寄存器（轉移電極下的勢阱）中，在驅動脈沖的作用下順序地移出器件，成為視頻信號。

對于線型器件，它可以直接接收一維光信息，而不能直接將二維圖像轉變為視頻信號輸出。為了得到整個二維圖像的視頻信號，就必須用掃描的方法來實現。

（1）一維（線陣）CCID

圖2-41是一維CCID結構原理，其中圖2-41（a）是一種單排結構，它包括光敏區和移位寄存區（轉移區）兩部分。移位寄存區被遮擋，每一光敏單元與移位寄存區之間用轉移柵隔開，轉移柵的作用是控制光敏單元所積累的光生信號電荷向移位寄存器轉移，轉移時間小于光照光敏區（即光積分）的時間。

單排結構線陣CCID的基本工作過程是：當轉移柵關閉時，光敏區在光照時間內所積累信號電荷的多少與一行圖像中每個光敏單元所對應的圖像的光強成正比，當積分周期結束，轉移柵打開，每一光敏單元勢阱內的信號電荷并行地轉移到移位寄存器相應的單元內；接著轉移柵關閉，光敏區開始對下一行圖像信號進行積分。與此同時，移位寄存器將已轉移到移位寄存器內的上一行信號電荷輸出為視頻脈沖信號。這種結構的CCID轉移次數多、效率低，只適用于光敏單元較少的攝像器件。

雙排結構的線陣CCID具有兩列移位寄存器A和B，分別在光敏區的兩邊，如圖2-41（b）所示。當轉移柵開啟時，其奇、偶光敏單元勢阱內所積累的信號電荷分別移入A、B兩列移位寄存器內，然后串行輸出，最后合二為一，恢復信號電荷的原有順序。顯然，這種雙排結構的CCID比單排結構的CCID的轉移次數少了一半，因此大大地提高了傳輸效率，一般在大于256位的一維CCID中采用。

（2）二維（面陣）CCID

按照光敏區和暫存區的不同排列，二維CCID可分為兩種結構。

①幀傳輸結構　圖2-42（a）是二維CCID幀傳輸結構示意圖。這種結構是由光敏區（成像區）、暫存區和水平移位寄存器三部分組成，光敏區由并行排列的若干個（設m個）電荷耦合溝道組成，各溝道間用溝阻隔開，使溝道內的電荷不能橫向移動，但水平驅動電極（圖2-42中未畫出）橫貫各溝道，每個溝道有n個光敏單元，因此整個光敏區有n×m個光敏單元。暫存區的結構和單元數與光敏區相同，而暫存區和水平移位寄存器是遮光的。工作過程如下：當光敏區接受圖像照射后，經一定時間（積分時間），光敏區下的勢阱內就積累和存儲了一定的圖像信號電荷，在光敏區和暫存區各自的轉移柵脈沖的驅動作用下把電荷圖像完整快速地移到暫存區；緊接著，光敏區開始積累第二幀圖像信號電行，與此同時，暫存區的信號電荷在轉移脈沖驅動下，一行一行地移至水平移位寄存器，并向外輸出；一旦第一幀信號電荷全部讀出，第二幀信號電荷又通過暫存區移入水平寄存器，實現連續地讀出。

這種CCID的特點是結構簡單，光敏單元的尺寸可以做得很小，但由于光敏區和暫存區的結構和光敏單元數一樣，芯片尺寸顯得較大，然而與真空攝像管相比，其體積仍顯得很小。

②行間轉移結構　圖2-42（b）為二維CCID行間轉移結構示意圖，這種結構類似于單通道線陣CCID的組合，只是為了同步而把所有的轉移柵連在一起，組成了一個垂直移位寄存器，為了達到二維自掃描目的，又加了水平移位寄存器。其工作過程是：光敏區接收圖像照射后產生圖像信號電荷，并存儲在光敏區下面的勢阱中，當積累到一定的信號電荷（經積分時間）時，轉移柵開啟，把光敏區里的圖像信號電荷轉移到各自的垂直移位寄存器；當轉移柵關閉后，光敏區繼續積累圖像信號電荷，垂直移位寄存器中的信號電荷在垂直轉移脈沖驅動下向下移一位，緊接著水平移位寄存器在水平轉移脈沖驅動下以極快的速度送至輸出端輸出，構成一行視頻信號；如此重復，直把剛才垂直移位寄存器中的所有信號電荷水平輸出，此時才完成一幀圖像信息的變換工作。

（3）三相驅動一維CCID器件介紹

圖2-43是DL40型256×1CCID的邏輯框圖，它主要由光敏區、轉移柵、移位寄存器、輸出柵組成，它們的作用與前述相同。圖2-43中還有排洪柵和排洪漏是為防止某些像元中電荷過載（如強光照射）溢至相鄰光敏單元所設置的，通常工作時加有直流偏置，使超過光敏元件中最大電荷量的電荷流入排洪漏；OS和OS'是補償放大器的源極輸出，可以抑制視頻信號和暗電流信號噪聲的影響。

該器件需要ф_s、ф₁、ф₂、ф₃、ф_R五路驅動脈沖及V_p、V_BB等直流偏置電壓。其中ф_s為轉移柵脈沖。轉移柵開啟時間為T/2（高電平），其余為關閉時間（低電平）。ф₁、ф₂、ф₃為移位寄存器的三相驅動脈沖，其周期為T。ф_R為復位脈沖，它的作用是每輸出一位信號復位一次，因此周期也為T。

當圖像信息（已積累好）需要轉移時，轉移柵脈沖ф_s和接收信號電荷的移位寄存器都應為高電平，即轉移柵開啟，使光敏單元下勢阱中積累的一行圖像信號電荷通行無阻地進入已形成勢阱的移位寄存器。當信號電荷進入移位寄存器后，ф_s脈沖馬上為低電平（關閉），此時阻止信號電荷再從光敏區流向移位寄存器，光敏區再進行光積分，與此同時，移位寄存器在三相驅動脈沖ф₁、ф₂、ф₃的作用下將256位光敏單元的信號電荷輸出。

三相驅動一維CCID是在三相交疊脈沖ф₁、ф₂、ф₃的驅動下，一位位地轉移，最后輸出視頻信號的，因此，三相驅動脈沖的產生非常重要。圖2-44（a）所示為用一片四聯D觸發器產生三相驅動脈沖的電路。設D₁=、D₂=Q₁、D₃=Q₂，三個D觸發器的時鐘端CK連在一起，并將其接到振蕩器的輸出端，三個D觸發器的復位端R也連在一起接至開機自動復位電路上。

當開機時，三個D觸發器均處于自動復位（置零）狀態，此時見D₁=1、D₂=0、D₃=0，經過一段時間t后，電容C充電到高電平，復位端為“1”，不再復位，三個D觸發器將從零開始接受時鐘脈沖的作用，按D端的狀態工作，產生如圖2-44（b）所示的波形，設=ф₁，Q₁=ф₂，Q₃=ф₃，此時，ф₂，為三相交疊脈沖。

2.4.4　CCD技術應用舉例

CCD應用技術是光、機、電和計算機相結合的高新技術，應用范圍很廣，應用方法也很多。本節將簡要介紹一些CCD實際應用系統。

（1）CCD用于一維尺寸測量

CCD用于一維尺寸測量的技術是非常有效的非接觸檢測技術，被廣泛地應用于各種加工件的在線檢測和高精度、高速度的檢測技術領域。由CCD像傳感器、光學系統、計算機數據采集和處理系統構成的CCD光電尺寸檢測儀器的使用范圍和優越性是現有機械式、光學式、電磁式測量儀器都無法比擬的。這與CCD本身所具有的高分辨率、高靈敏度、像素位置信息強、結構緊湊及其自掃描的特性密切相關。這種測量方法往往無須配置復雜的機械運動機構，從而減少產生誤差來源，使測量更準確、更方便。下面以CCD玻璃管內、外徑尺寸測控儀為例，討論CCD用于尺寸測量的技術。

以線陣CCD像傳感器為核心的玻璃管尺寸測控儀用于控制玻璃管生產線，對玻璃管外圓直徑及壁厚尺寸進行實時監測，并根據測試結果對生產過程進行控制，以便提高產品的合格率。該測量儀器的技術指標是：

①測量范圍為ф20mm和ф28mm；

②測量精度為外徑ф（20±0.3）mm和ф（28±0.4）mm，壁厚（1.2±0.05）mm和（2±0.07）mm；

③顯示內容為實測玻璃管直徑、壁厚值、上下偏差及超差報警；

④過程控制為玻璃管拉制速度、吹氣量及合格品篩選控制信號的輸出。

（2）儀器的工作原理

玻璃管外徑、壁厚測量控制儀的系統原理方框圖如圖2-45所示。

整個系統由照明系統、被測玻璃管夾持系統、成像物鏡、光電檢測系統和計算機測控系統構成。穩壓穩流調光電源為遠心照明系統提供穩定的照明光，被照明的玻璃管經成像物鏡成像在線陣CCD的光敏陣列面上。由于透射率的不同，玻璃管的像在上下邊緣處形成兩條暗帶，中間部分的透射光相對較強，形成亮帶。兩條暗帶最外邊的邊界距離為玻璃管外徑所成像的大小，中間亮帶寬度反映了玻璃管內徑像的大小，而暗帶寬則是玻璃管的管壁所成的像。線陣CCD在驅動脈沖的作用下完成光電轉換并產生如圖2-46所示的視頻信號。

CCD輸出的視頻信號需要經二值化電路進行二值化處理，以明確區分出外徑和壁厚的信號。二值化處理是把圖像和背景作為分離的二值圖像對待。光學系統把被測對象成像在CCD光敏元上，由于被測物與背景在光強上的強烈變化，反映在CCD視頻信號中所對應的圖像尺寸邊界處會有急劇的電平變化，通過二值比處理把CCD視頻信號中圖像尺寸部分與背景部分分離成二值電平。實現CCD視頻信號二值化的處理由硬件電路完成，常采用電壓比較器，即將視頻信號與某一電平閾值比較，視頻信號電平高于閾值的部分輸出高電平，而低于閾值部分輸出低電平，形成具有—定寬度的二值化電平的脈沖信號，如圖2-47所示。

該脈沖寬度對應被測對象尺寸大小。將外徑、壁厚信號經長線傳輸到微機數據采集接口電路，計算機計算出外徑和壁厚值，再將計算值與公差帶值作比較得到偏差量。這時，一方面保存所測得的偏差量；另一方面根據偏差的情況給出調整玻璃管的拉制速度和吹氣量等參數的調節信號，同時發出分選信號，選出超差的玻璃管和合格的玻璃管。

（3）工業內窺鏡電視系統

在質量控制、測試及維護檢驗中，正確地識別裂縫、應力、焊接整體性及腐蝕等缺陷是非常重要的，但傳統的光纖內窺鏡的光纖成像卻常使檢查人員難于判斷是真正的瑕疵，還是圖像不清造成的結果。

運用CCD電子成像技術的工業內窺鏡電視，可以在易于觀察的電視熒光屏上看到一個清晰的、真實色彩的放大圖像。根據這個明亮而分辨率高的圖像，檢查人員能快速而準確地進行檢查工作。

在這種工業內窺鏡中，利用電子成像的辦法，不但可以提供比光纖更清晰及分辨率更高的圖像，而且能在探測步驟及編制文件方面提供更大的靈活性。這種視頻電子成像系統最適用于檢查焊接、涂裝或密封，檢查孔隙、阻塞或磨損，尋查零件的松動及振動。在過去，內表面的檢查，只能靠成本昂貴的拆卸檢查，而現在則可迅速地得到一個非常清晰的圖像。此系統可由多個觀察人員在電視熒光屏上提供悅目的大型圖像，也可制成高質量的錄像帶及照相文件。