当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子 产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流 子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集 在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的 光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。 光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。
CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输 出两种。 以电压输出型为例： 有浮置扩散放大器（FDA）、 浮置栅放大器（FGA）。浮置栅放大器（FGA）应用 最广。
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D的特性参数
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D的特性参数
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D的特性参数
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第13章
固态图像传感器
CCD固态图像传感器 线阵CCD型 面阵CCD型
P1 P2 P3 P1 P3 P1 P2 P3 t=t0 P1 P2 P2 P3 t=t1 P1
P1
P2 P2
P3 P3
P1
P2 P3 t=t2
P1 P2
P3 t=t3
（4）光信号的注入
CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入 两种，在光纤系统中， CCD接收的信号是由光纤传 来的光信号，即采用光注入CCD。
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 用电注入方式。
第13章
固态图像传感器
CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述 内部参数：描述的是CCD存储和转移信号电 荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据； 外部参数：描述的是与CCD应用有关的性能 指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移 损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、 分辨率等。
D的特性参数
CCD 的基本功能 —— 电荷存储和 电荷转移。 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）。
CCD基本结构分两部分： MOS（金属—氧化物—半导体） 光敏元阵列）。电荷耦合器 件是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。
CCD结构示意图
电荷耦合器件（ CCD ）特点 ——
以电荷作为信号。
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(2)电荷存储原理： 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。
P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t0 P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P2 P3 t=t2 Ф
Ф1 Ф2
Ф3 0 t0 t1 t2 t3 (b) t=t3 t
P1
P1 P2
P3
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。
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。
固态图像传感器
图像传感器：利用光电器件的光－电转换功能， 将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关 系的电信号“图像”的一种功能器件， 固态图像传感器：在同一半导体衬底上布设的若 干光敏单元与移位寄存器构成的集成化、功能化 的光电器件。光敏单元简称为“像素”或“像 点”。 特点：集成度高、尺寸小、电压低（DC7～12V）、 功耗小。 该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型 化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农 业、军用等各个领域。

固态图像传感器由光敏元件阵列和电荷转 移器件集合而成。
敏感元件主要有三大类：
电荷耦合器件（ Charge Coupled Device ，即 CCD）
互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injenction Device， 即CID）
显微镜下的MOS元表面
一个MOS光敏元结构
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。