CCD ICCD EMCCD 按原理
按光谱
可见光、红外、X光和紫外 可见光CCD又可分为黑白CCD、
SCCD（ SCCD Surface
彩色CCD和微光CCD
Channel CCD）表面沟道器件
BCCD（ Bulk or Buried Channel CCD）体沟道或埋沟 道器件
按信号传输功能
Linear 线性、Interline扫瞄、 全景 Full-Frame和 FrameTransfer 全传
光信息
序列电脉冲
每个脉冲反映一个光敏元的受光情况
每个脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱
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
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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。
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CCD器件每一单元（每一像素）称为一位。CCD一 位中含的MOS电容个数即为CCD的相数，通常有二相、 三相、四相等几种结构。二相脉冲的两路脉冲相位相 差1800；三相及四相脉冲的相位差分别为1200、900 。 当这种时序脉冲加到CCD驱动电路上循环时，将实现 信号电荷的定向转移及耦合。
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8.4.1 线阵CCD 图像传感器
以SCCD为例
讨论CCD的基 电荷存储
本工作原理。
电荷 注入
CCD
电荷 输出
电荷转移
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最简单的线阵CCD是由一个输入二极管(ID)、一 个输入栅(IG)、一个输出栅(OG)、一个输出二极管(OD) 和一列紧密排列的MOS电容器构成，如下图所示。
如果不是逐渐增加栅压，而是加阶梯电压 UG>Uth，则由于UG足够大，此时，表面层虽是 反型层，但电子尚未产生，实质是空的电子势阱， 此时半导体处于“非平衡态”，耗尽层的深度将 超过热平衡态时的深度，因此称为“深耗尽”。
当足够多的热电子汇集到 表面时，势阱被电子逐渐 填满时，此时耗尽层深度 基本上不再随着外加栅压 的增加而增加，界面处电 子浓度将等于衬底空穴浓 度，称此时的饱和状态为 “强反型”
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线阵CCD与面阵CCD的比较
1）对于面阵CCD来说，应用面较广，如面积、形 状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。面阵CCD的 优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观。缺 点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少。
2）线阵CCD结构简单，成本较低。可以同时储存 一行电视信号.由于其单排感光单元的数目可以做 得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可 以做的较大，并且由于线阵CCD实时传输光电变换 信号和自扫描速度快、频率响应高，能够实现动态 测量，并能在低照度下工作，所以线阵CCD广泛地 应用在产品尺寸测量和分类、非接触尺寸测量、条 形码等许多领域。
（1）电极是金属，容易蔽光，即使是换成多晶硅， 由于多层结构电极系统对入射光吸收、反射和干涉 比较严重，因此光强损失大，量子效率低。 （2）电荷包转移期间，光积分在继续进行，使输出 信号产生拖影。
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1.电荷存储
N型CCD
耗尽
区的
深度 与UG 成正 比。
在栅极G施加电压UG 之前p型半导体中空穴 的分布是均匀的。
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三相表面沟道CCD
a
b
c
N型CCD比P型CCD工作频率高 abcde
d
e 电极间隙不能
大(<3μm)否则
电子被势垒隔
开不能转移
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三相CCD驱动脉冲波形图
Φ1
2π/3 4π/3
2π
Φ2
t
Φ3
t
t
1 2 3
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对于单层金属化电极结构，为了保证电荷定向转移，驱动脉 冲至少需要三相：当信号电荷自2电极向3电极转移时，在 1电极下面形成势垒，以阻止电荷倒流。 如果想用二相脉冲驱动，就必须在电极结构中设计并制造出 某种不对称性，即由电板结构本身保证电荷转移的定向性。 产生这种不对称性最常用的方法，是利用绝缘层厚度不同的 台阶以及离子注入产生的势垒。
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CCD的结构和工作原理示意图
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CCD分类
按尺寸
按转移电极相数：
二相、三相、四相等
线阵CCD
单沟道双沟道
CCD 面阵CCD
帧、隔列、 线转移
按增强功能
相数由CCD芯片内部结构决定。多 数面阵CCD都是三相或四相驱动， 多数线阵CCD都是二相驱动。四相 CCD与三相、二相器件相比，能适 应更高的时钟频率.
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图为在掺杂为1021 cm-3，氧化层厚度分别为0.1μm、 0.3μm、0.4μm和0.6μm情况下，不存在反型层电荷时 ， 表面势(半导体与绝缘体界面上的电势)Φs与栅极电压 UG的关系曲线。
Φs随栅极电压UG的增加 而增加；
氧化层的厚度越薄曲线 的直线性越好； 在同样的栅极电压UG作 用下，不同厚度的氧化 层有着不同的表面势。 表面势Φs表征了耗尽区 的深度（势阱深度） 。
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图为栅极电压UG不变
的情况下，表面势Φs与反
型层电荷密度Qinv之间的关 系。
由图可以看出，表面储信号电荷的容 量为Q=COXUG
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同样的表面势氧 化层厚度越薄电 荷密度越大
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2.电荷耦合—传输或转移
当栅极施加正电压UG小 于电压Uth ，p型半导体 中的空穴将开始被排斥， 产生所示耗尽区。
UG大于Uth后，吸引到表面的电子 浓度迅速增大，在表面形成一层
极薄但电荷浓度很高的电子导电
层，因为其载流子和体内导电类
型相反，因而称为反型层。
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饱和状态下不存在有 用的势阱，CCD必须 工作在非热平衡的瞬 态条件下，或者说要 求信息电荷的存储时 间小于热弛豫时间。
2012.2贾湛制作
第8章 图象信息的光电变换
主讲：扬州职业大学 电子工程系 贾湛
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8.4 电荷耦合器件CCD
CCD——Charge-coupled Device即电荷耦合器件。
CCD上有许多排列整齐的电容，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，每个小电容能将其所带的电荷 转给它相邻的电容。工作原理大致为：