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1、CCD原理浙大光电系王欣冉整理QQ:39158405光电器件及系统概述电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,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。光学系统CCD图像处理一、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
2、）器件中结构最为简单的。金属电极氧化物半导体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）。信号电荷的产生（示意图）金属电极氧化物半导体e-e-e-e-e-e-e-光生电子入射光MOS电容器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。2、信号电荷的存储信号电荷的存储（示意图）e-e-势阱入射光MOS电容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-势阱入射光MOS电容器+UGe-e-e
3、-e-e-e-+UthUGUth时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。3、信号电荷的传输（耦合）一个像素沟阻，定义了图像区的列平面图图示为CCD成像区的一小部分（几个像素）。图像区中这个图案是重复的。①②③三相CCD的电荷转移过程示意图电荷包转移驱动脉冲像元Pn转移方向像元Pn+1像元Pn+2CCD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
4、置扩散放大器输出4、信号电荷的检测ODOSRDRSW输出节点衬底输出FET复位FET相加阱20mm输出漏极(OD)输出源极(OS)输出管栅极输出节点电容R复位漏极(RD)相加阱(SW)串行寄存器最后的几个电极末级电极典型CCD片内放大器的显微照片和片内放大器的线路图.+5V0V-5V+10V0VRSWVoutODOSRDRSW复位FET相加阱串行寄存器的末端Vout测量过程由复位开始，复位会把前一个电荷包的电荷清除掉。输出节点输出FET+5V0V-5V+10V0VRSWVout电荷输送到相加阱。此时，Vout是参考电平。在这个期间，外部电路测
5、量参考电平。+5V0V-5V+10V0VRSWVout相加阱将电荷输送到输出节点电容，Vout下降到信号电平。+5V0V-5V+10V0VRSWVout外部电路对Vout进行采样，所采样的Vout电平与信号电荷包中的电荷浓度成正比。至此，完成了信号电荷包的测量。CCD的工作过程示意图背照明光输入1电荷生成2电荷存储3电荷转移复位输出4电荷检测半导体CCD传感器基本原理CCD的MOS结构Ф3P型Si耗尽区电荷转移方向Ф1Ф2输出栅输入栅输入二极管输出二极管SiO2CCD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,
6、其构造如图39所示。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芯片的构造每个光敏元（像素）对应有三个相邻的转移栅电极1、2、3,所有电
7、极彼此间离得足够近,以保证使硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的1电极相连并施加时钟脉冲φ1,所有的2、3也是如此,并施加时钟脉冲φ2、φ3。这三个时钟脉冲在时序上相互交迭。图40三个时钟脉冲的时序如何实现电荷定向转移呢？电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。见图P1P1P2P2P3P3tP1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3Ф(b)电荷转移过程t=t0t=t1t=t2
8、t=t30三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3，见图（b）。CCD电荷的注入通常有光
