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τ D =10 -8 s(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ε 0 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。