题目内容
（请给出正确答案）
[单选题]
CCD图像传感器进行自我扫描，形成电信号一行一行送出，CDD需要的驱动脉冲信号是（)。
A.水平驱动脉冲信号
B.垂直驱动脉冲信号
C.水平和垂直驱动脉冲信号
D.不需要任何驱动脉冲信号
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线阵CCD的基本特性测试
实验目的
(1)通过对典型线阵CCD在不同驱动频率和不同积分时间下输出信号的测量，进一步掌握线阵CCD的基本特性；
(2)加深认识积分时间对CCD输出信号的影响，掌握驱动频率和积分时间设置与改变的意义；
(3)正确理解线阵CCD器件的光照灵敏度的概念与饱和“溢出”的效应。
实验准备内容
(1)阅读实验指导书，了解实验目的、内容及原理；
(2)学习掌握线阵CCD的基本工作原理(参考《光电检测技术》教材第5章第4节中有关内容)。
(3)学习掌握TCD2252D线阵CCD基本工作原理(参考附录中的特性参数表)。
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。
实验内容
通过对典型线阵CCD的输出信号和驱动脉冲相位关系的测量，掌握线阵CCD的基本特性。特别注意对积分时间、驱动频率、输出信号幅度等的测量结果的分析。找出积分时间、驱动频率、输出信号幅度间的关系，FC脉冲与输出信号的相位关系，说明FC脉冲的作用。具体实验作下列2项检测：
1．驱动频率变化对CCD输出波形影响的测量
观测不同驱动频率情况下的输出信号波形，了解它们之间的关系，掌握驱动频率变化对CCD输出波形的影响。
2．积分时间与输出信号的测量
观测不同积分时间情况下的输出信号波形，了解它们之间的关系，掌握积分时间变化对CCD输出波形的影响。
实验基本原理
线阵CCD的特性参数很多，这里只介绍一下同实验有关的驱动脉冲电压的频率，即CCD的工作频率。
1．工作频率的下限f下
CCD是一种非稳态器件，如果驱动脉冲电压变化太慢，则在电荷存贮时间内，MOS电容已向稳态过渡，即热激发产生的少数载流子不断加入到存贮的信号电荷中，会使信号受到干扰，如果热激发产生的少数载流子很快填满势阱，则注入电荷的存贮和转移均成泡影。因此，驱动时钟脉冲电压必须有一个下限频率的限制。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下一个电极所用的转移时间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，
式中T为时钟脉冲的周期，于是可得工作频率的下限为：
(9-1)
对二相与四相CCD有
(9-2a)
(9-2b)
由此可见，CCD的工作频率的下限与少数载流子的寿命τ有关。τ愈长，f下愈低。
2．工作频率的上限f上
由于CCD的电极长度不是无限小，信号电荷通过电极需要一定的时间。若驱动的时钟的脉冲变化太快，在转移势阱中的电荷全部转移到接收势阱中之前，时钟脉冲电压的相位已经变化了，这就使部分剩余电荷来不及转移，引起电荷转移损失。即当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需要的转移时间￡大于驱动脉冲使其转移的时间T/3，那么，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，将会使转移效率大大下降。为此，若要电荷有效地转移，对三相CCD来说，必须使转移时间t≤T/3，即
(9-3)
同样，对二相与四相CCD有
(9-4a)
(9-4b)
这就是电荷自身的转移时间对驱动脉冲频率上限的限制。由于电荷转移的快慢与载流子迁移率、电极长度、衬底杂质浓度和温度等因素有关，因此，对于相同的结构设计，n沟CCD比p沟CCD的工作频率高。
3．驱动脉冲频率f与损失率ε间的关系
三相多晶硅n沟道SCCD实测驱动脉冲频率f与损失率ε之间的关系曲线，如下图所示。由曲线可以看出，表面沟道CCD的驱动脉冲频率的上限为10MHz。高于10MHz后，CCD的转移损失率将急骤增加。这是因为工作频率高于f上，信号电荷来不及转移所致。
如果信号电荷的转移时间t不知道，工作频率的上限f上也可通过电荷的转移损失率ε得到。一般，CCD的势阱中的电量因热扩散作用的衰减的时间常数为τD=10-8s(与所用材料和栅极结构有关)。若使ε不大于要求的转移损失率ε0值，则对三相CCD有f上为
(9-5)
对二相与四相CCD相应有
(9-6a)
(9-6b)
显然，如果上述CCD驱动频率发生变化，将会对CCD的积分时间与输出信号波形产生影响。下面进行的实验，将会对此作出验证。
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。
