激光位移计-ccd的工作原理与应用

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1、激光位移计-CCD的工作原理与应用CCD（ChargeCoupledDevices）电荷耦合器件，是70年代初发展起来的新型半导体器件。它由美国贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年首先提出，在经历了一段时间的研究之后，建立了以一维势阱模型为基础的非稳态CCD基本理论。几十年来，CCD的研究取得了惊人的进展，特别是在像感器应用方面发展迅速，已成为现代光电子学和现代测试技术中最活跃，最富有成果的新兴领域之一。实验目的1、了解二相线阵CCD的基本工作原理2、了解二相线阵CCD驱动信号时序3、了解线阵CCD在位移测量中的应用方法

2、实验仪器1.CCD激光位移计2.数字示波器准备好坐标纸、铅笔和直尺，也可用相机。实验原理1．CCD的基本结构15电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它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产生、储存和转移。一个完整的CCD器件由像敏单元、转移栅、模拟转移寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。1．1像敏单元MOS的结构和感光工作原理构成CCD的基本单元是像敏单元，其结构如图1所示，常称为MOS结构。在栅极G施加正偏压之前（此时小于P型半导体的阈值电压），P型半导体中的空穴是均匀分布的。当栅极施加正向偏压后，空穴被排斥

3、，产生耗尽区。当时，半导体与绝缘体界面上的电势将变得如此之高，以至于将半导体内的电子吸引到表面，形成一层极薄的但电荷浓度很高的反型层。反型层电荷的存在表明了MOS结构储存电荷的功能。图115然而，当栅极电压由零突变到高于阈值电压时，因半导体中的少数载流子很少，不能立即建立反型层。在不存在反型层的情况下，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施加在耗尽区上。如果随后获得少数载流子，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，表面势可降到半导体材料费米能级的两倍。表面势与反型电荷浓度有着良好的线性

4、关系，相当于一个势阱。电子之所以被加有栅极电压的MOS结构吸引到氧化层与半导体交界面处，就是因为那里势能最低。在没有反型层电荷时，势阱深度与栅极电压为线性关系。当反型层电荷填充时，表面势下降，当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，下降到，表面势不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象。当MOS器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现

5、了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。总之，上述结构实质上是个微小的MOS电容，用它构成象素，既可“感光”又可留下“潜影”，感光作用是靠光强产生的电子电荷积累，潜影是各个象素留在各个电容里的电荷不等而形成的，若能设法把各个电容里的电荷依次传送到输出端，再组成行和帧并经过“显影”就实现了图象的传递和再现。1.2电荷的转移与传输15像敏单元中因感光而储存的电子依靠转移栅转移到模拟转移寄存器中。CCD的转移栅和模拟转移寄存器都是一列排列紧密的MOS电容器，它的表面由不透光的铝层覆盖，以

6、实现光屏蔽。由上面讨论可知，MOS电容器上的电压愈高，产生的势阱愈深，当外加电压一定，势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小。利用这一特性，通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱深浅。制造时将MOS电容紧密排列，使相邻的MOS电容势阱相互“沟通”。认为相邻MOS电容两电极之间的间隙足够小（目前工艺可做到0.2μm），在信号电荷自感生电场的库仑力推动下，就可使信号电荷由浅处流向深处，实现信号电荷转移。为了保证信号电荷按确定路线转移，通常MOS电容阵列栅极上所加电压脉冲为严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉冲。下面我们分别介绍三相和二

7、相CCD结构及工作原理。1.2.1三相CCD模拟转移寄存器的结构和传输原理CCD中电荷信号的转移传输则是靠一定数量紧密排列的MOS结构组成的模拟转移寄存器，在各MOS结构的电极上加不同的电压就可实现电荷按一定方向的传递。如图2所示。15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势阱里，其它电极上均加有大于阈值的较低电压，如图2(a)所示。当第三个电极上的电压由2V变到10V，由于这两个电极彼此很近，它们的势阱将合并成一个势阱，而原来电极下的电荷将变为两个电极共有。当第二个电极的电压下降为2V，电荷将转移到第三个电极下的势阱中，这样电

8、荷包就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的电极分