第4章CCD工作原理解析
CCD工作原理课件
信号转换电路
介绍CCD中的信号转换电路，包括放大器和模数转换器，以及它们对图像质量的影响。
CCD工作原理课件
这是一份关于CCD工作原理的课件，将介绍CCD的硅芯片层级结构、光电转换 原理、图像传感器等内容，以及CCD在各行业的应用和未来发展趋势。不同层级结构，包括光
光电转换原理
2
电转换单元和信号转换单元。
详解CCD中光电转换的原理，包括光子的
激发和电荷的传输过程。
3
光电转换芯片架构
介绍CCD光电转换芯片的架构和工作原理，
常见图像传感器
4
包括积分区域和读出电路。
比较常见的CCD和CMOS图像传感器的特 点和应用领域。
Charge-Coupled Device (CCD)
介绍Charge-Coupled Device (CCD)的基本概念和原理，解释为什么CCD是一种重 要的图像传感器技术。
CCD内部结构
深入了解CCD内部的结构和工作原理，包括感光单元、隔离区域和垂直传输区 域。
CCD元件种类与性能
介绍不同种类的CCD元件，包括前照式和背照式，以及常见的CCD性能指标，如动态范围和噪声性能。
接口电路
讨论与CCD配套使用的接口电路，包括模拟与数字信号的转换和数据传输的方 式。
CCD成像原理
CCD的基本工作原理
CCD的基本工作原理CCD的基本工作原理CCD（Charged Coupled Device，电荷耦合器件）是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成。
它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。
因此，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[1]。
以下将分别从这几个方面讨论CCD器件的基本工作原理。
1.1 MOS电容器CCD是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每一个光敏像元就是一个MOS（金属—氧化物—半导体）电容器。
但工作原理与MOS晶体管不同。
CCD中的MOS电容器的形成方法是这样的[2]：在P型或N型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚度约为100～150nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个MOS 电容器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VG之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压VG时，在电极下的空穴被排斥，产生耗尽层，当栅压继续增加，耗尽层将进一步向半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫做“势阱”。
在耗尽状态时，耗尽区电子和空穴浓度与受主浓度相比是可以忽略不计的，但如正栅压VG 进一步增加，界面上的电子浓度将随着表面势成指数地增长，而表面势又是随耗尽层宽度成平方率增加的。
这样随着表面电势的进一步增加，在界面上的电子层形成反型层。
而一旦出现反型层，MOS就认为处于反型状态（如图3 —1所示）。
显然，反型层中电子的增加和因栅压的增加的正电荷相平衡，因此耗尽层的宽度几乎不变。
反型层的电子来自耗尽层的电子—空穴对的热产生过程。
对于经过很好处理的半导体材料，这种产生过程是非常缓慢的。
因此在加有直流电压的金属板上叠加小的交流信号时，反型层中电子数目不会因叠有交流信号而变化。
CCD工作原理详解
CCD工作原理详解CCD（Charge-Coupled Device）指的是电荷耦合器件，是一种常见的图像传感器技术，广泛应用在数码相机、摄像机、扫描仪等设备中。
CCD工作原理相对复杂，下面将对其进行详细解析。
CCD是一种半导体器件，通过集成电路的形式将大量的光电元件集成在一起，它的核心是由一系列微米级的光敏元件构成的光电阵列，每个光敏元件都可以将光信号转换为电荷信号。
CCD的工作原理主要涉及到光信号的转换、电荷传递、电荷读出和信号处理等过程。
首先，当光照射到CCD表面时，光子激发了CCD中的光敏元件，光敏元件将光信号转化为电荷信号。
这个过程发生在每个光敏元件中，将整个光场转化为一系列的电荷包。
接下来，这些电荷包先通过电荷传输逐个从光敏元件传递到电荷传输道，然后通过连续的脉冲信号控制，将电荷从一个像元传递到相邻的像元，最终集中到输出端。
这个过程称为电荷耦合，通过精确控制电荷传输时间和电平能够实现高速传输和低噪声。
在电荷耦合的过程中，电荷被逐个传递到了输出端，形成了一行行的电荷分布。
为了读取这些电荷分布，需要使用专门的电荷放大和读出电路。
读出电路通常通过逐行选通，将电荷的分布转换为电压信号，并通过模数转换器（ADC）将其转换为数字信号。
最后，数字信号经过信号处理处理得到图像信息。
CCD作为一种高质量、高性能的图像传感器，有其特殊的优势。
首先，由于CCD每个像元都能够转换为电荷信号，并且具有较高的灵敏度，因此能够实现高分辨率的图像采集。
其次，CCD具有宽动态范围，能够同时保留高亮度和低亮度细节。
此外，CCD的噪声较低，色彩还原性好，图像质量较高。
然而，CCD也存在一些局限性。
首先，CCD在图像捕获时需要大量的电荷传输，因此相比其他图像传感器技术，其处理速度较慢。
其次，由于CCD是通过控制电荷传输来实现图像转换，因此在特定条件下容易发生图像拖影现象。
此外，CCD的制造工艺相对复杂，成本较高。
总结来说，CCD工作原理涵盖了光信号转换、电荷传输、电荷读出和信号处理等过程，通过控制电荷在像元之间的传递来实现图像的捕获和转换。
第4章 数码相机的工作原理
第四章数码相机的工作原理及性能第一节数码相机的电原理框图通过数码相机下面的电原理框图我们就可以了解数码相机的摄影原理上图就是数码相机的主要部件组成和工作原理图。
由图可见，被测景物的光线通过相机的光学镜头传送到CCD图像传感器，CCD将光的强弱光信号转换为相应强度的电量信号再传送至A/D模数转换器，A/D模数转换器再将电量模拟信号转换为二进制数字信号，再传至相机的DSP数字信号微处理器，经过数学处理后的数字信号同时传至相机内部的静态/动态存储器存储和传至图像控制器处理，再由图像控制器将图像数字信号处理后再传至LCD液晶显示器显示被拍摄景物的图像，另外还传至图像压缩器将图像压缩成JPEG等格式后，再传至外接存储卡（闪存卡）以及通过USB连线将图像传至电脑或照片打印机。
由上述可知，数码相机之所以被称为数码相机，其主要道理就是它把二进制数码信号成像，所以称为数码相机。
第二节数码相机的的光电传感器与传统相机相比，传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，其原理是胶卷底片上的无数银盐颗粒感光成图像。
而数码相机的“胶卷”就是其成像光电传感器，其原理是光电传感器上的大量光电器件（光电二极管）感光成电图像。
传统相机的底片可以从相机内取出来，但数码相机的光电传感器却是与相机固定一体不可取出的。
光电传感器是数码相机的核心，也是最关键的部件之一。
在数码相机内起着特别重要的作用。
数码相机的发展道路，可以说就是光电传感器的发展道路。
目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是新开发的CMOS（互补金属氧化物导体）器件。
⑴ CCD光电传感器CCD光电传感器是电荷耦合器件图像传感器CCD（charge coupled device）. 它是用一种高感光度的半导体材料制成的感光器件，在该器件上集成了数以百万计以上的数目的光电二极管，这些大量光电二极管能各自把接受到的来自被摄景物的不同亮度的光线转变成相应强弱的电荷，这些强弱不同的电荷量再通过A/D模数转换芯片转换为相应大小不同的数字量，最后再由相机内的微处理器将这些数字量处理成像。
ccd相机工作原理
ccd相机工作原理CCD相机工作原理。
CCD相机是一种常见的数字成像设备，它利用CCD（电荷耦合器件）作为感光元件，通过光电转换将图像信息转化为电信号，再经过AD转换和数字处理，最终形成数字图像。
CCD相机工作原理的核心在于光电转换和信号处理，下面将详细介绍CCD相机的工作原理。
首先，CCD相机的工作原理可以分为三个主要步骤，光电转换、信号放大和AD转换。
在光电转换阶段，CCD感光元件会受到光线的照射，光子会激发CCD 感光元件中的电子，使其产生电荷。
这些电荷会根据光线的强弱和颜色不同而积累在CCD感光元件的不同位置，从而形成一个电荷图案，这个过程就是光电转换的过程。
接下来，信号放大阶段会将CCD感光元件中积累的电荷信号放大，以增强信号的强度，这样可以提高信噪比和图像质量。
信号放大的过程是通过放大器来实现的，放大器会将CCD感光元件输出的弱电荷信号放大成为可以被AD转换器处理的电压信号。
最后，AD转换阶段将放大后的模拟电压信号转换为数字信号，这个过程是通过AD转换器来实现的。
AD转换器会将模拟电压信号按照一定的时间间隔进行采样，并将采样后的模拟信号转换为相应的数字信号，这样就得到了数字图像数据。
除了这三个主要步骤外，CCD相机还需要进行数字信号处理和图像输出。
数字信号处理可以包括图像增强、色彩校正、降噪等处理，这些处理可以在数字信号处理器中完成。
最终，处理后的数字图像数据会被输出到存储设备或显示设备上，供用户观看或进一步处理。
总的来说，CCD相机的工作原理是通过光电转换、信号放大、AD转换和数字信号处理等步骤将光学图像转化为数字图像。
这种工作原理使得CCD相机能够实现高质量的图像成像，并且具有灵敏度高、动态范围广、抗干扰能力强等优点，因此在各种领域得到了广泛的应用，包括摄影、医学影像、工业检测等领域。
总之，CCD相机的工作原理是一个复杂而精密的过程，它涉及到光学、电子、数字信号处理等多个领域的知识，只有深入理解其工作原理，才能更好地应用和发挥其功能。
第4章CCD工作原理解析PPT课件
电荷的测量
20m
输出漏极 (OD) 输出管栅极 输出源极 (OS)
SW R RD OD
输出节点 复位漏极 (RD)
R（复位 栅极）
串行寄存器电极
相加阱 (SW)（相当于量筒）
复位 FET
输出节点 相加阱
输出 FET
OS
串行寄存器最后的几个电极（读出寄存器） 衬底
典型 CCD 片内放大器的显微照片和片内放大器的线路图.
氧化物
金属
P型半导体
Vg<0
栅电极
EFm VG<0
EC
EFp
P-Si
Ev 积累层
栅极电压Vg<0,电
SiO2
场排斥电子吸引空穴， 使表面电子能量增大，
表面处能带向上弯曲，
越接近表面空穴浓度越
大，形成空穴积累层。
氧化物
金属
P型半导体
EC
Vg>0
栅电极
VG>0 EFm W
EFp
P-Si
Ev
耗尽层
氧化物
半导体表面与衬底的电压，常称为表面势，（用VG 表示）外加电压越大，对应有越大的表面电势，能带弯
曲的越厉害，相应的能量越低，储存电子的能力越大，
通常称其为势阱。注入电子形成电荷包
VG=2V
VG=6伏
VG=12伏
0
5
10 15 P-Si
P-Si
P-Si
伏
VG 空势阱
填满1/3势阱
全满势阱
电荷的存储
❖ 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。
CCD基本原理与应用
CCD基本原理与应用CCD（Charge Coupled Device）是一种电子器件，也是一种图像传感器。
它是由许多电荷传输电极、储存节点和输出寄存器组成的。
CCD原理基于光电效应，通过转换光子能量为电荷，进而将电荷转换为电信号。
CCD工作原理是通过感光元件接收光线，将光线中的不同颜色和亮度转化为电荷信号，进一步转化为电压信号。
CCD感光元件由排列在平面上的微小光敏单元（Pixel）组成，每个光敏单元可以转换接收到的光线为一定量的电荷。
当光线进入CCD感光元件时，光子会与感光元件上的硅原子相互作用，使电子从价带跃迁到导带，形成电荷。
光敏单元的形状和大小决定了CCD的空间分辨率。
在CCD感光元件的排列结构中，光敏单元被分成两个区域：感光区和储存区。
感光区接收到光线，产生的电荷被存储在相应的储存区。
当电荷存储完毕后，通过逆向偏置的输出寄存器完成信号的放大和读取。
读出的信号可以用来构建图像。
CCD的应用非常广泛。
最常见的应用之一是在数字相机和摄像机中充当图像传感器。
CCD感光元件可以捕捉到细节丰富的图像，并转换为数字信号。
这些数字信号可以通过影像处理、压缩和存储等方式进行后续的处理和使用。
CCD也在天文学中广泛应用。
天文学家使用CCD相机来观测和拍摄星体的图像。
由于CCD可以捕捉非常微弱的光信号，并具有较高的灵敏度和低噪声特性，所以CCD相机成为天文观测中不可或缺的工具。
CCD还广泛应用于光谱仪中。
光谱仪将光线分散为不同波长的光谱，CCD感光元件可以将光谱转换为电信号，并进行进一步的分析和测量。
这使得CCD成为光谱分析领域中的关键技术。
此外，CCD还被应用于医学成像、工业检测和科学研究等领域。
在医学成像中，CCD感光元件可以捕捉到医学图像，并帮助医生进行诊断。
在工业检测中，CCD可以用来检测产品的表面缺陷和异常，提高生产质量。
在科学研究中，CCD可以用来观测微观现象和进行粒子探测。
总的来说，CCD基本原理是通过光电效应将光子能量转换为电荷，进而转换为电信号。
第四章(一)+线阵CCD的应用解析
间间隔称为积分时间，由于电荷的转移时间很短，可认为电荷转移的周
期便是积分时间，也是光敏元接受光照的时间。如图4-2当移位寄存器中
Ф1为高电平，此时SH脉冲也为高电平使Ф1电极下的深势阱与光敏元的 存储势阱沟通，光敏元里的信号电荷迅速向两边模拟移位寄存器的Ф1电 极控制的MOS单元转移。然后，SH电平变低，形成浅势阱，光敏元与移
（像素）有两个MOS，其中的一个MOS与光敏元相连，并接Ф1 脉冲，另一个不直接与光敏元相连，接Ф2脉冲。其像素数量与光 敏元相同。每个光敏单元的尺寸为14µm长、14µm高，中心距亦 为14µm。光敏元阵列总长30.24mm，光敏元的两侧是用作存储信 号电荷的MOS电容列(图中存储栅)。MOS电容阵列两侧是转移栅 电极SH，转移栅的两侧为CCD模拟移位寄存器，其输出部分由信 号输出单元和补偿输出单元构成。
此二路输出信号分别送到差分放大器LF357的正、反输入端
进行差分放大，抑制掉共模的ΦR引起的干扰，得到如图4-5 所示的信号波形。图4-5中的SP及ΦC是为用户提供的控制脉 冲，SP与CCD输出的像元光电信号同步，可用来做采样保
持控制信号。ΦC的上升沿对应于CCD的第一个有效像素单 元S1，因而可以用作行同步。当然也可以用ΦSH作行同步， 但由于CCD首先输出64个虚设单元(含暗电流信号)信号，所
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二、TCD1209D的基本工作原理 TCD1209D的驱动脉冲波形图如图所示。
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三、TCD1209D的特性参数
TCD1209D是一种性能优良的线阵CCD器件。它具有速度 快，灵敏度高，动态范围宽，像敏单元不均匀性好，功耗 低，光谱响应范围宽等优点。
1.光谱响应特性
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Vg<0
氧化物 P型半导体 金属 EC VG>0 EFm EFp
W
Vg>0
栅电极
栅极电压Vg>0,电场 SiO2 排斥空穴吸引电子，越 接近表面空穴浓度越小，
Ev
耗尽层
P-Si
形成空穴耗尽层。
氧化物 Vg》0 P型半导体 金属 栅电极 EC EFp VG》0 EFm Ev
W
反型层
栅极电压Vg》0,电 SiO2 场排斥空穴吸引电子， 越接近表面空穴浓度越
P-Si
反型层
Vg>>0
源
转移栅电极
输出栅
漏
n
n-沟道 P-Si 衬底
n
SiO2
电荷的转移
CCD真正工作时，Vg>0,恰好 能产生势阱
源
第四章 CCD工作原理
内容
• • • • • • • CCD概述 CCD工作过程 电荷的生成 电荷的收集 电荷包的转移 电荷包的测量 小结
参考书 1 《电荷耦合器件原理 与应用》王以铭 科学出 版社 1987年 2 《CCD Arrays Cameras and Displays》 Gerald C. Holst SPIE 1998
CCD是由金属－氧化物－半导体构成的密排器件，简称MOS 结构，它实际就是一个MOS电容。
CCD线 阵列
这种结构再加上 输入、输出结构 就构成了N位CCD。
CCD 单元
CCD的特点是以电荷作为信号，不是以电流或电压作为信号。
氧化物 金属 P型半导体
EFm
Vg=0 EC 栅电极 SiO2
P-Si
EFp
＋4
能量增加
导带 1.12 eV 价带
＋4
＋4
＋4
＋4
硅和锗都是金刚石 晶格结构
共价键示意图
硅的能级图
电荷的生成 能带理论复习
通过加热或光照，处于价带的电子可以被激发 到导带。把电子由价带激发到导带所需的能量要 超过价带与导带之间的能隙Eg(硅的Eg＝1.12eV, 砷化镓的Eg＝1.42eV)。
信号电荷的传输
信号电荷的检测 基本功能：电荷的存贮和转移 特点：以电荷作为信号
电荷的生成—能带理论复习
半导体材料硅和鍺的晶格结构属于金刚石晶格 : 每个原子被四 个最邻近的原子所包围。每个原子在外围轨道有四个电子，分 别与周围4个原子共用4对电子。这种共用电子对的结构称为共 价键。每个电子对组成一个共价键，组成共价键的电子称为价 电子。价电子通常位于价带，不能导电。
y4
y1
y2
y3 y4
x1
x2
x3
CCD（线阵列）的结构示意图和工作流程图
1 前照明光输入
4 电荷转移 5 电荷测量
3 电荷收 集 2 电荷生成
视频输出
1 背照明光输入
此图摘自 James Janesick “Dueling Detectors”
信号电荷的产生 信号电荷的存贮 CCD基本工作原理
面阵CCD
CMOS-CCD 图像传感器的应用
保安监视
PC摄像头 机顶盒 玩具 数码相机
医疗仪器图8-82 CMOS器件的应用情况
手机 可视电话
汽车 生物特征识别 条码识别
PDA
CCD工作原理简示图
y1
R:G:B=139:0:225 y2 R:G:B=225:0:0
y3
紫色 紫色 红色 蓝色
R:G:B=0:0:225
hc 1.24 c [ m] Eg Eg (eV )
2-3
当 c 时，光子没有足够的能量将电子由价 带激发到导带。这时光子只是穿过这个材料。对 于本征(intrinsic)硅有：
Eg 1.12eV
这是CCD的长波限制
c 1.11m
电荷的产生原理动画
光电导效应
电荷的存储（以MOS电容为例）
栅电极
Vg《0
栅电极
SiO2
P-Si
n-Si
反型层
SiO2
反型层
P型衬底n沟道
n型衬底p沟道
p型衬底，栅极加正电压，反
型层是负电荷，称为n 沟道，
n型衬底，栅极加负电压，反
型层是正电荷，称为p沟道。
电荷的转移
Vg=0
栅电极
Vg>0
栅电极
Vg>>0 SiO2
栅电极
SiO2
P-Si
耗尽层
SiO2
P-Si
小，电子浓度甚至超过
P-Si
空穴浓度，形成反型层。
表面势与势阱（电荷存储） 半导体表面与衬底的电压，常称为表面势，（用VG 表示）外加电压越大，对应有越大的表面电势，能带弯
曲的越厉害，相应的能量越低，储存电子的能力越大， 通常称其为势阱。注入电子形成电荷包 VG=12伏 VG=2V VG=6伏
0 5 10 15 伏
对空穴来说 是 “势垒”
电荷的存储
VG
+ + + + + + + + -
+ + -
+
-
+ + -
-
+
-
+
-
电荷的转移
CCD工作过程的第三步是电荷包的转移， 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。
电荷的转移
反型层的出现在SiO2衬底之间建立了导电机构， Vg》0
空穴
电子
பைடு நூலகம்
电荷的生成
如果一个入射光子的能量(Eph)大于或等 于这种材料导带与价带之间的能隙(Eg)，就 可以把一个电子激发到导带而成为自由电子。 用公式表示如下:
E ph E g
E ph h hc
2-1
2-2
其中h为普朗克常数，为频率，为波长，c是光速。
电荷的生成
光电效应中有一个临界波长（c ），定义为：
P-Si
P-Si
P-Si
VG 空势阱
填满1/3势阱
全满势阱
电荷的存储
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。
Ev
栅极电压Vg=0,p型 半导体中均匀的空穴 （多数载流子）分布， 半导体中能量线延伸 到表面并与表面垂直。
氧化物 金属 EFm VG<0 P型半导体 EC
EFp Ev
栅极电压Vg<0,电 栅电极 SiO2 场排斥电子吸引空穴， 使表面电子能量增大， 表面处能带向上弯曲， 越接近表面空穴浓度越 P-Si 大，形成空穴积累层。
CCD概述
• 电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Devices）
CCD（Charge Coupled Devices，电荷耦合器件）图像传感器
主要有两种基本类型，表面沟道CCD（简称为SCCD）器件；体
沟道或埋沟道器件（简称为BCCD）。
电 荷 耦 合 器 件 C C D
线阵CCD