电荷耦合器件
CCD
1、HAD感测器
HAD(HOLE-ACCUMULATION DIODE)传感器是在N型基板，P型，N+2极体的表面上，加上正孔蓄积层，这是 SONY独特的构造。由于设计了这层正孔蓄积层，可以使感测器表面常有的暗电流问题获得解决。另外，在N型基 板上设计电子可通过的垂直型隧道，使得开口率提高，换句话说，也提高了感度。
背景介绍
背景介绍
CCD广泛应用在数码摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜和高速摄影技术，如Lucky imaging。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方 向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成 。
CCD在摄像机里是一个极其重要的部件，它起到将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能 的好坏将直接影响到摄像机的性能。
衡量CCD好坏的指标很多，有像素数量，CCD尺寸，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及CCD尺寸是重要的指 标。像素数是指CCD上感光元件的数量。摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成，每个点就是一个像 素。显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果CCD没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影 响，因此，理论上CCD的像素数量应该越多越好。
主要指标
CCD尺寸，亦即摄像机靶面。原多为1/2英寸，日前1/3英寸的已普及化，1/4英寸和1/5英寸也已商品化。
CCD像素，是CCD的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。CCD 是由面阵感光元素组成，每一个元素称为像素，像素越多，图像越清晰。日前市场上大多以25万和38万像素为划 界，38万像素以上者为高清晰度摄像机。
电荷耦合器件技术的进展及应用
电荷耦合器件技术的进展及应用近年来，随着信息技术的飞速发展和智能化程度的逐渐提升，电子器件在各个领域中的应用越来越广泛。
其中电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices，简称CCD）作为一种重要的光学传感技术，不仅被广泛用于数字影像、光电信息、无线电通信等领域，还被应用于天文学、地质学、气象学等多个科学领域。
本文旨在探讨电荷耦合器件技术的进展和应用，以加深我们对它的理解和认识。
1. 电荷耦合器件的基本原理和发展历程电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices）是由美国贝尔实验室的Willard Boyle和George Smith于1969年发明的。
它的原理是：将光子转变为电子，再将电子聚集在像素中，最终形成一个图像。
CCD器件的结构主要包括感光电荷耦合器、移位寄存器、输出寄存器等组成部分。
由于CCD器件能够将光电信号转换为电荷信号，并通过快速的移位操作实现电荷传输和存储，因此它成为了数字影像和光学信号处理领域的重要技术手段。
在发展历程中，CCD器件经历了从间接式CCD到直接式CCD的技术变革。
间接式CCD器件中，输入的光信号首先被转换为电荷信号，然后通过带隙式CCD移位寄存器，最终输出为模拟信号。
而在直接式CCD器件中，光子直接被转换为电荷信号，并通过电容耦合的方式进行快速传输和存储，输出的信号也是数字信号，由此进一步提高了器件的信噪比和转换速度。
2. 电荷耦合器件技术在数字影像中的应用随着数字影像技术的进步，CCD器件已成为数字相机、数码摄像机和手机摄像头等数字影像设备的核心部件。
相对于传统摄影设备，数字影像器件的特点在于可以将图像数字化，从而进行数字信号的处理、存储和传输。
CCD器件的高灵敏度、高信噪比和成像精度使得数字影像设备在分辨率、色彩还原等方面有了很大的提升。
同时，CCD器件还在卫星遥感、医学影像等领域占据着重要的地位。
卫星遥感技术中，CCD器件作为地球观测的重要手段，可以实现高分辨率的图像获取和地表信息的监测；在医学影像领域中，CCD器件被广泛应用于X光透视、核磁共振成像等医学设备中，可以进行真实、准确的影像获取和处理，对医学诊断和治疗起到了关键作用。
电荷耦合器件教学课件
提高信噪比
通过积分操作，可以有效地提高信号 的信噪比，从而提高信号的检测精度 。
电荷耦合器件在高速信号处理中的应用
高速采样
电荷耦合器件具有高速的采样速率，能够捕捉到高速变化的信号 。
实时处理
由于其高速的采样和数据处理能力，电荷耦合器件能够实现实时信 号处理。
数字信号处理
通过与数字信号处理技术的结合，电荷耦合器件能够实现更为复杂 的信号处理任务，如频谱分析、特征提取等。
测试
对封装好的电荷耦合器件进行性能测 试，包括电学性能、光学性能和环境 适应性等方面的测试。
04 电荷耦合器件的应用实例
电荷耦合器件在图像传感器中的应用
01
02
03
图像采集
电荷耦合器件能够将光信 号转换为电信号，从而捕 捉并记录图像。
高动态范围
通过多帧积分技术，电荷 耦合器件能够在高光和阴 影区域都获得清晰的图像 细节。
低光照性能
在低光照条件下，电荷耦 合器件也能产生高质量的 图像，因为其具有较低的 暗电流。
电荷耦合器件在时间延迟积分器中的应用
时间延迟积分
动态范围扩展
电荷耦合器件在时间延迟积分器中用 于将信号延迟一定的时间，以便进行 进一步的信号处理或特征提取。
时间延迟积分器能够扩展信号的动态 范围，使得弱信号和强信号都能得到 有效的处理。
热处理技术
在高温下对衬底进行加热，促进杂质在衬底 中的扩散和激活。
离子注入技术
通过高速离子束注入到衬底中，实现杂质的 有选择性地引入。
真空镀膜技术
在真空中将金属蒸发并沉积在二氧化硅薄膜 上，形成电极。
电荷耦合器件的封装与测试
封装
将制造完成的电荷耦合器件进行封装 ，保护其免受外界环境的影响，并提 供引脚以便连接外部电路。
CCD工作原理
CCD工作原理CCD（电荷耦合器件）是一种用于图像传感器的技术，它是一种半导体器件，可以将光信号转换为电荷信号，并最终转换为数字图像。
CCD工作原理涉及到光电效应、电荷耦合和电荷放大等过程。
1. 光电效应：CCD中的光电二极管是通过光电效应将光信号转换为电荷信号的。
当光照射到光电二极管上时，光子会激发光电二极管中的电子，使其跃迁到导带中，产生电荷。
2. 电荷耦合：CCD中的电荷耦合器件是由一系列电荷传输区域组成的。
当光电二极管中产生的电荷被收集后，通过电荷耦合器件沿着传输区域逐渐传输到输出端。
3. 电荷放大：CCD中的电荷放大器用于放大从电荷耦合器件传输过来的电荷信号。
电荷放大器可以将微弱的电荷信号放大到足够的电压水平，以便后续的信号处理和数字化。
4. 读出和重置：在图像传感器的工作过程中，电荷放大器会周期性地读出和重置电荷。
读出时，电荷被转换为电压信号，并通过模数转换器转换为数字信号。
重置时，电荷耦合器件被清零，为下一帧图像的采集做准备。
CCD工作原理的关键是将光信号转换为电荷信号，并通过电荷耦合和电荷放大等过程将电荷信号转换为数字信号。
这种工作原理使得CCD成为了广泛应用于数码相机、摄像机和天文学等领域的图像传感器技术。
通过CCD，我们可以捕捉到高质量的图像，并进行后续的图像处理和分析。
值得注意的是，CCD工作原理只是图像传感器技术的一种，现在也有其他的图像传感器技术，如CMOS（互补金属氧化物半导体）技术。
CMOS技术与CCD 技术相比具有更低的功耗和更高的集成度，因此在一些应用中逐渐取代了CCD技术。
但CCD仍然在一些特定领域中具有优势，例如在低光条件下的图像捕捉和高动态范围的图像采集等方面。
总之，CCD工作原理是通过光电效应、电荷耦合和电荷放大等过程将光信号转换为数字图像的技术。
了解CCD工作原理可以帮助我们更好地理解和应用图像传感器技术。
第五章 电荷耦合器件(CCD)..
1．线阵CCD图像传感器
线阵CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的 构成一个主体，在它们之间设有一个转移控制栅 ，这种结构叫做 单沟道线阵CCD。
目前，实用的线阵CCD图像传感器为双行结构，叫做双沟道线 阵CCD。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的 移位寄存器中，然后在输出端交替合并输出，得到最终的信号。
Willard Sterling Boyle
▪ Willard.S Boyle
▪ 威拉德．博伊爾 ▪ 1924年8月19日出生 ▪ 簡介:
▪ 1924年出生於加拿大Amherst ▪ 擁有加拿大和美國國籍。 ▪ 1950年從加拿大麥吉爾大學獲得物理學博士
學位 ▪ 因CCD获2009年度诺贝尔物理学奖，70万美金
在电流输出中，输出端是一个反向偏置的二极管，而这次， 输出端是一个三极管。在RG不导通的情况下，信号电荷与T2 三极管的基极中的多数载流子复合，产生基极电流。T2将基 极电流放大，从集电极发出，形成电流信号输出。电阻R是 调整信号强弱的分流电阻。
当RG，也就是复位信 号加上高电平以后，T1 三极管基极和发射级正 向偏置，这样残余的信 号电荷被快速抽出，因 此T1为复位三极管。
CCD的势阱
▪ 光敏元之中的势阱深度与两方面的因素有关：栅极电压和 反型层电荷量。
▪ 栅极电压越大势阱越深。 ▪ 反型层电荷越多，势阱越浅。(可以认为是反型层电荷抵
消了一部分栅极电压)
半导体也可采用N型半导体，如下图所示。①载流N型子半为导电体子多数 ②加负电压 ③N型沟道CCD
。 很薄约1200A
这就造成一个问题，就是信号转移过程中，感光单元被占用了 ，这段时间就浪费了。要想连续拍两幅图像必须等第一幅图像输 出以后才可以拍第二幅。
第九讲 电荷耦合器件(CCD)
ε(t) ε
实测三相多晶硅N沟道 SCCD的关系曲线
10V 5V
驱动脉ห้องสมุดไป่ตู้频率f
驱动脉冲频率f 10MHz
电子被加有栅极电压的MOS结构吸引到势能最低 的氧化层与半导体地交界面处。
u0
10V
10V
UG=5V UG=10V
UG=15V
空势阱
填充1/3势阱
全满势阱
MOS电容存储信号电荷的容量为：Q=Cox•UG•A
电荷耦合
假定开始有一些电荷存储在偏压为20V的第二个电 极下面的势阱里，其他电极上均加有大于阈值得 较低电压（例如2V）。设a图为零时刻，经过一段 时间后，各电极的电压发生变化，第二个电极仍 保持10V，第三个电极上的电压由2V变为10V，因 这两个电极靠的很近（几个微米），它们各自的 对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的 电荷变为这两个电极下势阱所共有。如图b＆c。 若此后第二个电极上的电压由10V变为2V，第三 个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个 电极下的势阱中，如图e。由此可见，深势阱及电 荷包向右移动了一个位置。
转移效率：一次转移后，到达下一个势阱中 的电荷与原来势阱中的电荷之比。
1
Qt Q0
转移损失率：
1
ε(t)
影响电荷转移效率 的主要因素为界面 态对电荷的俘获。 为此，常采用“胖 零”工作模式，即 让“零信号”也有 一定的电荷。
Q(0)/C
2、工作频率f
（1）下限：为避免由于热产生的少数载流子 对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极 转移到另一个电极所用的时间必须小于少 数载流子的平均寿命，对于三相CCD,t 为： t=T/3=1/3f,故，f>1/3ζ。
电荷耦合器件的工作原理及特性应用
60年代和70年代充满了辉煌的发现、发明和技术进步，尤其是内存技术。
威拉德·博伊尔和乔治·史密斯在探索金属氧化物半导体（MOS）技术在半导体“气泡”存储器开发中的应用时取得了当时的一项重要发现。
研究小组发现，电荷可以存储在一个微型MOS电容器上，该电容器的连接方式可以使电荷从一个电容器转移到另一个电容器。
这一发现导致了电荷耦合器件（CCD）的发明，该器件最初设计用于服务于内存应用，但现在已成为先进成像系统的重要组成部分。
CCD（电荷耦合器件）是一种高度灵敏的光子检测器，用于将电荷从器件内部移动到可以被解释或处理为信息（例如转换为数字值）的区域。
在今天的文章中，我们将研究CCD的工作原理、部署它们的应用程序以及它们与其他技术的比较优势。
什么是电荷耦合器件？简单来说，电荷控制器件可以定义为包含一系列链接或耦合的电荷存储元件（电容仓）的集成电路，其设计方式是在外部电路的控制下，存储在每个电容器中的电荷可以移动到相邻的电容器。
金属氧化物半导体电容器（MOS电容器）通常用于CCD，通过向MOS结构的顶板施加外部电压，可以将电荷（电子（e-）或空穴（h+））存储在生成的潜在的。
然后，这些电荷可以通过施加到顶板（栅极）的数字脉冲从一个电容器转移到另一个电容器，并且可以逐行传输到串行输出寄存器。
电荷耦合器件的工作CCD的运行涉及三个阶段，由于最近最流行的应用是成像，因此最好结合成像来解释这些阶段。
这三个阶段包括：电荷感应/收集充电计时电荷测量电荷感应/收集/存储：如上所述，CCD由电荷存储元件组成，存储元件的类型和电荷感应/沉积方法取决于应用。
在成像中，CCD由大量光敏材料组成，这些光敏材料分成小区域（像素），用于构建感兴趣场景的图像。
当投射在场景中的光在CCD上反射时，落入由其中一个像素定义的区域内的光子将被转换为一个（或多个）电子，其数量与像素的强度成正比。
每个像素的场景，这样当CCD退出时，可以测量每个像素中的电子数量，并且可以重建场景。
电荷耦合器件(CCD)介绍和工作原理
Willard.S Boyle
威拉德．博伊爾 1924年8月19日出生 簡介:
1924年出生於加拿大Amherst 擁有加拿大和美國國籍。 1Βιβλιοθήκη 50年從加拿大麥吉爾大學獲得物理學博士
學位 因CCD获2009年度诺贝尔物理学奖，70万美金
接地
CCD的单元结构
CCD的信号转移
CCD图象传感器实际上是由由光敏元件阵列和电荷转 移器件集合而成，光敏元件也参与电荷转移。一般来说每 个光敏元有三个相邻的转移电极1、2、3，所有电极彼此离 得足够近，以使硅表面的耗尽区和电荷的势阱交叠，能够 耦合及电荷转移。
输入二极输管入栅Ф1 Ф2
Ф3
输出栅 输出二极管
金的奖金。
填空
CCD简介
CCD 供应商
Dalsa e2v technologies Fairchild Imaging Hamamatsu Photonics
Characteristics and use of FFT-CCD Kodak Panasonic Sony Texas Instruments Toshiba
CCD的成像基本单位被叫做像素，当它用于图像采 集时，通常与光学镜头配合使用，由光学镜头将图像 投影到CCD表面，再由CCD将图像转化为数字信号；
当它应用在生产过程自动检测和控制等领域时，可以 直接应用而不配套镜头。
它是1970年贝尔实验室的W·S·Boyle和G·E·Smith发 明的。
电荷耦合器件(CCD)的发明者
电荷耦合器件(CCD)介绍和工作原理
Charge Coupled Device)
名词解释
电荷耦合器件
圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移.
放大
a w
b
(b ) 圆光栅
光栅数字传感器功能
主要用于线位移和角位移的测量。
还可以扩展到速度、加速度、振动、质量和表面轮廓 等方面。
光栅数字传感器的原理：莫尔条纹
标尺光栅
指示光栅
当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微 小的夹角时，由于挡光效应 ( 当线纹密度 ≤50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度 ≥ 100 条 /mm 时 ) ，在与光栅线纹大致垂直 的方向上 ( 两线纹夹角的等分线上 ) 产生出 亮、暗相间的条纹 ——称为“莫尔条纹”。 莫尔条纹形成
光栅传感器的应用
数控机床位置控制框图
优点 固体化、体积小、重量轻、功耗低、可靠性 高、寿命长 图像畸变小、尺寸重现性好 光敏单元之间几何尺寸精度高，可得到较高 的定位精度和测量精度，具有较高分辨力 自扫描，具有较高的光电灵敏度和较大的动 态范围 视频信号便于与微机接口
一、CCD的工作原理 （一）信息电荷的产生和存储
MOS 光敏元：
P型硅区域里的空穴被赶尽，从而形成一个耗尽区，也就是说， 对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，称为势阱
（c）、当有光线入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导体硅片上就
会产生电子和空穴，光生电子被附近的势阱所俘获，而同时光生空穴则被电 场排斥出耗尽区。 此时势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。这样 的一个MOS结构元称为MOS光敏元或叫做一个像素，把一个势阱所收集的 若干光生电荷称为一个电荷包。
在半导体基片上（如P型 硅）生长一种具有介质作 用的氧化物（如二氧化 硅），又在其上沉积一层 金属电极，形成的金属— 氧化物—半导体结构。
6.1电荷耦合器件的基本原理
(2) 无象元烧伤(shāoshāng)、扭曲，不受电磁场干扰；
(3) 象元尺寸精度优于1µm,分辨率高；
(4) 基本上不保留残象（真空摄像管有15%～20%的残象）。
(5) 视频信号与微机接口容易。
第一页，共二十四页。
CCD背景
介绍
(bèijǐng)
阱内电荷全部移入②电极下的深势阱中。
由上面过程可知，从t1→t3 ，深势阱从①电极下移动到②电极下面，势阱
内的电荷也向右转移(zhuǎnyí)了一位。如果不断地改变电极上的电压，就能使信号电荷
可控地一位一位地顺序传输，这就是电荷耦合。
2. CCD电极结构形式
CCD中电荷的存贮和传输是通过改变各电极上所加电压实现 (shíxiàn)的。按照加
在非稳定条件下，即在深耗尽时，人为
(rénwéi)的注入信号电荷，如电注入和光
注入，就能达到人为(rénwéi)的存储和转
移电荷的目的。
产生电子－空穴对
空穴
－－栅极电压排斥
电子(diànzǐ)
－－被吸入势阱
第十五页，共二十四页。
6.1.2 CCD的势阱深度与电荷
(diànhè)的存储
第十六页，共二十四页。
(jiǎnchēng)CCD
第三页，共二十四页。
CCD的分类(fēn lèi)
按电荷转移的沟道(ɡōu dào)分：
表面沟道电荷耦合器件（SCCD）——信号电荷存储
在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输。
体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD）——信
号电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内部
(nèibù)沿一定方向传输。
电荷耦合器件
电荷耦合器件(CCD)是一种新型光电转换器件,它能存储由光产生的信号电荷。
当对它施加特定时序的脉冲时,其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。
它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。
它具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和存贮3大领域中得到广泛的应用，尤其是在图像传感器应用方面取得令人瞩目的发展。
CCD有面阵和线阵之分，面阵是把CCD像素排成1个平面的器件；而线阵是把CCD像素排成1直线的器件。
由于在军事领域主要用的是面阵CCD，因此这里主要介绍面阵CCD。
CCD的结构和工作原理1CCD的种类面阵CCD的结构一般有3种。
第一种是帧转性CCD。
它由上、下两部分组成，上半部分是集中了像素的光敏区域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。
其优点是结构较简单并容易增加像素数，缺点是CCD尺寸较大，易产生垂直拖影。
第二种是行间转移性CCD。
它是目前CCD的主流产品，它们是像素群和垂直寄存器在同一平面上，其特点是在1个单片上，价格低，并容易获得良好的摄影特性。
第三种是帧行间转移性CCD。
它是第一种和第二种的复合型，结构复杂，但能大幅度减少垂直拖影并容易实现可变速电子快门等优点。
2CCD的工作原理CCD是由许多个光敏像元按一定规律排列组成的。
每个像元就是一个MOS电容器(大多为光敏二极管)，如图1(a)所示，它是在P型Si衬底表面上用氧化的办法生成1层厚度约为1000A～1500A的SiO2,再在SiO2表面蒸镀一金属层(多晶硅)，在衬底和金属电极间加上1个偏置电压，就构成1个MOS电容器。
当有1束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。
光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子－空穴对，电子－空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷。
这些信号电荷储存在由电极形成的“势阱”中。
电荷耦合器件的原理与应用
电荷耦合器件的原理与应用电荷耦合器件是一种能够实现信号存储和传输的器件。
它主要由串联的电容和场效应管构成，其原理是通过改变场效应管的栅极电压来控制电容存储和释放信号。
在数字存储、数据传输、显存储器等应用中得到广泛的应用。
以下将从电荷耦合器件的原理、特点和应用几个方面进行介绍。
一、电荷耦合器件的原理电荷耦合器件是一种容量耦合的存储器件。
其原理在于将一组电容和场效应管串联连接起来，形成一个环形结构。
在电荷耦合器件中，每个电容能够存储信号，电容的存储和释放都是通过改变场效应管的栅极电压来实现的。
在工作时，一个电容的电荷量在时钟信号的作用下被移到下一个电容中，进而实现信号的传输。
通过这种方式，电荷耦合器件可以实现信号的存储和传输，并具有很高的可靠性和良好的抗干扰性。
二、电荷耦合器件的特点电荷耦合器件具有以下几个特点：1. 存储和传输速度快：电荷耦合器件能够在纳秒级别内实现信号的存储和传输，传输速度快。
2. 容量大：电荷耦合器件可以在一个芯片上存储大量的数据，存储容量大。
3. 抗干扰性强：由于电荷耦合器件采用了串联电容的结构，因此传输中不会受到外界信号的干扰，具有抗干扰性强的特点。
4. 可靠性高：电荷耦合器件的结构简单，不易出现故障，因此具有很高的可靠性。
三、电荷耦合器件的应用电荷耦合器件主要应用于数字存储、数据传输、显存储器等领域。
其中，显存储器是应用电荷耦合器件最广泛的领域之一。
显存储器是计算机中的一种特殊的存储器，其主要功能是存储并提供显示器需要的图像数据和控制指令。
电荷耦合器件作为一种高速存储器件，可以用于实现显存储器中的数码图像数据的存储和传输。
不仅如此，在数字存储、通信系统中，电荷耦合器件也可以用于实现各种数字信号的存储和传输，具有广泛的应用前景。
综上所述，电荷耦合器件具有存储和传输速度快、容量大、抗干扰性强、可靠性高等特点，广泛应用于数字存储、数据传输、显存储器等领域。
虽然电荷耦合器件有着不可替代的优点，但是它也存在着一定的缺点，例如成本高、功耗大等。
8-3 电荷耦合器件
§8-3 电荷耦合器件
3.电荷的检测——信号输出结构
CCD 输出结构的作用是将 CCD 中的信号电荷变换为电流或电压输出， 以检测信号电荷的大小。图8-68（a)所示的为一种简单的输出结构，它由输 出栅 Go、输出反偏二极管、复位管 V1 和输出跟随器 V2 组成，这些元器件均 集成在 CCD 芯片上。 V1 、 V2为 MOS 场效应晶体管。其中 MOS 管的栅电 容起到对电荷积分的作用。该电路的工作原理是这样的：当在复位管栅极加
§8-3电荷耦合器件
电荷耦合器件(简称 CCD)的发明始于 1969 年，在其后几年中发展迅速， 并得到了广泛的应用。CCD 并不是一种新发明的器件，它可以说是 MOS电容 器的一种新的用法。在适当次序的时钟控制下，CCD 能够使电荷量有控制地 穿过半导体的衬底而实现电荷的转换。利用这个机理便可实现多种的电子功 能，在作为光敏器件时可用于图像的传感，即成为固体摄像器件。此外，CCD 还可作为信息处理和信息存储器件。本节将主要介绍 CCD 的工作原理及作为 光敏摄像器件时的特征。（实物图片）
一、电荷耦合器件的结构与工作原理 (一)电荷耦合器件的结构
§8-3 电荷耦合器件
金属—氧化物—半导体（MOS）电容 CCD 是由按照一定规律排列的 MOS 电容阵列组成的。其中金属为 MOS 结构上的电极，称为“栅极”（此栅极材 料不是用金属而是用能够透过一定波长范围光的多晶硅薄膜）。半导体作为底 电极，俗称“衬底”。两电极之间夹一层绝缘体，构成电容，如图8-64所示。 这种电容器具有一般电容器所没有的一些特性，CCD 的工作原理就是基于这些 特性。因此，在介绍 CCD 的工作原理之前先简单介绍一下 MOS 电容的特性。
敏单元）的共同电极,称为光栅 φp 。MOS 电容的低电极为半导体 P 型单晶硅，
电荷耦合器件
7.3 固体摄像器件7.3.1 电荷耦合器件1.电荷耦合器件的结构与工作原理电荷耦合器件 以电荷作为信号载体的半导体光电器件，简称CCD 。
CCD 的分类：• 表面沟道电荷耦合器件（SCCD ）——信号电荷存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输。
• 体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD ）——信号电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内部沿一定方向传输。
CCD 的基本单元：一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器（简称MOS 结构）。
CCD 线阵：由多个像素（一个MOS 单元称为一个像素）组成。
图7-25 CCD 的单元与线阵结构示意图MOS 电容器的电学特性：• 栅极未加电压时——P 型Si 内的多数载流子（空穴）均匀分布。
• 栅极施加正电压U G 后——在半导体上表面附近形成一层多子的耗尽区（势阱）。
• 电压UG 超过阈值电压Uth 时——形成反型层（沟道）。
图7-26 CCD 栅极电压U G 的变化对P 型Si 耗尽区的影响电荷包的存储：CCD 单元能够存储电荷包、其存储能力可通过调节U G 而加以控制。
图7-27 注入电荷包时，势阱深度随之变化的示意图每个金属栅极下的势阱中能够存储的最大（信息）电荷量为：d G ox A U C Q ⋅⋅= （7-8）CCD 中电荷包的转移：将电荷包从一个（因存储了这些电荷而变浅的）势阱转入相邻的深势阱。
三相CCD 中电荷包的转移过程：• 开始时刻电荷包存储在栅极电压为10 V 的第1个栅极下的深势阱里，其他栅极上加有大于阈值的低电压（2 V ）；• 经时间t 1后，第1个栅极电压仍保持为10 V ，而第2个栅极的电压由2 V →10 V ； • 栅极靠得很近的两个势阱发生耦合，使原来在第1个势阱中的电荷包被耦合势阱共享；• 在t 2时刻，第1个栅极的电压由10 V →2 V 、第2个栅极的电压仍为10 V ，势阱1收缩，电荷包流入势阱2中。
电荷耦合器件
7.3 固体摄像器件7.3.1 电荷耦合器件1.电荷耦合器件的结构与工作原理电荷耦合器件 以电荷作为信号载体的半导体光电器件，简称CCD 。
CCD 的分类：• 表面沟道电荷耦合器件（SCCD ）——信号电荷存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输。
• 体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD ）——信号电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内部沿一定方向传输。
CCD 的基本单元：一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器（简称MOS 结构）。
CCD 线阵：由多个像素（一个MOS 单元称为一个像素）组成。
图7-25 CCD 的单元与线阵结构示意图MOS 电容器的电学特性：• 栅极未加电压时——P 型Si 内的多数载流子（空穴）均匀分布。
• 栅极施加正电压U G 后——在半导体上表面附近形成一层多子的耗尽区（势阱）。
• 电压UG 超过阈值电压Uth 时——形成反型层（沟道）。
图7-26 CCD 栅极电压U G 的变化对P 型Si 耗尽区的影响电荷包的存储：CCD 单元能够存储电荷包、其存储能力可通过调节U G 而加以控制。
图7-27 注入电荷包时，势阱深度随之变化的示意图每个金属栅极下的势阱中能够存储的最大（信息）电荷量为：d G ox A U C Q ⋅⋅= （7-8）CCD 中电荷包的转移：将电荷包从一个（因存储了这些电荷而变浅的）势阱转入相邻的深势阱。
三相CCD 中电荷包的转移过程：• 开始时刻电荷包存储在栅极电压为10 V 的第1个栅极下的深势阱里，其他栅极上加有大于阈值的低电压（2 V ）；• 经时间t 1后，第1个栅极电压仍保持为10 V ，而第2个栅极的电压由2 V →10 V ； • 栅极靠得很近的两个势阱发生耦合，使原来在第1个势阱中的电荷包被耦合势阱共享；• 在t 2时刻，第1个栅极的电压由10 V →2 V 、第2个栅极的电压仍为10 V ，势阱1收缩，电荷包流入势阱2中。
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CCD固态图像传感器
CCD固态图像传感器 线阵CCD型 面阵CCD型
（1）线型CCD图像传感器
线型CCD图像传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并
CCD结构示意图
D工作原理
(1)MOS的结构 一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底
制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生长均匀、连续 的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金 属化电极（栅极）。
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电 荷 耦 合 器 件 （ CCD ） 特 点 —— 以电荷作为信号。
CCD 的 基 本 功 能 —— 电 荷 存 储 和 电荷转移。
一个MOS光敏元结构
第13章 固态图像传感器
D工作原理
(2)电荷存储原理：
➢ 一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素； ➢把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包； ➢ CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元， 每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱； ➢ 如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象， 那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生 电荷图像。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基 本原理。
用电注入方式。
P1 P2 P3 P1 P2 P3
P1
Ф t=t0
P1 P2 P3 P1 P2 P3
Ф1
t=t1 Ф2ຫໍສະໝຸດ P1 P2 P3 P1 P2 P3
Ф3
t=t2
0 t0 t1 t2 t3
t
P1 P2 P3 P1 P P3
(b)
2
t=t3
电荷转移过程
当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包（t=t0）； 当P2极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合， 原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布（t=t1）； 当 P1 回 到 低 电 位 时 ， 电 荷 包 全 部 流 入 P2 下 的 势 阱 中 （t=t2）。 然后，p3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到 P3下的势阱（t=t3），以此控制，使P1下的电荷转移到P3下。 随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到 最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器 处理，便实现电荷移动。
P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t0
P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t1
P1 P2 P3 P1 P2 P3
t=t2
P1 P2 P3 P1 P P3
2
t=t3
(5)信号输出方式
(5)信号输出方式
CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压 输出两种。
书136页8-26 末端衬底上制作一个输出二极管，当二极管加上反
电荷耦合器件（CCD）
电荷耦合器件（CCD）
电荷耦合器件（CCD）
一种大规模MOS集成电路光电器 件
显微镜下的MOS元表面
CCD基本结构分两部分： ➢ MOS（金属氧化物半导体）
光敏元阵列）。 在半导体硅片上制作成百上千
（万）个光敏元，一个光敏 元又称一个像素，在半导体 硅平面上光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。 ➢ 读出移位寄存器。
（二）、线阵CCD──光敏元排成直线
•
正脉冲P →光生电荷→转移脉冲 t →打开转移栅 电荷 并行 移位寄存器→↗↘Φ转1移Φ2栅Φ关3依闭次，移进位行输光出积电分荷
输出脉冲幅度∝ 光强
目前，实用的线型CCD图像传感
CCD工作过程——信号电荷的 产生、存储、传输和检测的过程。
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D工作原理
(1)MOS的结构 一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底
制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生长均匀、连续 的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金 属化电极（栅极）。
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D工作原理
(2)电荷产生： 当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型 硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一 势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上 时，光子作用下产生 电子—空穴对，空穴被电 场作用排斥出耗尽区，而 电子被附近势阱（俘获）， 此时势阱内吸的光子数与 光强度成正比。
第13章 固态图像传感器
D工作原理 分辨率（MOS元多少）不同的图象比较
265×180
66×45
133×90
33×22
D工作原理
(3)电荷转移原理（读出移位寄存器） ➢ 光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，CCD电荷
耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流。 ➢ 读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、 半导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体 底部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。 ➢由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元； ➢ 在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲Φ1Φ2Φ3。
行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅,如图所示
。
光积分单元/
光敏元
转移控制栅
输出
不透光的电荷转移结构
(a)
在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极。光当积入分射区 光照射在
光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集输光出电荷,进行 光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结 束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同时 处于高电压状态。然后,降低梳状(电b) 极电压，各光敏元件中所积累 的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压 降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期 。 同 时 , 在 电 荷 耦 合 移 位线寄型存C器CD上图加像上传时感钟器脉 冲 , 将 存 储 的 电 荷 从 CCD中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行 输出,从而读出电荷图形。
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
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注入、电注入和热注入等方式。图(b)采