來(lái)源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

CCD是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室于1969年發(fā)明的，與電腦晶片CMOS技術(shù)相似，也可作電腦記憶體及邏輯運(yùn)作晶片。CCD是一種特殊的半導(dǎo)體材料，它是由大量獨(dú)立的感光單元按照矩陣形式排列組成的。CCD的感光能力比PMT低，但近年來(lái)CCD技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。由于CCD的體積小、造價(jià)低，所以廣泛應(yīng)用于掃描儀、數(shù)碼相機(jī)及數(shù)碼攝像機(jī)中。目前大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)采用的圖像傳感器都是CCD。

電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge CoupLED DevICe），它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤(pán)卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來(lái)修改圖像。CCD本身是不能分辨顏色的，所以，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要使用色彩濾鏡，一般情況下就是在CCD器件的濾鏡層涂上不同的顏色，其色塊按G-R-G-B(綠-紅-綠-藍(lán))的順序排列，使每一片濾鏡單元下的感光單元感應(yīng)不同的顏色。

一、CCD傳感器的工作原理

CCD的基本單元是MOS電容器，這種電容器能存貯電荷，以P型硅為例，在P型硅襯底上通過(guò)氧化在表面形成SiO2層，然后在SiO2 上淀積一層金屬為柵極，P 型硅里的多數(shù)載流子是帶正電荷的空穴，少數(shù)載流子是帶負(fù)電荷的電子，當(dāng)金屬電極上施加正電壓時(shí)，其電場(chǎng)能夠透過(guò)SiO2絕緣層對(duì)這些載流子進(jìn)行排斥或吸引。于是帶正電的空穴被排斥到遠(yuǎn)離電極處，剩下不能移動(dòng)的帶負(fù)電的少數(shù)載流子在緊靠SiO2層形成負(fù)電荷層（耗盡層），這種現(xiàn)象便形成對(duì)電子而言的陷阱，電子一旦進(jìn)入就不能復(fù)出，故又稱為電子勢(shì)阱。

當(dāng)器件受到光照時(shí)（光可從各電極的縫隙間經(jīng)過(guò)SiO2層射入，或經(jīng)襯底的薄P型硅射入），光子的能量被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子-空穴時(shí)，這時(shí)出現(xiàn)的電子被吸引存貯在勢(shì)阱中，這些電子是可以傳導(dǎo)的，光越強(qiáng)，勢(shì)阱中收集的電子越多，光弱則反之，這樣就把光的強(qiáng)弱變成電荷的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了光和電的轉(zhuǎn)換，而勢(shì)阱中收集的電子是被存貯狀態(tài)即使停止光照一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)損失，這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)光照的記憶。

總之，上述結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是個(gè)微小的MOS 電容，用它構(gòu)成象素，既可“感光”又可留下 “潛影”，感光作用是靠光強(qiáng)產(chǎn)生的電子積累電荷，潛影是各個(gè)象素留在各個(gè)電容里的電荷不等而形成的，若能設(shè)法把各個(gè)電容里的電荷依次傳送到他處，再組成行和幀并經(jīng)過(guò)“顯影”就實(shí)現(xiàn)了圖象的傳遞。

二、CCD傳感器的種類

面陣CCD

面陣CCD：允許拍攝者在任何快門速度下一次曝光拍攝移動(dòng)物體。

面陣CCD的結(jié)構(gòu)一般有3種。第一種是幀轉(zhuǎn)性CCD。它由上、下兩部分組成，上半部分是集中了像素的光敏區(qū)域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存儲(chǔ)區(qū)域。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單并容易增加像素?cái)?shù)，缺點(diǎn)是CCD尺寸較大，易產(chǎn)生垂直拖影。第二種是行間轉(zhuǎn)移性CCD。它是目前CCD的主流產(chǎn)品，它們是像素群和垂直寄存器在同一平面上，其特點(diǎn)是在1個(gè)單片上，價(jià)格低，并容易獲得良好的攝影特性。第三種是幀行間轉(zhuǎn)移性CCD。它是第一種和第二種的復(fù)合型，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但能大幅度減少垂直拖影并容易實(shí)現(xiàn)可變速電子快門等優(yōu)點(diǎn)。

線陣CCD

線陣CCD：用一排像素掃描過(guò)圖片，做三次曝光————分別對(duì)應(yīng)于紅、綠、藍(lán) 三色濾鏡，正如名稱所表示的，線性傳感器是捕捉一維圖像。初期應(yīng)用于廣告界拍攝靜態(tài)圖像，線性陣列，處理高分辨率的圖像時(shí)，受局限于非移動(dòng)的連續(xù)光照的物體。

三線傳感器CCD

三線傳感器CCD：在三線傳感器中，三排并行的像素分別覆蓋RGB濾鏡，當(dāng)捕捉彩色圖片時(shí)，完整的彩色圖片由多排的像素來(lái)組合成。三線CCD傳感器多用于高端數(shù)碼相機(jī)，以產(chǎn)生高的分辨率和光譜色階。

交織傳輸CCD：這種傳感器利用單獨(dú)的陣列攝取圖像和電量轉(zhuǎn)化，允許在拍攝下一圖像時(shí)在讀取當(dāng)前圖像。交織傳輸CCD通常用于低端數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)和拍攝動(dòng)畫(huà)的廣播拍攝機(jī)。

三、CCD傳感器的全幅面CCD

全幅面CCD：此種CCD具有更多電量處理能力，更好動(dòng)態(tài)范圍，低噪音和傳輸光學(xué)分辨率，全幅面CCD允許即時(shí)拍攝全彩圖片。全幅面CCD由并行浮點(diǎn)寄存器、串行浮點(diǎn)寄存器和信號(hào)輸出放大器組成。全幅面CCD曝光是由機(jī)械快門或閘門控制去保存圖像，并行寄存器用于測(cè)光和讀取測(cè)光值。圖像投攝到作投影幕的并行陣列上。此元件接收?qǐng)D像信息并它分成離散的由數(shù)目決定量化的元素。這些信息流就會(huì)由并行寄存器流向串行寄存器。此過(guò)程反復(fù)執(zhí)行，直到所有的信息傳輸完畢。接著，系統(tǒng)進(jìn)行精確的圖像重組。

四、CCD傳感器的結(jié)構(gòu)

CCD是由許多個(gè)光敏像元按一定規(guī)律排列組成的。每個(gè)像元就是一個(gè)MOS電容器（大多為光敏二極管），它是在P 型Si襯底表面上用氧化的辦法生成1層厚度約為1000A～15 00A的SiO2，再在SiO2表面蒸鍍一金屬層（多晶硅），在襯底和金屬電極間加上1個(gè)偏置電壓，就構(gòu)成1個(gè)MOS電容器。當(dāng)有1束光線投射到MOS電容器上時(shí)，光子穿過(guò)透明電極及氧化層，進(jìn)入P型Si襯底，襯底中處于價(jià)帶的電子將吸收光子的能量而躍入導(dǎo)帶。光子進(jìn)入襯底時(shí)產(chǎn)生的電子躍遷形成電子－空穴對(duì)，電子－空穴對(duì)在外加電場(chǎng)的作用下，分別向電極的兩端移動(dòng)，這就是信號(hào)電荷。這些信號(hào)電荷儲(chǔ)存在由電極形成的"勢(shì)阱"中。

MOS電容器的電荷儲(chǔ)存容量可由下式求得：

QS=Ci×VG×A

式中： QS是電荷儲(chǔ)存量；

Ci是單位面積氧化層的電容； VG是外加偏置電壓；

A是MOS電容柵的面積。

由此可見(jiàn)，光敏元面積越大，其光電靈敏度越高。

五、CCD傳感器的特性

①調(diào)制傳遞函數(shù)MTF特性：固態(tài)圖像傳感器是由像素矩陣與相應(yīng)轉(zhuǎn)移部分組成的。固態(tài)的像素盡管己做得很小，并且其間隔也很微小，但是，這仍然是識(shí)別微小圖像或再現(xiàn)圖像細(xì)微部分的主要障礙。

②輸出飽和特性：當(dāng)飽和曝光量以上的強(qiáng)光像照射到圖像傳感器上時(shí)，傳感器的輸出電壓將出現(xiàn)飽和，這種現(xiàn)象稱為輸出飽和特性。產(chǎn)生輸出飽和現(xiàn)象的根本原因是光敏二極管或MOS電容器僅能產(chǎn)生與積蓄一定極限的光生信號(hào)電荷所致。

③暗輸出特性：暗輸出又稱無(wú)照輸出，系指無(wú)光像

CCD傳感器信號(hào)照射時(shí)，傳感器仍有微小輸出的特性，輸出來(lái)源于暗〔無(wú)照）電流。

④靈敏度：?jiǎn)挝惠椛湔斩犬a(chǎn)生的輸出光電流表示固態(tài)圖象傳感器的靈敏度，它主要與固態(tài)圖像傳感器的像元大小有關(guān)。

⑥彌散：飽和曝光量以上的過(guò)亮光像會(huì)在象素內(nèi)產(chǎn)生與積蓄起過(guò)飽和信號(hào)電荷，這時(shí)，過(guò)飽和電荷便會(huì)從一個(gè)像素的勢(shì)阱經(jīng)過(guò)襯底擴(kuò)散到相鄰像素的勢(shì)阱。這樣，再生圖像上不應(yīng)該呈現(xiàn)某種亮度的地方反而呈現(xiàn)出亮度，這種情況稱為彌散現(xiàn)象。

⑥殘像：對(duì)某像素掃描并讀出其信號(hào)電荷之后，下一次掃描后讀出信號(hào)仍受上次遺留信號(hào)電荷影響的現(xiàn)象叫殘像。

⑦等效噪聲曝光量：產(chǎn)生與暗輸出（電壓）等值時(shí)的曝光量稱為傳感器的等效噪聲曝光量。

審核編輯黃昊宇