CCD基本原理

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