电荷耦合器件的工作原理及其最新成果
CCD器件的工作原理及其最新成果
CCD器件的工作原理及其最新成果摘要：电荷耦合器件（CCD）是基于金属-氧化物-半导体（MOS）技术的光敏元件。
目前CCD 已具有光谱响应范围宽、检出限低、动态范围宽、暗电流和读出噪声低以及具有积分信号、多道同时检测信号和实时监等能力的优点。
目前它已经广泛地应用在各个领域。
本文扼要介绍了CCD 的基本工作原理，特点及性能表征。
评述了CCD 在光谱检测和成象领域中较活跃的应用及发展前景。
关键字：电荷耦合器件，光谱检测，光谱成象电荷耦合器件( Charge Coupled Device) 是70年代初期最先由Bell实验室发明的. CCD器件以极高的灵敏度、极大的动态范围和宽广的光谱响应范围等特别引人注目。
CCD 是一种以电荷量表示光量大小，用耦合方式传输电荷量的新型器件，具有自动扫描、动态范围大、光谱响应范围宽、体积小、功耗低、寿命长和可靠性高等一系列优点。
1 CCD 器件基本工作原理CCD是基于金属-氧化物-半导体（MOS）技术的光敏元件是基于聚集在势阱中的光生电荷量与入射光强度和积分时间有着线性的关系。
它有两种基本类型[1~2]：一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输（表面沟道CCD）；另一种是电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输（体沟道或埋沟道CCD）。
下面以表面沟道CCD 为主介绍CCD 的工作原理。
表面沟道CCD 的典型结构由三部分组成：（1）输入部分，包括一个输入二极管和一个输入栅，其作用是将信号电荷引入到CCD 的第一个转移栅下的势阱中；（2）主体部分，即信号电荷转移部分，实际上是一串紧密排布的MOS电容器，其作用是存贮和转移信号电荷；（3）输出部分，包括一个输出二极管和一个输出栅，其作用是将CCD 最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出，并检出电荷所运输的信息。
CCD 的基本功能是电荷的存贮和电荷的转移，因此，CCD 的基本工作原理是信号电荷的产生、存贮、传输和检测。
ccd基本工作原理
ccd基本工作原理
CCD（电荷耦合器件）是一种光敏器件，常用于数字相机和
视频摄像机等光学成像设备中，其工作原理如下：
1. 光子转化：在CCD上的感光表面，光子与半导体材料相互
作用，使之形成电子空穴对。
光子的能量被转化为电荷。
2. 电荷传输：通过外部的时序脉冲控制，电荷从感光表面通过电荷耦合器件逐行向传感器的输出端传输。
这一过程被称为“行读出”。
3. 电荷放大：在电荷传输的过程中，电荷会被传输放大器放大，增强信号的强度。
4. 行复位：在行读出结束后，CCD的每一行电荷需要被复位
到其初始电位，以进行下一行的光电信号读出。
5. 列读出：经过多行的行读出后，CCD的图像被分割成多个
像素点的排列，通过对每个像素点进行列读出来获取完整图像。
列读出的过程通过增益放大器和模数转换器来完成。
总结起来，CCD的基本工作原理就是将光子转化为电荷，通
过电荷传输控制将电荷逐行读出，并经过电荷放大和列读出来获得完整的图像。
《电荷耦合器》PPT课件 (2)
里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与电极电压的关系 为线性关系，图(a)为空势阱。图(b)为反型层电荷填充1/3势阱时，表面势 收缩，表面势ΦS与反型层电荷填充量QP 间的关系。当反型层电荷足够多， 使势阱被填满时，表面势下降到不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出” 现象，如图（c)所示。
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CCD
三 相
信 息 电 荷 传 输 原 理 图
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CCD电荷的产生方式：
电压信号注入
CCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用 电注入。 CCD通过输入结构对信号电压或电流进 行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。
光信号注入
CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得 到，即光注入 。电极下收集的电荷大小取决于照 射光的强度和照射时间。
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电荷耦合器件的结构和工作原理
CCD一般是以P型硅为衬底，在这种P型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数载 流子是电子。在电极施加栅极电压UG之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于 衬底施加正栅压UG（此时UG小于P型半导体的阈值电压Uth）后，空穴被排斥，产 生耗尽区，如图（B）所示。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。 当UG>Uth时,半导体与绝缘体截面上的电势(常称为表面势,用ΦS 表示)变得如此 之高,以至于将半导体内的电子(少数载流子)吸引到表面,形成一层极薄的(约 102um )但电荷浓度很高的反型层,如图(C)。反型层电荷的存在表明了MOS结构存 储电荷的功能.
线型CCD图像传感器
目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如图（b）所示。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， 在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形 成了原来光敏信号电荷的顺序。
电荷耦合器件(CCD)介绍和工作原理
CCD中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。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定 向转移的过程。
第一时刻，即初始状态时，第一电极外加高电平，其它 电极外加低电平，此时只有第一电极下方具有深势阱，信 号电荷存储于第一电极下方。
第二时刻，第一电极和第二电极外加高电平，第三电极 外加低电平，第二电极下产生深势阱并与第一电极下的势 阱连通，信号电荷变为共有。
CCD原理简介
电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而 不同于其他大多数元件是以电流或者电压为信号。
所以CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。 它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施 加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在 CCD內作定向传输。 CCD工作过程的核心技术是信 号电荷的产生，存储，传输，和检测。
CCD原理简介
电荷耦合元件（CCD，Charge-coupled Device）是 一种集成电路，上有许多排列整齐的细小的半导体 结构，为了便于理解我们简单将其比喻为电容，这 些电容能感应光线，并将影像转变成数字信号。经 由外部电路的控制，每個小电容能将其所帶的电荷 转给它相邻的电容。
这些小的半导体结构用通俗的语言来说就是像素单 元，用科学语言将叫做光敏元。
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
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。
ccd 工作原理
ccd 工作原理
ccd（电荷耦合器件）是一种图像传感器，它是基于光电转换
和电荷传输原理工作的。
ccd的工作主要分为光电转换和电荷
传输两个过程。
在光电转换过程中，ccd的表面覆盖着一层由硅制成的感光薄膜。
当外界光线照射到感光薄膜上时，光子会被感光薄膜吸收，并激发出电子 - 空穴对。
这些电子 - 空穴对会被感光薄膜内的电场和电位差作用下分离，电子被聚集在感光薄膜下方的势阱内，而空穴则被吸引到势阱上方。
感光薄膜上的每一个像素点都有一个对应的势阱，用于收集和存储来自光电转换的电荷。
接下来是电荷传输过程。
ccd内部有一系列的传输脉冲信号，
这些信号作用于ccd中的势阱，控制和引导势阱内的电荷的传输。
首先，一个重置脉冲信号被发送到势阱，将其中的电荷清零。
随后，一个移位脉冲信号被发送，将电荷从一个势阱传输到相邻的势阱中。
通过不断重复这一过程，电荷可以在ccd内
部被移动和传输。
当光源照射完整个ccd感光区域后，感光薄膜中的电荷将被逐
一传输到ccd的输出端，形成一个电荷包。
最后，这个电荷包
经过放大和采样，转换成一个模拟电压信号。
总的来说，ccd通过光电转换将光子转化为电荷，然后通过电
荷传输的方式将电荷逐一传输到ccd的输出端，从而实现图像的捕获和转换。
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。
CCD工作原理
CCD工作原理1. 概述CCD（电荷耦合器件）是一种用于光电转换的半导体器件，广泛应用于数码相机、摄像机、扫描仪等光学设备中。
它通过将光信号转换为电荷信号，进而转换为数字信号，实现图象的采集和处理。
本文将详细介绍CCD的工作原理及其相关技术。
2. CCD的结构CCD主要由感光单元、读出电路和控制电路三部份组成。
感光单元：感光单元是CCD的核心部份，由大量的光敏元件（光电二极管）组成。
当光线照射到感光单元上时，光敏元件会产生电荷。
感光单元的结构可以分为间隔式和面阵式两种，其中面阵式CCD是最常见的类型。
读出电路：读出电路负责将感光单元中的电荷信号转换为电压信号，并进行放大和处理。
读出电路通常由多级放大器和模数转换器组成。
控制电路：控制电路用于控制CCD的工作模式、时序和参数等。
它包括时钟发生器、控制逻辑电路和接口电路等。
3. CCD的工作原理CCD的工作原理可以分为光电转换和电荷传输两个过程。
光电转换：当光线照射到CCD的感光单元上时，光敏元件会吸收光能，产生电子-空穴对。
其中，电子会被感光单元中的电场束缚住，形成电荷，而空穴则会被扩散到P型区域。
电荷传输：CCD中的电荷传输是通过改变电场分布来实现的。
在感光单元中，电子通过电荷耦合器件（CCD的核心结构之一）传输到读出电路中。
电荷耦合器件是由一系列的电荷传输阱组成，通过改变电势来控制电荷的传输。
在读出电路中，电荷信号被转换为电压信号，并经过放大和处理。
最终，经过模数转换器的转换，数字信号被传输到后续的图象处理系统中。
4. CCD的工作模式CCD的工作模式主要包括暴光、读出和清除三个阶段。
暴光：在暴光阶段，感光单元中的电荷被光线激发产生，并通过电荷传输到读出电路中。
暴光时间的长短决定了感光单元中电荷的积累量，从而影响图象的亮度和细节。
读出：在读出阶段，读出电路将感光单元中的电荷信号转换为电压信号，并进行放大和处理。
读出时间的长短决定了图象的帧率和传输速度。
电荷耦合器件的工作过程
电荷耦合器件（CCD）是一种集成电路，其工作过程基于光电效应。
当光线照射到CCD上时，光子与CCD表面的半导体材料相互作用，将能量传递给价电子。
这个过程导致价电子从价带跃迁到导带，从而产生自由电子。
这些自由电子被电场吸引并存储在CCD的势阱中。
每个势阱可以存储一定数量的电荷，代表了被光线照射到的像素点的强度和颜色信息。
通过一定的机制，这些电荷可以逐个转移到后续的势阱中，最后被模数转换器转换为数字信号，以供后续的图像处理和存储。
以上信息仅供参考，如有需要，建议咨询电子技术专家或查阅相关文献资料。
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。
图像信息原理_电荷耦合器件_v2分析
输出二极管T3始终处于强反偏状态 A点的等效电容C由T3管的结电容加上T1管的栅电容构 成，它构成一个电荷积分器 此电荷积分器随T2管的开与关，处于选通和关闭状态， 称为选通电荷积分器
如图所示为电压输出工作波形图。
Φ1
Φ2
ΦR Vout
CCD电压输出工作原理为： 在每个时钟脉冲周期内， 随着时钟脉冲Φ1或Φ2的下降过程，就有一个电荷包 从CCD转移到输出二极管T3的N区，即转移到电荷积分 器上，引起A点电位变化为：
当ΦR结束，T2管关闭后，由于T1管处于A点的VRD电位的 强反偏状态，此积分器无放电回路，所以A点电位一直维 持在VRD值，直到下一个时钟脉冲信号电荷到来为止。
CCD Analogy
A common analogy for the operation of a CCD is as follows: An number of buckets (Pixels) are distributed across a field (Focal Plane of a telescope)in a square array. The buckets are placed on top of a series of parallel conveyor belts and collect rain fall(Photons) across the field. The conveyor belts are initially stationary, while the rain lowly fills the buckets (During the course of the exposure). Once the rain stops (The camera shutter closes) the conveyor belts start turning and transfer the buckets of rain , one by one , to a measuring cylinder (Electronic Amplifier) at the corner of the field (at the corner of the CCD) The animation in the following slides demonstrates how the conveyor belts work.
电荷耦合器件
电荷耦合器件
电荷耦合器件(CCD)是典型的固体图象传感器，它是1970年贝尔实验室的W·S·Boyle和G·E·Smith发明的，它与光敏二极管阵列集成为一体，构成具有自扫描功能的CCD图象传感器。
它不仅作为高质量固体化的摄象器件成功地应用于广播电视、可视电话和无线电传真，而且在生产过程自动检测和控制等领域已显示出广阔的前景和巨大的潜力。
一、CCD的工作原理
CCD是一种半导体器件，在N型或P型硅衬底上生长一层很薄的S i O2，再在S i O2薄层上依次序沉积金属电极，这种规则排列的MOS电容阵列再加上
两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。
CCD可以把光信号转换成电脉冲信号。
每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这就起到图象传感器的作用。
线阵64位CCD结构示意图
信息电荷的转移原理图
二、CCD应用举例
尺寸自动检测
通常，快速自动检测工件尺寸的系统有一个测量台，在其上装有光学系统、图象传感器、和微处理机等。
被测工件成像在CCD图象传感器的光敏阵列上，产生工件轮廓的光学边缘。
时钟和扫描脉冲电路对每个光敏元顺次询问，视频输出馈送到脉冲计数器，并把时钟选送入脉冲计数器，启动阵列扫描的扫描脉冲也用来把计数器复位到零。
复位之后，计数器计算和显示由视频脉冲选通的总时钟脉冲数。
显示数N就是工件成象覆盖的光敏元数目，根据该数目来计算工件尺寸。
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。
论述ccd的工作原理
论述ccd的工作原理宝子们！今天咱们来唠唠CCD这个超有趣的东西到底是咋工作的呢。
CCD啊，全名是电荷耦合器件。
你可以把它想象成一个超级小的电子世界里的“搬运工”。
CCD是由好多好多的小单元组成的，这些小单元就像是一个个小房间，我们叫它们像素。
每个小房间都有自己的小任务哦。
当光线照到CCD上的时候，那可就像一场小派对开始了。
光线就像是一群小客人，它们一进来就开始搞事情啦。
光线里其实是带着能量的，这些能量会让CCD里的一些东西发生变化。
在每个小像素单元里呢，有一些特殊的物质，光线一照，就会产生电荷。
就好比小房间里本来安安静静的，光线这个小客人一来，就把电荷这个小宝贝给催生出来了。
而且啊，光线的强弱不同，产生的电荷数量也不一样哦。
光线强的地方，产生的电荷就多，就像派对上热闹的角落，人就多；光线弱的地方呢，产生的电荷就少，就像派对上比较安静的小角落，人就少。
那这些电荷产生了之后可不能就这么待着呀。
这时候，CCD的神奇之处就开始展现了。
它有一套自己的“搬运系统”。
这个搬运系统就像是小蚂蚁搬家一样，把每个小房间里产生的电荷一个一个地搬到一个特定的地方去。
这个过程可讲究了呢。
它是按照一定的顺序来搬的，就像小朋友们排队上校车一样，整整齐齐的。
先搬这个小房间的，再搬那个小房间的。
等把所有的电荷都搬运到了那个特定的地方之后呢，就可以开始读取这些电荷所携带的信息啦。
这些信息其实就是关于光线的信息，也就是图像的信息。
就好像是把这个小派对上每个角落的情况都收集起来了一样。
然后通过一些电路啊、芯片啊之类的东西，把这些电荷信息转化成我们能看到的图像。
比如说在相机里，最后就变成了一张美美的照片啦。
你看，CCD的工作就像是一场精心编排的小演出。
光线是演员，CCD是舞台，电荷是演员们在舞台上留下的痕迹，而最后的图像就是这场演出的成果。
它就这么巧妙又有趣地把光线变成了我们能看到的画面。
而且啊，CCD在好多地方都有大用处呢。
除了我们常见的相机，在一些监控设备里也有它的身影。
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CCD工作原理
电荷耦合器件CCD⼯作原理什么是电荷耦合器件？电荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD），⼜称图像传感器，是⼀种⼤规模集成电路光学器件，是在MOC集成电路技术基础上发展起来的新型半导体传感器。
电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，⽽不同于其他⼤多数器件是以电流或者电压为信号。
所以CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。
它存储由光或电激励产⽣的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输。
CCD⼯作过程的主要问题是信号电荷的产⽣，存储，传输，和检测。
CCD的⼯作原理：CCD的尺⼨是说感光器件的⾯积⼤⼩，这⾥就包括了CCD和CMOS.感光器件的⾯积⼤⼩，CCD/CMOS⾯积越⼤，捕获的光⼦越多，感光性能越好，信噪⽐越低。
CCD/CMOS是数码相机⽤来感光成像的部件，相当于光学传统相机中的胶卷。
CCD上感光组件的表⾯具有储存电荷的能⼒，并以矩阵的⽅式排列。
当其表⾯感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个CCD上的所有感光组件所产⽣的信号，就构成了⼀个完整的画⾯。
现在市⾯上的消费级数码相机主要有2/3英⼨、1/1.8英⼨、1/2.7英⼨、1/3.2英⼨四种。
CCD/CMOS尺⼨越⼤，感光⾯积越⼤，成像效果越好。
1/1.8英⼨的300万像素相机效果通常好于1/2.7英⼨的400万像素相机(后者的感光⾯积只有前者的55%)。
⽽相同尺⼨的CCD/CMOS像素增加固然是件好事，但这也会导致单个像素的感光⾯积缩⼩，有曝光不⾜的可能。
但如果在增加CCD/CMOS像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在⾄少维持单个像素⾯积不减⼩的基础上增⼤CCD/CMOS的总⾯积。
⽬前更⼤尺⼨CCD/CMOS加⼯制造⽐较困难，成本也⾮常⾼。
因此，CCD/CMOS尺⼨较⼤的数码相机，价格也较⾼。
感光器件的⼤⼩直接影响数码相机的体积重量。
超薄、超轻的数码相机⼀般CCD/CMOS尺⼨也⼩，⽽越专业的数码相机，CCD/CMOS尺⼨也越⼤。
ccd的工作原理及应用
ccd的工作原理及应用1. CCD是什么？CCD，即电荷耦合器件（Charge-Coupled Device），是一种光电转换器件，广泛应用于图像传感、光学测量和光谱分析等领域。
它由多个光敏二极管组成，能够将光信号转换成电信号，并可通过逐行读取的方式将图像信息传输到计算机或其他设备上。
2. CCD的工作原理CCD的工作原理可以分为光电转换和信号传输两个部分。
2.1 光电转换CCD的光电转换是通过光敏元件实现的，光敏元件包括感光区域和电荷传输区域。
当感光区域受到光照时，光子激活感光元件并生成电荷。
每个感光元件负责转换一个像素点的光信号。
2.2 信号传输CCD的信号传输是通过电荷耦合的方式完成的。
电荷在感光元件之间通过电荷传输位移的方式进行传输。
当光信号转换成电荷后，电荷逐行传输到输出端。
3. CCD的应用CCD具有灵敏度高、信噪比好、动态范围宽等优点，因此在许多领域得到广泛的应用。
3.1 数字摄像机CCD是数字摄像机中的核心部件，用于将光信号转换成电信号。
它能够捕捉细节丰富的图像，拥有较高的分辨率和色彩还原能力，广泛应用于数码相机、摄像机和手机等设备。
3.2 天文观测CCD在天文观测中发挥着重要的作用，能够感受到微弱的天体光信号，并将其转换成电信号。
天文学家利用CCD可以捕捉到遥远星系、行星、恒星等天体的图像，研究宇宙的演化和结构。
3.3 生物医学影像CCD在生物医学影像中也有广泛的应用。
例如在X射线成像、核磁共振成像和超声成像等方面，CCD可以将医学图像转换成数字信号，并进行后续的处理和分析，为医生提供准确的诊断结果。
3.4 光谱分析CCD在光谱分析领域也有重要的应用。
通过将不同波长的光信号转换成电信号，并通过CCD的逐行读取功能，可以获取光谱图像。
这对于材料分析、化学反应研究等领域具有重要意义。
3.5 星座相机星座相机是一种利用CCD进行星图测量和天文学研究的设备。
它使用高精度的CCD传感器，能够实时测量星体的位置和亮度，帮助天文学家研究星系结构、测定恒星距离和运动等。
增强电荷耦合器件
增强电荷耦合器件增强电荷耦合器件是一种用于传递电荷信号的重要器件，它在电子领域中具有广泛的应用。
本文将从定义、原理、结构和应用等方面对增强电荷耦合器件进行详细介绍。
一、定义增强电荷耦合器件是一种用于电荷传输的器件，它能够在不同电路之间传递电荷信号。
在现代电子技术中，电荷耦合器件被广泛应用于各种电路中，如存储器、通信系统和传感器等。
二、原理增强电荷耦合器件的工作原理基于电场效应，利用电场控制电荷的传输。
它由一个输入端和一个输出端组成，通过电场的作用，将输入端的电荷转移到输出端。
当输入端施加电压时，电荷被吸引并沿着特定路径传输，最终到达输出端。
这种电荷传输的过程可以实现信号的传递和放大。
三、结构增强电荷耦合器件的结构主要包括输入端、输出端和控制电极。
输入端和输出端分别连接到不同的电路，而控制电极用于控制电场的分布。
通常，增强电荷耦合器件采用半导体材料制造，如硅或硅化物。
其结构可以分为平面结构和垂直结构两种。
平面结构的增强电荷耦合器件常用于集成电路中，而垂直结构的增强电荷耦合器件通常用于高频电路和光电子器件中。
四、应用增强电荷耦合器件在电子领域中具有广泛的应用。
首先，它可以用于存储器中的数据传输和存储。
通过控制电荷的传输，可以实现数据的读取和写入。
其次，增强电荷耦合器件还可以用于通信系统中的信号传输。
通过将电荷从一个电路传递到另一个电路，可以实现信号的传递和放大。
此外，增强电荷耦合器件还可以用于传感器中，用于检测和测量各种物理量，如温度、压力和光强等。
总结起来，增强电荷耦合器件是一种用于传递电荷信号的重要器件。
它的工作原理基于电场效应，通过控制电场的分布来实现电荷的传输。
增强电荷耦合器件的结构主要包括输入端、输出端和控制电极，其应用广泛，包括存储器、通信系统和传感器等领域。
随着电子技术的不断发展，增强电荷耦合器件在各个领域中的应用将会越来越广泛。
电荷耦合器件原理
电荷耦合器件原理
电荷耦合器件是一种电子元件，通过电场作用将信号从一个电路传递到另一个电路。
它是由一个电容器构成的，其中两个电极分别连接两个电路。
原理上，电荷耦合器件利用了电容器的特性。
当一个电压信号加在电荷耦合器件的输入端时，电容器内部会储存起一定的电荷。
这个电荷随后会通过输出端的电路传递出去。
具体来说，当输入信号的电压变化时，电容器会根据它的电容值和输入电压的变化率来储存或释放电荷。
这样就能实现通过电场耦合的方式，传递输入信号到输出端。
电荷耦合器件具有一些优点。
首先，它的带宽较宽，能够传输较高频率的信号。
其次，电荷耦合器件在输出端的电路中引入的电流较小，不会对原始信号产生太大的失真。
此外，它还能够隔离输入和输出电路，防止电路互相影响。
然而，电荷耦合器件也存在一些问题。
例如，输出端的电压会有一定的延迟，这会影响信号的传输速度。
此外，由于电容器的存在，电荷耦合器件对直流信号的传输不敏感，只能传递交流信号。
总结来说，电荷耦合器件利用电容器的特性，通过电场耦合的方式将信号从输入端传递到输出端。
它具有较宽的带宽和较低的失真，并能隔离输入和输出电路。
然而，它也存在一些限制，如对直流信号不敏感和传输延迟。
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。
电荷耦合器件的工作原理及其最新成果
电荷耦合器件的工作原理及其最新成果一、CCD器件的工作原理及性能指标电荷耦合器件(Charge Coupled Device)是70年代初期最先由Bell实验室发明的。
CCD是种利用半导体特性，将接收到的光信号变为电信号的半导体功能器件，一般采用金属氧化物半导体结构，利用栅电极下半导体表面附近的势垒中的电荷来存储和传输信息。
CCD器件以极高的灵敏度、极大的动态范围和宽广的光谱响应范围等特别引人注目。
30年来有关CCD的研究取得惊人的进展，特别是在图像传感器的应用方面，它可以接收的光的波段比较宽，从200nm的紫外光到1100nm的红外光，覆盖了全部可见光谱区，并且灵敏度高，动态范围宽，在弱光条件下仍可正常记录图像（在天文望远镜里，由于大部分天体距离太远，能收集到的光非常弱，更需要灵敏的接收器），响应速度快（信息的存取速度快），可以记录和传输瞬态图像和随时间快速变化图像；增强型CCD（ICCD）有更快的响应速度，可以处理持续时间更短的瞬态图像。
CCD拥有大量的像元（4096×4096面阵），因此可以作为大容量存储器；CCD空间分辨率高，可满足摄像机、照相机、扫描仪、天文望远镜和光谱仪等设备对图像传感器的要求。
（一）CCD器件的工作原理CCD器件的基本阵元是金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)电容。
如图1所示,在p型硅衬底上覆盖二氧化硅绝缘层，其上制备一金属电极，这就构成了金属-氧化物-半导体(MOS)电容.MOS阵元在V G=0时，其p型半导体中的多数载流子(空穴)的分布是均匀的。
当0<V G<V th(V th是半导体材料的阈值电压)时，空穴被排斥，产生耗尽层。
随着V G的升高，耗尽层向体内扩张。
而当V G>V th时，半导体与氧化物界面的电势使体内少数载流子(电子)聚集形成约10-的反型层，其电荷密度极高。
这说明MOS阵元具有积累电荷的能力。
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电荷耦合器件的工作原理及其最新成果一、CCD器件的工作原理及性能指标电荷耦合器件(Charge Coupled Device)是70年代初期最先由Bell实验室发明的。
CCD是种利用半导体特性，将接收到的光信号变为电信号的半导体功能器件，一般采用金属氧化物半导体结构，利用栅电极下半导体表面附近的势垒中的电荷来存储和传输信息。
CCD器件以极高的灵敏度、极大的动态范围和宽广的光谱响应范围等特别引人注目。
30年来有关CCD的研究取得惊人的进展，特别是在图像传感器的应用方面，它可以接收的光的波段比较宽，从200nm的紫外光到1100nm的红外光，覆盖了全部可见光谱区，并且灵敏度高，动态范围宽，在弱光条件下仍可正常记录图像（在天文望远镜里，由于大部分天体距离太远，能收集到的光非常弱，更需要灵敏的接收器），响应速度快（信息的存取速度快），可以记录和传输瞬态图像和随时间快速变化图像；增强型CCD（ICCD）有更快的响应速度，可以处理持续时间更短的瞬态图像。
CCD拥有大量的像元（4096×4096面阵），因此可以作为大容量存储器；CCD空间分辨率高，可满足摄像机、照相机、扫描仪、天文望远镜和光谱仪等设备对图像传感器的要求。
（一）CCD器件的工作原理CCD器件的基本阵元是金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)电容。
如图1所示,在p型硅衬底上覆盖二氧化硅绝缘层，其上制备一金属电极，这就构成了金属-氧化物-半导体(MOS)电容.MOS阵元在V G=0时，其p型半导体中的多数载流子(空穴)的分布是均匀的。
当0<V G<V th(V th是半导体材料的阈值电压)时，空穴被排斥，产生耗尽层。
随着V G的升高，耗尽层向体内扩张。
而当V G>V th时，半导体与氧化物界面的电势使体内少数载流子(电子)聚集形成约10-的反型层，其电荷密度极高。
这说明MOS阵元具有积累电荷的能力。
2m图1 MOS电容MOS阵元在金属栅与硅衬底之间加有偏压V G 时形成势阱。
当光照射到硅片时，光子的注入引起电子-空穴对的形成。
多数载流子(空穴)被栅极排斥，而少数载流子(电子)则积累于势阱中。
积累的电荷量正比于照射强度。
图2 栅极电压变化对耗尽层的影响光注入引起的电荷积累总量Q ip 可由下式表述eeo q ip AT n Q ∆=η式中η为材料的量子效率，q为电子电量，eo n ∆入射光子流速率,A为受光面积和，e T 为注入时间。
这说明对选定的受光面积A，光注入引起的电荷积累和入射光强与照射时间的乘积成正比。
这一结果与照相底板的特性非常相似。
图3电荷在相邻的MOS单元中迁移示意图CCD器件有线阵和面阵两种。
顾名思义一维排列的MOS阵元构成线阵CCD，常见的有256，512，1024，2048，4096等。
而面阵CCD显而易见是矩阵排列的MOS 阵元族。
如512×512，1024×1024等。
对CCD器件而言，检测各个MOS阵元所积累的电荷(Readout)是关键技术。
图3示出三相驱动的电荷传输过程。
假定V1所连接的电极下积累有电荷，此时V2，V3均为“负”极性。
首先V2由负跳变为正，原先积累于V1下的电荷部分向V2下势阱转移，为两个MOS阵元所共有。
随之V1的极性变为负，电荷全部移到V2下的势阱中。
再往后V3由负变为正，电荷变为V2，V3下的MOS阵元所共有。
如此不断的进行直到阵列的边缘，馈送至输出电路形成输出信号。
面阵CCD器件的电荷读出将按一列列的顺序进行。
图4列举了一典型的应用框图.CCD器件前应有光学系统以获取图像.图4典型的CCD器件应用框图（二）CCD器件的主要性能指标1、CCD的幅度和分辨率μ之间。
整个CCD的尺寸决定于可CCD列阵的每个阵元的尺寸约6.8～22.5m能制出晶片的大小。
用单晶硅制成的CCD最大有9k×9k个阵元，每个阵元的边长μ。
CCD的空间分辨率一般应为1～2个阵元，但有时相邻阵元之间有电荷为12m溢出将会降低其分辨率,致使成像模糊。
2、量子效率和光谱响应探测器的量子效率是指入射光所感生的光电子数量与入射光子数量之比，并不是每一个入射光子都能在CCD中产生一个电子-空穴对，量子效率总是小于1。
对不同入射光波有不同的量子效率，这就是探测器的光谱响应。
从理论上，其长波限是由硅材料的禁带宽度决定，其响应波长不应大于1080nm。
在短波方面，可在入射表面涂以磷光层。
从而把短波光线转换成可见光。
CCD器件有正面光照与背面光照两种类型。
图5是两种类型CCD的光谱响应曲线。
图5 两种类型CCD的光谱响应曲线3、噪声-暗电荷及读出噪声“暗电荷”或“暗电流”是由热效应产生的电荷。
消减暗电荷的方法是冷却探测器，冷却温度越低，其暗电流也越少。
因此在讨论暗电荷这一指标时应说明其环境温度。
一般是用在某一温度下，每秒(甚至是每小时)每个阵元所产生的电子数衡量暗电荷的多少。
好的CCD在液氮温度下的暗电荷可以减少到每小时每个阵元产生一个电子以下的暗电荷。
MPP(Multipinned-phase)技术可更为有效地抑制暗电荷，它是在硅层中掺杂一定量的硼，而对各个栅极的时钟相位(ClockPhases)加以适当的偏压，把势阱中的暗电荷驱赶出去。
图6是采用MPP技术与不用MPP的结果对比。
图6暗电荷〔电子数/(阵元·秒)与环境温度(℃)的关系读出噪声与CCD阵元的读出速率以及驱动电路的质量有关。
阵元的读出速率越慢，其读出噪声也越小。
一般的CCD，只有当阵元的读出速率在100kHz以下时，它的读出噪声才能维持在低噪声水平(即在10个电子以下)。
4、动态范围动态范围是指CCD列阵整体接受信号时。
能检测出的最强信号和最弱信号之比。
目前CCD的最大动态范围可达到18bit。
即最强信号和最弱信号之比可达到(218:1)。
5、信号响应的线性一般是用在某一动态范围内响应的非线性表示。
高性能CCD当其动态范围为12～14bit时，其非线性响应不大于1%。
二、CCD器件应用的最新成果随着CCD器件的迅速发展和对其研究的不断深入，CCD的应用达到了十分广泛的范围。
伴随高速、高精度、高灵敏度的CCD成像装置不断涌现，CCD成像在民用军事、工业技术和科研教育等领域中发挥着越来越重要的作用。
（一）CCD在军事领域的运用军事领域，CCD相机主要用于战机、舰船和坦克等武器装备的图像探测部件，可见光CCD相机主要为侦察、制导、预警、瞄准等武器系统提供高清晰度、高分辨率的图像，并通过高速实时监控等技术，反馈回战斗信息，从而提高部队作战和反应能力。
在非可见光成像领域，如X射线成像、红外线成像、紫外线成像等领域的应用也越来越广，X射线CCD是专门用于探测X射线的光电器件，CCD 对X射线的灵敏度比X射线胶片高200-1000倍，即使非常微弱的X射线图像也能拍摄到，军事方面的非可见光成像主要应用于夜视等。
（二）CCD在工业领域的运用工业领域应用主要用于工业方面的机器人视觉、热影分析、安全监视、工业监控等。
一些工业领域的应用，与消费者DSC领域运用有相似之处，但对于一些专业工业领域和许多科技性的领域，传感器要求的条件不同于主流CCD发展，需要设计出特殊的CCD以满足特殊的需求。
1、线扫描传感器。
用于工业检测，通常行扫描传感器被用于如在传送带上移动的物品的检测。
行扫描传感器已经达到每5pm，l2000像素和高达320MHz数据速率，现在的彩色逐行扫描传感器运用的越来越广泛。
2、TDI图像传感器。
时间延迟积分CCD(Time Delay andIntegration，CCD-TDI-CCD)阵列是工作在TDI模式的高速CCD成像器件，主要应用于极低光照下的工业在线检测、非接触式测温、图形识别和其他要求高速成像的场合。
TDI—CCD是一种特殊的CCD器件，TDI是一种扫描方式，它是一项能够增加线扫描传感器灵敏度的技术。
TDI的信号输出具有l2，24，48，96条积分线和一条水平l024，2048像素。
在横向与纵向方向上，具有时间脉冲保持和图像运动同步，累积起来的电荷包(成像数据信息)再转移到ccD水平读出寄存器输出。
3、虚相图像传感器。
虚相C CD(Virtual Phase chargeCoupledDevice，VP-CCD)的研究主要是为了解决大面积CCD成品率低并且价格昂贵的问题。
广播电视以及某些科学应用要求几十万或更高分辨率的大面积CCD，对于面积达到或超过大规模集成电路的芯片，薄膜氧化和交迭栅往往成为阻碍成品率提高的关键。
而虚相CCD可以解决或减轻许多工艺上的难题。
美国得克萨斯仪器公司研制了一种VP —CCD，其结构和普通的两相CCD相同，VPCCD中用所谓的虚相电极代替一组栅，消除了栅极间的短路问题，大大提高了成品率，并且由于不再被第二层栅极吸收，所以VP —CCD的蓝光响应有明显的改善。
（三）CCD成像的发展与挑战CCD是由美国贝尔实验室的W．S．Boyle和G．E．Smith在l970年前后发明，30多年来，CCD的研究取得了惊人的进步，特别是在像感器应用方面发展迅速，已成为现代光电子学和现代测量技术中最活跃、最富有成果的新兴领域之一，已被普遍认为是20世纪70年代以来出现的最重要的半导体器件之一。
科技的发展以及特别的需求，使得CCD成像传感器，未来主要关注以下几个方面。
1、尺寸和分辨率最大的CCD包括一个完整的6”CCD晶片，已经报道的CCD，已达12X122m μ大小尺寸7168X8192像素，和8.75X8.752m μ尺寸9216X9216像素，日本采用拼接技术开发成功了16384X16384的CC D图像传感器。
CCD器件的小型化和微型化，使CCD传感器在视频影相机以外的应用显著增多。
目前CCD开发已转向大面阵、小像元、紫外光谱响应等多方面，以能够适应数字照相机、数字摄像机、扫描仪以及其它科学领域的需求。
2、提高CCD光谱响应能力一般CCD在紫外区的量子效应较低，这是由于CCD表面多晶硅电极吸收了紫外光缘故，目前主要采用三种增加光谱响应度的方法：一是将整个CCD器件减薄；二是用荧光材料对器件表面进行敷涂，使短波段的光子被涂层中荧光物质吸收后在可见光波段被重新发射；三是采用有效的相位技术，用离子扩散面代替多硅栅来维持所需势阱。
3、降低测量噪声和读出时间目前已经有许多技术用以降低CCD的读出噪声速度，如采用重新分级读出模式，重新分级是在传输所有电荷之前将包含在检测器中多路像素内的电荷进行整合的过程。
另外还有利用双沟道设计使CCD两边同时读出信号，提高读出速度。
4、高速图像捕获高速图像捕获CCD的租乇念在l997年首次提出，高帧速CCD摄像器件用来观察高速运动的物体，记录动态物体的瞬间变化过程，一般为5 l 2 ×5 l2像素，帧速度已经超过l000Hz，具有动态范围宽、抗光晕能力强、拖影低、电子开关速度快、暗电流小、功耗低等特点，1999年美国、日本的高帧速和超高帧速CCD固体摄像机己经上市。