CCD 攝影機

CCD攝影機是以電荷耦合器件(Charge Coupled Device縮寫為CCD)為核心部件的數字感測器。電荷耦合器件是由時鐘脈衝電位來產生和控制半導體勢阱的變化，以實現存儲和傳遞電荷信息的固態電子器件。

基本介紹

• 中文名：CCD攝影機
• 外文名：Charge Coupled Device
• 簡稱：CCD
• 定義：以電荷耦合器為核心數字感測器
• 作用：實現存儲和傳遞電荷信息
• 形狀：器件體積小，耗電省

概述

人們通常稱CCD攝影機為數字攝影機。在科學意義上講，CCD攝影機是以電荷耦合器件(Charge Coupled Device縮寫為CCD)為核心部件的數字感測器。電荷耦合器件是由時鐘脈衝電位來產生和控制半導體勢阱的變化，以實現存儲和傳遞電荷信息的固態電子器件。實際上這是一種用電荷量來表示不同狀態的動態移位暫存器。CCD利用用矽積體電路的工藝操作，器件體積小，耗電省，具有掃描功能。它適用於成像敏感器、存儲器和電信號處理器。用它製作的遙感器中沒有傳統的光一機掃描裝置。矽CCD成像敏感器能對可見光和近紅外輻射(波譜0．4～1．1微米)回響，是重要的探測器。因此，CCD攝影機已經成為航天和航空遙感的先進的感測器。法國的“斯波特”遙感衛星利用矽CCD線列成像器，從太空中得到了目前最好的遙感圖像，表明了CCD攝影機廣闊的套用前景。

CCD的結構及工作原理

結構

CCD是由若干個電荷耦合單元組成的。其基本單元是MOS(金屬一氧化物一半導體)電容器，是由MOS電容構成像素實現功能的。它以P型(或N型)半導體為襯底，上面覆蓋一層厚度約120nm的，再在表面依次沉積一層金屬電極而構成MOS電容轉移器件。這樣一個MOS結構稱為一個光敏元或一個像素。將MOS陣列加上輸入、輸出結構就構成了CCD器件。

工作原理

構成CCD的基本單元是MOS電容器。與其他電容器一樣，MOS電容器能夠存儲電荷。如果MOS電容器中的半導體是P型矽，當在金屬電極上施加一個正電壓時，P型矽中的多數載流子(空穴)受到排斥，半導體內的少數載流子(電子)吸引到P—Si界面處來，從而在界面附近形成一個帶負電荷的耗盡區，也稱表面勢阱。對帶負電的電子來說，耗盡區是個勢能很低的區域。如果有光照射在矽片上，在光子作用下，半導體矽產生了電子一空穴對，由此產生的光生電子就被附近的勢阱所吸收，勢阱內所吸收的光生電子數量與入射到該勢阱附近的光強成正比，存儲了電荷的勢阱被稱為電荷包，而同時產生的空穴被排斥出耗盡區。並且在一定的條件下，所加正電壓越大，耗盡層就越深，Si表面吸收少數載流子表面勢(半導體表面對於襯底的電勢差)也越大，這時勢阱所能容納的少數載流子電荷的量就越大。

CCD的信號是電荷，那么信號電荷是怎樣產生的呢?CCD的信號電荷產生有兩種方式：光信號注入和電信號注入。CCD用作固態圖像感測器時，接收的是光信號，即光信號注入。圖a所示是背面光注入方法，如果用透明電極也可用正面光注入方法。當CCD器件受光照射時，在柵極附近的半導體內產生電子一空穴對，其多數載流子(空穴)被排斥進入襯底，而少數載流子(電子)則被收集在勢阱中，形成信號電荷，並存儲起來。存儲電荷的多少正比於照射的光強，從而可以反映圖像的明暗程度，實現光信號與電信號之間的轉換。所謂電信號注入，就是CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行採樣，將信號電壓或電流轉換成信號電荷。圖b所示是用輸入二極體進行電注入，該二極體是在輸入柵襯底上擴散形成的。當輸入柵IG加上寬度為△t的正脈衝時，輸入二極體PN結的少數載流子通過輸入柵下的溝道注入電極下的勢阱中，注入電荷量。

CCD最基本的結構是一系列彼此非常靠近的MOS電容器，這些電容器用同一半導體襯底製成，襯底上面塗覆一層氧化層，並在其上製作許多互相絕緣的金屬電極，相鄰電極之間僅隔極小的距離，保證相鄰勢阱耦合及電荷轉移。對於可移動的電荷信號都將力圖向表面勢大的位置移動。為保證信號電荷按確定方向和路線轉移，在各電極上所加的電壓嚴格滿足相位要求。下面以三相(也有二相和四相)時鐘脈衝控制方式為例說明電荷定向轉移的過程。把MOS光敏元電極分成三組，在其上面分別施加三個相位不同的控制電壓、、。

當時，相處於高電平，、相處於低電平，在電極1、4下面出現勢阱，存儲了電荷。在時，相也處於高電平，電極2、5下面出現勢阱。由於相鄰電極之問的間隙很小，電極1、2及4、5下面的勢阱互相耦合，使電極1、4下的電荷向電極2、5下面勢阱轉移。隨著電壓下降，電極1、4下的勢阱相應變淺。在時，有更多的電荷轉移到電極2、5下勢阱內。在時，只有處於高電平，信號電荷全部轉移到電極2、5下面的勢阱內。隨著控制脈衝的變化，信號電荷便從CCD的一端轉移到終端，實現了電荷的耦合與轉移。

CCD固態圖像感測器

電荷耦合器件用於固態圖像感測器中，作為攝像或像敏的器件。

CCD固態圖像感測器由感光部分和移位暫存器組成。感光部分是指在同一半導體襯底上布設的由若干光敏單元組成的陣列元件，光敏單元簡稱“像素”。固態圖像感測器利用光敏單元的光電轉換功能將投射到光敏單元上的光學圖像轉換成電信號“圖像”，即將光強的空間分布轉換為與光強成正比的、大小不等的電荷包空間分布，然後利用移位暫存器的移位功能將電信號“圖像”傳送，經輸出放大器輸出。

根據光敏元件排列形式的不同，CCD固態圖像感測器可分為線型和面型兩種。

線型CCD圖像感測器

線型CCD圖像感測器是由一列MOS光敏譯元和一列CCD移位暫存器構成的，光敏單元與移位暫存器之問有一個轉移控制柵。轉移控制柵控制光電荷向移位暫存器轉移，一般使信號轉移時間遠小於光積分時問。在光積分周期里，各個光敏元中所積累的光電荷與該光敏元上所接收的光照強度和光積分時間成正比，光電荷存儲於光敏單元的勢阱中。當轉移控制柵開啟時，各光敏單元收集的信號電荷並行地轉移到CCD移位暫存器的相應單元。當轉移控制柵關閉時，MOS光敏元陣列又開始下一行的光電荷積累。同時，在移位暫存器上施加時鐘脈衝，將已轉移到CCD移位暫存器內的上一行的信號電荷由移位暫存器串列輸出，如此重複上述過程。

圖中所示為CCD的雙行結構圖。光敏元中的信號電荷分別轉移到上下方的移位暫存器中，然後在時鐘脈衝的作用下向終端移動，在輸出端交替合併輸出。這種結構與長度相同的單行結構相比較，可以獲得高出兩倍的解析度；同時由於轉移次數減少一半，使CCD電荷轉移損失大為減少；雙行結構在獲得相同效果情況下，又可縮短器件尺寸。由於這些優點，雙行結構已發展成為線型CCD圖像感測器的主要結構形式。

線型CCD圖像感測器可以直接接收一維光信息，不能直接將二維圖像轉變為視頻信號輸出，為了得到整個二維圖像的視頻信號，就必須用掃描的方法。

線型CCD圖像感測器主要用於測試、傳真和光學文字識別技術等方面。

面型CCD圖像感測器

按一定的方式將一維線型光敏單元及移位暫存器排列成二維陣列，即可以構成面型CCD圖像感測器。

面型CCD圖像感測器有三種基本類型：線轉移型、幀轉移型和隔離轉移型。

它由行掃描發生器、感光區和輸出暫存器等組成。行掃描發生器將光敏元件內的信息轉移到水平(行)方向上，驅動脈衝將信號電荷一位位地按箭頭方向轉移，並移入輸出暫存器，輸出暫存器亦在驅動脈衝的作用下使信號電荷經輸出端輸出。這種轉移方式具有有效光敏面積大、轉移速度快、轉移效率高等特點，但電路比較複雜．易引起圖像模糊。

圖中所示為幀轉移面型CCD的結構圖。它由光敏元面陣(感光區)、存儲器面陣和輸出移位暫存器三部分構成。圖像成像到光敏元面陣，當光敏元的某一相電極加有適當的偏壓時，光生電荷將收集到這些光敏元的勢阱里，光學圖像變成電荷包圖像。當光積分周期結束時，信號電荷迅速轉移到存儲器面陣，經輸出端輸出一幀信息。當整幀視頻信號自存儲器面陣移出後，就開始下一幀信號的形成。這種面型CCD的特點是結構簡單，光敏單元密度高，但增加了存儲區。

它將光敏單元與垂直轉移暫存器交替排列。在光積分期問，光生電荷存儲在感光區光敏單元的勢阱里；當光積分時問結束，轉移柵的電位由低變高，信號電荷進入垂直轉移暫存器中。隨後，一次一行地移動到輸出移位暫存器中，然後移位到輸出器件，在輸出端得到與光學圖像對應的一行行視頻信號。這種結構的感光單元面積減小，圖像清晰，但單元設計複雜。

面型CCD圖像感測器主要用於攝像機及測試技術。