什么是CCD傳感器？CCD的原理是什么？

CCD圖像傳感器是一種新型半導(dǎo)體器件一電荷禍合器件，是一種MOS集成電路。它作為一種新型的光電轉(zhuǎn)換型傳感器，不但具有體積小、重量輕、功耗小、工作電壓低和抗燒毀等優(yōu)點(diǎn)，而且在分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、實(shí)時(shí)傳輸和自掃描等方面的優(yōu)越性，也是其他攝像器件無(wú)法比擬的。目前，CCD圖像傳感器不論在文件復(fù)印、傳真、零件尺寸的自動(dòng)測(cè)量和文字識(shí)別、交通監(jiān)控等民用領(lǐng)域，還是在空間遙感遙測(cè)、水下掃描攝像、圖像跟蹤制導(dǎo)等軍事系統(tǒng)中都發(fā)揮著重要作用。近年來(lái)又向圖像識(shí)別和在線精密檢測(cè)方面發(fā)展。

一個(gè)完整的CCD器件由光敏單元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCD(電荷禍合器件)是一種MOS集成器件，是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S. Boyle和G.E. Smith在1970年3月的電氣電子工程師協(xié)會(huì)(TEEE)國(guó)際會(huì)議上首次發(fā)表的。它的基本功能是電荷的轉(zhuǎn)移和電荷的存儲(chǔ)。CCD技術(shù)不僅可以制造大容量存儲(chǔ)器，還可以使模擬延遲和攝像技術(shù)納入半導(dǎo)體電子軌道。所以，CCD一經(jīng)問(wèn)世就引起了世界各國(guó)的重視。首先應(yīng)用在攝像、模擬延遲和大容量存儲(chǔ)等三大技術(shù)領(lǐng)域。

ccd傳感器是數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等器材的核心部件之一，它主要用來(lái)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而完成數(shù)字圖像的輸入。ccd傳感器是由正負(fù)偏壓交替分布的大量寄生結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的，基本原理就是光子擊打ccd芯片時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電荷，ccd控制電路通過(guò)對(duì)其進(jìn)行放電，并將其電荷值進(jìn)行積累，從而產(chǎn)生輸出電流，經(jīng)過(guò)數(shù)碼信號(hào)放大電路后，就能將其轉(zhuǎn)換為數(shù)碼信號(hào)，成為數(shù)字圖像。CCD，即ChargeCouledDevice是指電荷耦合元件，其在成像方面具有很好的性能，被廣泛應(yīng)用在了光電成像領(lǐng)域。CCD傳感器具有較高的靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和較佳的減噪等優(yōu)點(diǎn)，是比較理想的圖像傳感器種類之一。此外，ccd還被用于照相機(jī)、視頻攝像機(jī)、生物醫(yī)學(xué)成像、顯微鏡等領(lǐng)域。

CCD基本單位是MOS電容器，這種電容器可以儲(chǔ)存電荷。以P型硅為例，在P型硅襯底上氧化形成表面SiO2層，然后在SiO一層金屬上淀積為柵極，P型硅中的大多數(shù)載流子是帶有正電荷的孔，少數(shù)載流子是帶有負(fù)電荷的電子。當(dāng)正電壓施加在金屬電極上時(shí)，其電場(chǎng)可以通過(guò)SiO絕緣層排斥或吸引這些載流子。因此，帶正電源的空穴被排除在遠(yuǎn)離電極的地方，留下一些帶負(fù)電源的載流子，這些載流子無(wú)法移動(dòng)SiO二層形成負(fù)電荷層(耗盡層)，這種現(xiàn)象就形成了電子陷阱，電子一旦進(jìn)入就無(wú)法復(fù)出，因此也被稱為電子潛在陷阱。

當(dāng)設(shè)備被照亮?xí)r(光可以通過(guò)每個(gè)電極的間隙SiO當(dāng)光子的能量被半導(dǎo)體吸收并產(chǎn)生電子空穴時(shí)，電子被吸引并存儲(chǔ)在潛在的陷阱中。這些電子可以傳輸。光線越強(qiáng)，在潛在陷阱中收集的電子越多，光線越弱，反之亦然。這樣，光的強(qiáng)度就變成了電荷的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了光和電的轉(zhuǎn)換，在潛在陷阱中收集的電子被儲(chǔ)存起來(lái)，即使停止照明一段時(shí)間，也不會(huì)丟失，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)照明的記憶。

當(dāng)光照射到CCD硅片上時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開(kāi)，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。當(dāng)向SiO2表面的電極加正偏壓時(shí)，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)(勢(shì)阱)，耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子(電子)被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)，形成電荷包(勢(shì)阱)電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程。

三相控制是每一排像素上有三個(gè)金屬電極P1，P2，P3，依次施加三個(gè)相位不同的脈沖，使得每排電極下電荷包向一側(cè)移動(dòng)?！‰S著控制脈沖的分配，電荷包從一側(cè)轉(zhuǎn)移到最終端，由輸出二極管收集后送給放大器處理，實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)。當(dāng)各排電荷全部移出感應(yīng)區(qū)即掃描完成一幅畫(huà)面，這些電荷最終以二進(jìn)制的形式存儲(chǔ)或修改。

以上是從微觀方面介紹了CCD圖像傳感器中核心原件感官電路的原理，在宏觀方面按照結(jié)構(gòu)又可分為兩類：CCD線列圖像傳感器和CCD面陣圖像傳感器，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)方面的差異導(dǎo)致了用途的不同，但原理一樣，都是利用了CCD的光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移的雙重功能制成， 線陣CCD：用一排像素掃描過(guò)圖片，做三次曝光——分別對(duì)應(yīng)于紅、綠、藍(lán) 三色濾鏡，正如名稱所表示的，線性傳感器是捕捉一維圖像。而CCD面陣圖像傳感器有呈二維矩陣排列的感光單元——感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成，根據(jù)傳輸和讀出的結(jié)構(gòu)方式不同又分為：行傳輸、幀傳輸、行間傳輸?shù)取?