第五章电荷耦合器件
光电检测技术(第五章 光电成像检测器件)
光电成像器件
1、图像的分割与扫描 图像分割的目的是分割后的电气图像经过扫描才能 输出一维时序信号。 分割的方法：超正析像管利用扫描光电阴极分割像 素、摄像管由电阻海颗粒分割、面阵CCD和CMOS图像传 感器用光敏单元分割。 扫描的方式：与图像传感器的性质有关。真空摄像 管采用电子束扫描方式输出一维时序信号。 具有自扫描功能的：面阵CCD采用转移脉冲方式将电 荷包顺序转移出器件；CMOS图像传感器采用顺序开同行、 列开关的方式完成信号输出。
传送
同步扫描
视频解调
图像再现
显像部分
光电成像系统原理方框图
光电成像器件
在外界照明光照射下或自身发光的景物经成像物镜 成像到光电成像器件的像敏面上形成二维光学图像。光 电成像器件完成将二维光学图像转变成二维“电气”图 像的工作。这里的二维电气图像由所用的光电成像器件 决定，超正析像管为电子图像，视像管为电阻图像或电 势图像，面阵CCD为电荷图像等。电气图像的电气量在 二维空间的分布与光学图像的光强分布保持着线性对应 关系。组成一幅图像的最小单元称作像素，像素单元的 大小或一幅图像所含像素数决定了图像的清晰度。像素 数愈多，或像素几何尺寸愈小，反映图像的细节愈强， 图份愈清晰，图像质量愈高。这就是图像的分割。
光 电 成 像 器 件 （ 成 像 原 理 ）
固体自扫描：CCD 红外变像管 变像管（完成 紫外变像管 图像光谱变换） X射线变像管 非 扫 描 型 串联式 级联式 微通道板式 负电子亲和势阴极
像增强管（图像 强度的变换）
构子常 成透由 镜像 ＆敏 显面 像， 面电
光电成像器件
三、光电成像器件的基本特征 1、光谱响应 光电成像器件的光谱响应取决于光电转换材料的 光谱响应，其短波限有时受窗口材料吸收特性影响。 外光电效应摄像管由光阴极材料决定； 内光电效应的视像管由靶材料决定，CCD摄像器件 由硅材料决定； 热释电摄像管基于材料的热释电效应，它的光谱 响应特性近似直线。
《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
电荷耦合器件CCD什么是CCD ？CCD，是英文Charge Coupled Device即电荷耦合器件的缩写，它是一种特殊半导体器件，上面有很多一样的感光元件，每个感光元件叫一个像素。
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。
但C CD像素数的增加会使制造成本以及成品率下降，而且在现行电视标准下，像素数增加到某一数量后，再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显，因此，一般一百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。
单CCD 和3CCD 有何区别？单CCD摄像机是指摄像机里只有一片CCD并用其进行亮度信号以及彩色信号的光电转换，其中色度信号是用CCD上的一些特定的彩色遮罩装置并结合后面的电路完成的。
由于一片CCD同时完成亮度信号和色度信号的转换，因此难免两全，使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业水平很的要求。
为了解决这个问题，便出现了3CCD摄像机。
3CCD，顾名思义，就是一台摄像机使用了3片CCD。
我们知道，光线如果通过一种特殊的棱镜后，会被分为红，绿，蓝三种颜色，而这三种颜色就是我们电视使用的三基色，通过这三基色，就可以产生包括亮度信号在内的所有电视信号。
如果分别用一片CC D接受每一种颜色并转换为电信号，然后经过电路处理后产生图像信号，这样，就构成了一个3CCD系统。
和单CCD相比，由于3CCD分别用3个CCD转换红，绿，蓝信号，拍摄出来的图像从彩色还原上要比单CCD来的自然，亮度以及清晰度也比单CCD好。
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。
电荷耦合器件的基本结构
• 2.氧化层台阶法
使耗尽层以外的氧化层加厚，保证它下面的半导体不 会深耗尽，以起限制作用，氧化层越厚 ，则位能越浅。
• 3.沟阻扩散法
在同一栅极下，局部掺杂浓度不同，表面势不同，掺 杂浓度越高，势阱越低，采用离子注入技术，使转移电极 沿衬底浓度高于别处，形成P+层，而且浓度变化要很陡 峭，从而可以有力的限制沟道的宽度。
电注入机构由一个输入二极管和一个或几个输入栅构成，
它可以将信号电压转换为势阱中等效的电荷包。
输入栅施加适当的电压，在其下面半导体表面形成一个耗尽 层。如果这时在紧靠输入栅的第一个转移栅上施以更高的电压， 则在它下面便形成一个更深的耗尽层。这个耗尽层就相当于一个 “通道”，受输入信号调制的电荷包就会从输入二极管经过“通 道”流人第一个转移栅下的势阱中，完成输入过程。
• BCCD与SCCD的区别
（1）BCCD中传递信息是电子是N层中的多子，SCCD是 P层中的少子 （2）SCCD中的信息电荷集中在界面处很薄的反型层中， 而BCCD的信息电荷集中在体内。 （3）BCCD转移电荷损失比SCCD小1－2个数量级，具有 更好的转移效率。 （4）BCCD转移速度高。 （5）BCCD最大的优点是低噪声，主要原因是它消除了信 号电子与表面态的相互作用。
定向转移的实现
• 通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的 时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。 当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信 号电荷的定向转移。
φ1 φ2
t2-t3时刻，Φ1电压线性减 小，1电极下势阱变浅， Φ2 为高电平，2电极下形成深势 阱，信号电荷从1电极向2电极 转移，直到t3时刻，信号电荷 全部转到2电极下。
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。
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。
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。
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。
电荷耦合器件的基本功能
电荷耦合器件的基本功能
电荷耦合器件（ChargeCoupledDevices，简称CCD）是一种可用于检测和图像捕捉的半导体装置，该装置可以将电子信号变换成可识别的数字讯号。
它是一种用于发射、接收和转换电信号的受控装置，广泛应用于雷达系统，卫星监测，海洋研究，运输交通指示，客房管理，通信，图像传感器，星空摄影和医用图像检查等，它具有高灵敏度，低噪声，低功耗，稳定可靠的特点。
电荷耦合器件的基本功能是利用一个导体板，将电子耦合到一个特殊的部件中，并在另一个特定的集成电路中将这种耦合转化为能被系统识别的数字讯号。
在电荷耦合器件中，电荷通过电压变化而被传递，称为“电波荷耦合”。
它有利于降低噪声，提高系统的静态精度和精密度。
CCD装置由两个主要部分组成，即电极和单元格，电极是指给定的阴极和阳极，单元格是用来容纳电荷的小格子，每个单元格的数量可以达到数百万个。
它们之间有一定的量子距离，可以阻止电荷在边缘间发生交叉耦合。
CDD装置还具有快速和精确的信号处理能力，可以处理大量的数据，具有良好的可靠性和耐用性，因此可以更好地满足多种应用场景，比如海洋研究，天文研究，运输交通指示，客房管理，通信，图像传感器，星空摄影和医用图像检查等。
它可以捕捉到电子信号，并将其转化为数据，便于对图像数据进行处理，以便进行高精度的视觉和检测操作。
总之，电荷耦合器件是一种先进的半导体技术，可以改变电子信号，将其变成可识别的数字讯号，在多种应用场景中有着重要的作用。
它具有高灵敏度，低噪声，低功耗，稳定可靠的特点，可以更好地满足实际需求，因此得到了广泛的应用。
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(CCD)
7.6 电荷耦合器件 CCD
固态图像传感器（Solid state imaging sensor）是 指在同一半导体衬底上生成若干个光敏单元与位移寄 存器构成一体的集成光电器件，其功能是把按空间分 布的光强信息转换成按时序串行输出的电信号。CCD 是其中应用最广泛的一种。 CCD(Charge Couple Device)是1970年贝尔实验室 的W· Boyle和G· Smith发明的，它与光敏二极管 S· E· 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。
1. 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SiO2 ，再在SiO2 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。
CCD固体图像传感器的应用
CCD固体图像传感器的应用主要在以下几方面： · 计量检测仪器：工业生产产品的尺寸、位置、表面缺 陷的非接触在线检测、距离测定等。 · 光学信息处理：光学文字识别、标记识别、图形识别、 传真、摄像等。 · 生产过程自动化：自动工作机械、自动售货机、自动 搬运机、监视装置等。 · 军事应用：导航、跟踪、侦查(带摄像机的无人驾驶飞 机、卫星侦查)。
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
可以利用三原色的原理，在同一像素位置放置三个像 素单元，各自对不同的颜色感光，通过不同强度色彩 的叠加实现彩色图像的收集。
CCD 的基本结构应包含转移电极结构、转移沟道 结构、信号输入结构和信号检测结构。
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CCD的基本光敏元(电荷存储)
我们先来了解CCD的光敏元。
①P型半导体多数 载流子为空穴②加 正电压，电子做信 号③P 型沟道CCD
它的基础是金属—氧化物—硅MOS电容器
Metal Oxide Semiconductor
CCD的信号输出(电荷的检测)
3.浮置栅放大器输出
浮置栅放大器输出中，T2栅极不是直接与信号电荷的转移 沟道相连接，而是与沟道上面的浮置栅相连。当信号电荷转 移到浮置栅下面的沟道时，在浮置栅上感应出镜像电荷，以 此来控制T2的栅极电位，达到信号检测与放大的目的。
CCD图像传感器的改进
最初的CCD传感器中，感光单元和信号转移单元是混杂的，感 光单元也参与信号的转移过程。
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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。
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
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商用CCD芯片的基本结构
第二层：『分色滤色片』，这个部份的作用主要是帮助 CCD 具备色彩辨识的能力。 回到源头，CCD 本身仅是光强感应器，对不同波长的 光的感应是一样的，无法区分。 分色滤色片，仅能够透过特定波长的光，借此，CCD 可以分开感应不同光线的『成分』，从而在最后影响处 理器还原回原始色彩。 CCD有曾有过兩种分色方式：一是 RGB 原色分色法， 另一种是 CMYG补色分色法，2003年后由于影像处理 引擎的技术和效率的进步，目前市场上超过 80％都是 原色 CCD 。
George Elwood Smith
喬治 史密斯 1930年5月10日
簡介: 1930年出生于美國白原市（White Plains） 美國國籍。 1959年從芝加哥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
金的奖金。
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CCD简介
CCD 供应商
电荷耦合器件(CCD) Charge Coupled Device)
名词解释
电荷耦合器件(CCD)
电荷耦合器件(CCD)是典型的固体图象传感器，其 主要功能是将其表面接收到的光强信号转变为电信号。
目前的数码相机、摄像机、扫描仪、广播电视、可 视电话和无线电传真中大多采用CCD作为图像采集器 件，是这些电子产品的核心。
接地
CCD的单元结构 把势阱想成一个桶
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CCD的基本光敏元(电荷存储)
CCD的信号来源(光注入)
当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产 生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流 子则被收集在势阱中形成信号电荷。
光注入方式又可分为正面照射式与背面照射式。由于正面 有光栅电极，会对光有遮挡，因此绝大多数都采用背面照 射。
进入到反向偏置的二极管中的电
荷，将产生输出电流ID，且ID的 大小与注入到二极管中的信号电
荷量成正比。电阻R是制作在
CCD内的电阻，阻值是常数。所
以，输出电流ID与注入到二极管
中的电荷量成线性关系，且
QS =ID t
RD是复位信号，用来快速抽空信号电荷
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CCD的信号输出(电荷的检测)
2.浮置扩散放大器输出
电荷转移过程
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的信号输出(电荷的检测)
目前CCD的输出方式主要有电流输出、浮置扩散放大器 输出和浮置栅放大器输出。
1. 电流输出
当信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到末级电极（图中CR2电极） 下的势阱中后，CR2电极上的电压由高变低时，由于势阱提高，信号电荷 将进入输出栅（图中N+区）。由UD+、电阻R、衬底p和N+区构成的反向 偏置二极管相当于无限深的势阱。
SiO2
耗尽区
P型Si 电荷转移方向
CCD的MOS结构
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。CCD的重要特性之一是信号电荷在转移过 程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，不会受到干扰。下面 以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。
简答或论述
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
FR为复位脉冲。SP为 像元采样脉冲。FC为 有效像元起始信号。
商用CCD芯片的基本结构
通常而言商用CCD芯片的结构就像三明治一樣 ，第一 层是『微型镜头』，第二层是『分色滤色片』以及第三 层『感光汇流层』。
第一层： 『微型镜头』是由SONY領先发展出来的技术。 为了有效提升CCD 的总像素，又要确保CCD芯片不会过 大，以适应数码产品的微型化，只能缩小每个像素的尺 寸。单一像素尺寸小了，受光面积就小，成像差。 为改善这个问题， SONY 率先在每一光敏元上装置微小 镜片。这个设计就像是帮CCD挂上眼镜一样，感光面積 大为提升。如此一來，可以同时兼顾像素数量的提高， 又保证了图像质量。
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。
Dalsa e2v technologies Fairchild Imaging Hamamatsu Photonics
Characteristics and use of FFT-CCD Kodak Panasonic Sony Texas Instruments Toshiba
CCD的常见时序图
SH为行周期脉冲，当SH高电平时，正值F1电极下均形成深 势阱，并通过SH势阱与MOS电容存储势阱沟通，MOS电容 中的信号电荷转移到模拟移位寄存器的F1电极下的势阱中。
当SH由高变低时，SH 势阱下的势阱。存储 栅进入光积分状态。
模拟移位寄存器将在 F1下的信号电荷经输 出电路由U0电极输出。
CCD传感器的分类
CCD图像传感器的分类方式主要有两种。 依据其像素排列方式的不同，可以分为线阵
CCD和面阵CCD两种： 线阵CCD中，像素排成一列，类似于数学中
的一维矩阵的形态，只能采集一个窄条上的图 像，目前扫描仪中用的就是线阵CCD。
面阵CCD中，像素排成一个二维方阵，类似 于数学中[m,n]的形态，可以直接得到二维图像， 是目前数码相机和数码摄像机中最常用的感光 元件。 依据其敏感光波长不同也可以分为可见光CCD、 近红外CCD，热感CCD(远红外)等。
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
的奖金。
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电荷耦合G器eo件rg(CeCEDl)w的o发od明S者mith
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W器ill件ar(dCCSDte)的rli发ng明B者oyle
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。