电荷耦合器件(Charge Coupled Devices),简称CCD,是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的,由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且集成度高、功耗低,因此随后得到飞速发展,是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件,广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。
CCD传感器的基本原理
CCD的最基本单元:MOS电容器是构成CCD的最基本单元是,它是金属—氧化物—半导体(MOS)器件中结构最为简单的。
MOS电容器
①信号电荷的产生:CCD工作过程的第一步是电荷的产生。CCD可以将入射光信号转换为电荷输出,依据的是半导体的内光电效应(也就是光生伏特效应)。
②信号电荷的存储:CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集,就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。
③信号电荷的传输(耦合):CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移,就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元,直到全部电荷包输出完成的过程。
④信号电荷的检测:CCD工作过程的第四步是电荷的检测,就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。
输出类型,主要有以下三种:
1)电流输出
2)浮置栅放大器输出
3)浮置扩散放大器输出
CCD工作过程示意图
CCD的MOS结构
CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS(金属—氧化物—半导体)电容器组成的阵列。在P型或N型硅衬底上生长一层很薄(约120nm)的二氧化硅,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极(栅极),形成规则的MOS电容器阵列,再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。
当向SiO2表面的电极加正偏压时,P型硅衬底中形成耗尽区(势阱),耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子(电子)被吸收到最高正偏压电极下的区域内(如上图中Ф1极下),形成电荷包(势阱)。对于N型硅衬底的CCD器件,电极加正偏压时,少数载流子为空穴。
CCD传感器的结构类型
按照像素排列方式的不同,可以将CCD分为线阵和面阵两大类。
线阵CCD又分为单沟道线阵CCD和双沟道线阵CCD
单沟道线阵CCD:转移次数多、效率低。只适用于像素单元较少的成像器件。
双沟道线阵CCD:转移次数减少一半,它的总转移效率也提高为原来的两倍。
线阵CCD每次扫描一条线,为了得到整个二维图像的视频信号,就必须用扫描的方法实现。
面阵CCD:按照一定的方式将一维线阵CCD的光敏单元及移位寄作器排列成二维阵列。就可以构成二维面阵CCD。分为帧转移面阵CCD及隔列转移面阵CCD。
帧转移面阵CCD结构图
帧转移面阵CCD工作过程
优点:电极结构简单,感光区面积可以很小。
缺点:需要面积较大暂存区。
隔列转移面阵CCD结构图
隔列转移面阵CCD工作过程
优点:转移效率大大提高。
缺点:结构较为复杂。
面阵CCD同时曝光整个图像
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