光电检测器件(CCD与CMOS)
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CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·波义耳(Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（George E. Smith）所发明的。
CMOS：就是CMOS传感器 CMOS(Complementary Metal-OxideSemiconductor)，中文学名为互补金属氧化物半导体，它本是计算机系统内一 种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。其原理是利用硅和锗这两种元 素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带-电） 和 P（带+电）级的 半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。 CMOS图像传感器出现于1969年，它将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储 器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块芯片上，结构简单、处理 功能多、成品率高和价格低廉，有广泛的应用前景。
CCD工作过程
CCD的工作原理
CCD的工作原理
CCD的工作原理
CCD的工作原理
CCD的工作原理
CCD的工作原理
CCD的工作原理
彩色CCD
CCD的特性参数
1.光谱灵敏度 CCD的光谱灵敏度取决于量子效率、波长、积分时间等参数。量子效率 表征CCD芯片对不同波长光信号的光电转换本领。不同工艺制成的CCD 芯片，其量子效率不同。灵敏度还与光照方式有关，背照CCD的量子效 率高，光谱响应曲线无起伏，正照CCD由于反射和吸收损失，光谱响应 曲线上存在若干个峰和谷。
（2）电荷存储
CCD的工作原理
“势阱”电荷存储
可以用半导体物理中“势阱”的概念模拟电荷存储过程。半导体中的电子 在栅极电压作用下被吸引到氧化层与半导体层的交界面处，是因为那里的 势能最低。
（3）电荷转移
势阱及电荷包的运动情况
CCD的工作原理
通过将一定规则变化的电压加到 CCD各电极上，电极下的电荷包就 能沿半导体表面按一定方向移动。 通常把CCD电极分为几组，并施加 同样的时钟脉冲。 CCD电极间隔必须很小，电荷才能 不受阻碍地从一个电极下转移到相 邻电极下。为了不使间隙下方界面 处出现妨碍电荷转移的势垒，间隙 的长度应小于3μm。
本节内容
CCD的结构 CCD的工作原理 CCD的特ห้องสมุดไป่ตู้参数
CMOS图像传感器
CCD的基本结构
构成CCD的基本单元是MOS（mental-oxide-semi-conductor）。在栅极G施加 电压之前P型半导体中空穴（多数载流子）的分布是均匀的。当栅极施加正电压 （ 此时小于P型半导体的阈值电压 ）时，P型半导体中的空穴将被排斥，并在半导体 中产生耗尽区。 继续增加，耗尽区将继续向半导体体内延伸。当 大于阈值电压后 ，耗尽区的深度将与 的大小成正比变化。此时氧化层绝缘体SiO2和半导体界面上的 电势（表面势 表征了耗尽区的深度）随之提高，以至于将P型半导体中的电子（少 数载流子）吸引到表面，形成一层极薄（约0.01μm）而电荷浓度很高的反型层，反 型层形成时的外加电压为阈值电压 。
CCD的特性参数
3.转移效率和转移损失率 电荷包从一个势阱向另一个势阱转移时，需要一个过程。像素中的电荷在离开芯片 之前要在势阱间移动上千次或更多，这要求电荷转移效率极其高，否则光电子的有 效数目会在读出过程中损失严重。 引起电荷转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获，转移损失造成信号退化。 采用“胖零”技术可减少这种损耗。
（1）电荷产生
CCD的工作原理
耗尽层与反型层形成基本工作原理
CCD的工作原理
电荷的注入和检测 在CCD中，电荷注入分为光注入式和电注入式两类。 当光线从背面或正面射到CCD硅片光敏单元上时，在光 注入电荷作用下，半导体体内产生电子空穴对，其多数 载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中 形成信号电荷包。如果此时照在这些光敏单元上是一幅 明暗起伏的图像，那么这些光敏单元就会产生一幅与光 照强度相对应的光生电荷图像，因而得到了影像信号。
第三章 光电检测器件（3）
CCD与CMOS
CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以称 为CCD图像传感器,也叫图像控制器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像 转化为电信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包 含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样， 但它是把光信号转换成电荷信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感 应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数 字图像信号。
CCD的特性参数
D的暗电流与噪声 CCD暗电流是内部热激励载流子造成的。CCD在低帧频工作时，可以几秒或几千 秒的累积（曝光）时间来采集低亮度图像，如果曝光时间较长，暗电流会在光电 子形成之前将势阱填满热电子。由于晶格点阵的缺陷，不同像素的暗电流可能差 别很大。在曝光时间较长的图像上，会产生一个星空状的固定噪声图案。这种效 应是因为少数像素具有反常的较大暗电流，一般可在记录后从图像中减去，除非 暗电流已使势阱中的电子达到饱和。 晶格点阵的缺陷产生不能收集光电子的死像素。由于电荷在移出芯片的途中要穿 过像素，一个死像素就会导致一整列中的全部或部分像素无效；过渡曝光会使过 剩的光电子蔓延到相邻像素，导致图像扩散性模糊。
（4）信号的检测
CCD的工作原理
电流输出方式由反向偏置二极管、二极管偏置电 阻R、源极输出放大器和复位场效应管 等单元构 成。信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到最 末一级下的势阱中，当 电极上的电压由高变低 时，由于势阱的提高，信号电荷将通过输出栅 OG（加有恒定电压）下的势阱进入反向偏置的 二极管（图中N+区）中。二极管收集信号电荷 来控制A点电位的变化。由电源 的内阻 、衬底P 和N+区构成的输出二极管反向偏置电路，对电 荷电子来说相当于一个很深的势阱。进入反向偏 置的二极管中的电荷，将产生电流 ，且大小与 注入二极管中的信号电荷 成正比。复位场效应 管用于对检测二极管的深势阱进行复位。其作用 是在一个溢出周期中，注入输出二极管深势阱中 的信号电荷将通过偏置电阻 放电，使没有来得 及被卸掉的信号电荷通过复位场效应管卸掉。
CMOS：就是CMOS传感器 CMOS(Complementary Metal-OxideSemiconductor)，中文学名为互补金属氧化物半导体，它本是计算机系统内一 种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。其原理是利用硅和锗这两种元 素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带-电） 和 P（带+电）级的 半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。 CMOS图像传感器出现于1969年，它将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储 器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块芯片上，结构简单、处理 功能多、成品率高和价格低廉，有广泛的应用前景。
CCD工作过程
CCD的工作原理
CCD的工作原理
CCD的工作原理
CCD的工作原理
CCD的工作原理
CCD的工作原理
CCD的工作原理
彩色CCD
CCD的特性参数
1.光谱灵敏度 CCD的光谱灵敏度取决于量子效率、波长、积分时间等参数。量子效率 表征CCD芯片对不同波长光信号的光电转换本领。不同工艺制成的CCD 芯片，其量子效率不同。灵敏度还与光照方式有关，背照CCD的量子效 率高，光谱响应曲线无起伏，正照CCD由于反射和吸收损失，光谱响应 曲线上存在若干个峰和谷。
（2）电荷存储
CCD的工作原理
“势阱”电荷存储
可以用半导体物理中“势阱”的概念模拟电荷存储过程。半导体中的电子 在栅极电压作用下被吸引到氧化层与半导体层的交界面处，是因为那里的 势能最低。
（3）电荷转移
势阱及电荷包的运动情况
CCD的工作原理
通过将一定规则变化的电压加到 CCD各电极上，电极下的电荷包就 能沿半导体表面按一定方向移动。 通常把CCD电极分为几组，并施加 同样的时钟脉冲。 CCD电极间隔必须很小，电荷才能 不受阻碍地从一个电极下转移到相 邻电极下。为了不使间隙下方界面 处出现妨碍电荷转移的势垒，间隙 的长度应小于3μm。
本节内容
CCD的结构 CCD的工作原理 CCD的特ห้องสมุดไป่ตู้参数
CMOS图像传感器
CCD的基本结构
构成CCD的基本单元是MOS（mental-oxide-semi-conductor）。在栅极G施加 电压之前P型半导体中空穴（多数载流子）的分布是均匀的。当栅极施加正电压 （ 此时小于P型半导体的阈值电压 ）时，P型半导体中的空穴将被排斥，并在半导体 中产生耗尽区。 继续增加，耗尽区将继续向半导体体内延伸。当 大于阈值电压后 ，耗尽区的深度将与 的大小成正比变化。此时氧化层绝缘体SiO2和半导体界面上的 电势（表面势 表征了耗尽区的深度）随之提高，以至于将P型半导体中的电子（少 数载流子）吸引到表面，形成一层极薄（约0.01μm）而电荷浓度很高的反型层，反 型层形成时的外加电压为阈值电压 。
CCD的特性参数
3.转移效率和转移损失率 电荷包从一个势阱向另一个势阱转移时，需要一个过程。像素中的电荷在离开芯片 之前要在势阱间移动上千次或更多，这要求电荷转移效率极其高，否则光电子的有 效数目会在读出过程中损失严重。 引起电荷转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获，转移损失造成信号退化。 采用“胖零”技术可减少这种损耗。
（1）电荷产生
CCD的工作原理
耗尽层与反型层形成基本工作原理
CCD的工作原理
电荷的注入和检测 在CCD中，电荷注入分为光注入式和电注入式两类。 当光线从背面或正面射到CCD硅片光敏单元上时，在光 注入电荷作用下，半导体体内产生电子空穴对，其多数 载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中 形成信号电荷包。如果此时照在这些光敏单元上是一幅 明暗起伏的图像，那么这些光敏单元就会产生一幅与光 照强度相对应的光生电荷图像，因而得到了影像信号。
第三章 光电检测器件（3）
CCD与CMOS
CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以称 为CCD图像传感器,也叫图像控制器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像 转化为电信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包 含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样， 但它是把光信号转换成电荷信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感 应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数 字图像信号。
CCD的特性参数
D的暗电流与噪声 CCD暗电流是内部热激励载流子造成的。CCD在低帧频工作时，可以几秒或几千 秒的累积（曝光）时间来采集低亮度图像，如果曝光时间较长，暗电流会在光电 子形成之前将势阱填满热电子。由于晶格点阵的缺陷，不同像素的暗电流可能差 别很大。在曝光时间较长的图像上，会产生一个星空状的固定噪声图案。这种效 应是因为少数像素具有反常的较大暗电流，一般可在记录后从图像中减去，除非 暗电流已使势阱中的电子达到饱和。 晶格点阵的缺陷产生不能收集光电子的死像素。由于电荷在移出芯片的途中要穿 过像素，一个死像素就会导致一整列中的全部或部分像素无效；过渡曝光会使过 剩的光电子蔓延到相邻像素，导致图像扩散性模糊。
（4）信号的检测
CCD的工作原理
电流输出方式由反向偏置二极管、二极管偏置电 阻R、源极输出放大器和复位场效应管 等单元构 成。信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到最 末一级下的势阱中，当 电极上的电压由高变低 时，由于势阱的提高，信号电荷将通过输出栅 OG（加有恒定电压）下的势阱进入反向偏置的 二极管（图中N+区）中。二极管收集信号电荷 来控制A点电位的变化。由电源 的内阻 、衬底P 和N+区构成的输出二极管反向偏置电路，对电 荷电子来说相当于一个很深的势阱。进入反向偏 置的二极管中的电荷，将产生电流 ，且大小与 注入二极管中的信号电荷 成正比。复位场效应 管用于对检测二极管的深势阱进行复位。其作用 是在一个溢出周期中，注入输出二极管深势阱中 的信号电荷将通过偏置电阻 放电，使没有来得 及被卸掉的信号电荷通过复位场效应管卸掉。