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(a)初始状态； (b)电荷由①电极向电极②转移； (c)电荷在①②电极下均匀分 布；(d)电荷继续由①电极向②电极转移；(e)电荷完全转移到②电极； (f)三相 转移脉冲
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• 图中CCD的四个电极彼此靠的很近。假定一开始在 偏压为10V的(1)电极下面的深势阱中，其他电极 加有大于阈值的较低的电压(例如2V)，如图(a)所 示。一定时刻后，(2)电极由2V变为10V，其余电 极保持不变，如图(b)。因为(1)和(2)电极靠的很 近(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合 并在一起，原来在(1)下的电荷变为(1)和(2)两个 电极共有，图(C)示。此后，改变(1)电极上10V电 压为2 V，(2)电极上10V不变，如图(d)示，电荷 将转移到(2)电极下的势阱中。由此实现了深势阱 及电荷包向右转移了一个位置。
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CCD基本工作原理
工作原理
1.信号电荷的产生 2.信号电荷的存贮 3.信号电荷的传输 4.信号电荷的检测
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1.信号电荷的产生
CCD工作过程的第一步是电荷的产生。CCD可以将 入射光信号转换为电荷输出，依据的是半导体的内光 电效应（也就是光生伏打效应）。
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信号电荷的产生（示意图）
入射光
e-
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4、信号电荷的检测
CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转 移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。
输出类型，主要有以下三种： 1）电流输出 2）浮置栅放大器输出 3）浮置扩散放大器输出
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CCD工作过程示意图
3电荷转移
复位
2电荷存储 1电荷生成
半导体
背照明光输入
输出 4电荷检测
CCD传感器
CCD图像传感器
1
CCD图像传感器简介
ＣＣＤ（Charge Coupled Device ，感光耦合 组件简称）是贝尔实验室的W.S.Boyle和 G.E.Smith于1970年发明的,由于它有光电转换、 信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且 集成度高、功耗低,因此随后得到飞速发展,是图 像采集及数字化处理必不可少的关键器件,广泛应 用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消 费领域。
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• 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。
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每个光敏元（像 素）对应有三个相 邻的转移栅电极1、 2、3,所有电极彼 此间离得足够近,以 保证使硅表面的耗 尽区和电荷的势阱 耦合及电荷转移。 所有的1电极相连 并施加时钟脉冲 φ1,所有的2、3也 是如此,并施加时钟 脉冲φ2、φ3。这 三个时钟脉冲在时 序上相互交迭。
1
2
3 t1 t2 t3 t4 t5
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CCD传感器的基本结构
• CCD基本结构分两部分： 1.MOS（金属—氧化物—半导体）光敏元阵列； 2.读出移位寄存器。 • 电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个
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。
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MOS光敏元结构
MOS（Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容器 是构成CCD的最基本单元。
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信号电荷的存储（示意图）
UG < Uth 时
+UG
UG > Uth 时
+UG
入射光
e-
e-
e-
e-
e-
+Uth
e- 势阱
ee-
MOS电容ห้องสมุดไป่ตู้器
入射光
e- e- e- e-
e-
e-
+Uth
e-
势阱
e-
MOS电容
器
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• 在栅极G电压为零时，P型半导体中的空穴(多数载 流子)的分布是均匀的。当施加正偏压UG(此时UG 小于p型半导体的闽值电压Uth)，空穴被排斥，产 生耗尽区。电压继续增加，则耗尽区将进一步向 半导体内延伸。
2
CCD实物
3
常见的基于CCD光电耦器件的设备
4
5
嫦娥二号携带的CCD立体摄像机
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CCD图像传感器
• CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属— 氧化物—半导体）电容器组成的阵列。在P型或N 型硅衬底上生长一层很薄（约120nm）的二氧化硅 ,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶 硅电极（栅极）,形成规则的MOS电容器阵列，再 加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。
三个时钟脉冲的时序
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输入二极输管入栅Ф1 Ф2
Ф3
SiO2
输出栅 输出二极管
耗尽区
P型Si 电荷转移方向
CCD的MOS结构
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3、信号电荷的传输（耦合）
CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是 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。 通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可以 实现光电荷在相邻势阱间的转移。
e-
e-
e- e-
e- e光生电子
金属电极 氧化物
半导体
MOS电容器
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2、信号电荷的存储
CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将 入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包 的过程。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。
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CCD分辨率
• 分辨率指的是ＣＣＤ中有多少像素，也就是ＣＣ Ｄ上有多少感光组件 ， 分辨率是图像传感器的重 要特性。 （像素=分辨率长宽数值相乘，如： 640X480=307200，就是30W像素）
• CCD分辨率主要取决于CCD芯片的像素数。 • 其次，还受到传输效率的影响。高度集成的光敏
单元可以获得高分辨率。但光敏单元的尺寸的减 少将导致灵敏度的降低。
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CCD结构类型
按照像素排列方式的不同，可以将CCD分为线阵 和面阵两大类。
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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。