电荷存储原理动画演示
电荷耦合器件的光电物理效应
➢ 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 光生电荷图象。 ➢这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。
三、应用举例
➢ CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、 光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合， 主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。
二、CCD器件
a.线阵型
电荷输出控制波形
二、CCD器件
64位线阵CCD结构
二、CCD器件
二、CCD器件
b.面阵电荷耦合器
b．面型CCD图像传感器 面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部
分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所示。
图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区 和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水 平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极 管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构 易于引起图像模糊。
输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置
完成图像传感
CCD基本工作原理
信号电荷的产生 信号电荷的存贮 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
(1)信号电荷的产生
光电导效应
(2)信号电荷的存储
❖ 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。
二相驱动 输出寄存器
检波二极管
视频输出 垂直转移 寄存器
感光区
二相驱动
光栅报时钟 (c)
图(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图(b)中 感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光单元，一列不透光 的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控 制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期 内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位 寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位 到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单， 但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。
(3)电荷耦合器信号输出
二、CCD器件
1、分类
CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，结构上有多种不
同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、 行间转移结构CCD。 ❖ 线阵CCD结构 ➢ 线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存 器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控 制栅，1024位线阵，由1024个光敏元1024个读出移位 寄存器组成。读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出 信息，这一过程是一个串行输出过程。
二相驱动
视频输出
检波二极管
行
输扫出描 Nhomakorabea寄
发 生 器
存 器
感光区
二相驱动
(a)
P2P1 P3
P1 P2 P3
P1 P2
P3
沟阻
感光区 析像单元
存储区
串行读出 (b)
视频输出 输出栅
图（b）所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透光 的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电 极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直 回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存 储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行 的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向 右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开 始下一帧信号的形成。该CCD结构具有单元密度高、电极简单等 优点，但增加了存储器。
目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能生产的产 品的单元数也越来越多，最多已达1024×1024像元。我国也能 生产512×320像元的面型CCD图像传感器。
二、CCD器件
➢ 对不同型号的CCD器件而言，其工作机理是相同 的。
➢ 不同型号的CCD器件具有完全不同的外型结构和 驱动时序，在实际使用时必须加以注意。
（3）电荷转移原理
❖读出移位寄存器 D电荷耦合器件是以 电荷为信号。 b.读出移位寄存器也是 MOS结构。 c.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。
电荷转移原理动画演示
电荷转移原理动画演示
(4)电荷耦合器信号输出
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）
传感器原理及应用
CCD图像传感器
3.2 光电器件-电荷耦合器件
基于CCD光电耦器件的输入 设备：数字摄像机、数字相 机、平板扫描仪、指纹机
一、电荷耦合器件的结构和工作原理 显微镜下的MOS元表面
1.基本结构
CCD基本结构分两部分： （1）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。 （2）读出移位寄存器。
➢ 我们可以通过器件供货商或直接向生产厂家索 取相关资料，为CCD器件的应用提供技术支持。
2、特性参数
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。
CCD结构示意图
MOS电容
CCD 是由规则排列的金属—氧化物—半导体 （Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。
Metal Oxide Semiconductor
2. 电荷耦合器件的工作原理
CCD
光信息
电脉冲
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照的强弱