下载文档原格式
CCD器件的工作原理及其最新成果摘要：电荷耦合器件（CCD）是基于金属-氧化物-半导体（MOS）技术的光敏元件。
目前CCD 已具有光谱响应范围宽、检出限低、动态范围宽、暗电流和读出噪声低以及具有积分信号、多道同时检测信号和实时监等能力的优点。
目前它已经广泛地应用在各个领域。
本文扼要介绍了CCD 的基本工作原理，特点及性能表征。
评述了CCD 在光谱检测和成象领域中较活跃的应用及发展前景。
关键字：电荷耦合器件，光谱检测，光谱成象电荷耦合器件( Charge Coupled Device) 是70年代初期最先由Bell实验室发明的. CCD器件以极高的灵敏度、极大的动态范围和宽广的光谱响应范围等特别引人注目。
CCD 是一种以电荷量表示光量大小，用耦合方式传输电荷量的新型器件，具有自动扫描、动态范围大、光谱响应范围宽、体积小、功耗低、寿命长和可靠性高等一系列优点。
1 CCD 器件基本工作原理CCD是基于金属-氧化物-半导体（MOS）技术的光敏元件是基于聚集在势阱中的光生电荷量与入射光强度和积分时间有着线性的关系。
它有两种基本类型[1~2]：一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输（表面沟道CCD）；另一种是电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输（体沟道或埋沟道CCD）。
下面以表面沟道CCD 为主介绍CCD 的工作原理。
表面沟道CCD 的典型结构由三部分组成：（1）输入部分，包括一个输入二极管和一个输入栅，其作用是将信号电荷引入到CCD 的第一个转移栅下的势阱中；（2）主体部分，即信号电荷转移部分，实际上是一串紧密排布的MOS电容器，其作用是存贮和转移信号电荷；（3）输出部分，包括一个输出二极管和一个输出栅，其作用是将CCD 最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出，并检出电荷所运输的信息。
CCD 的基本功能是电荷的存贮和电荷的转移，因此，CCD 的基本工作原理是信号电荷的产生、存贮、传输和检测。
ccd基本工作原理
CCD（电荷耦合器件）是一种光敏器件，常用于数字相机和
视频摄像机等光学成像设备中，其工作原理如下：
1. 光子转化：在CCD上的感光表面，光子与半导体材料相互
作用，使之形成电子空穴对。
光子的能量被转化为电荷。
2. 电荷传输：通过外部的时序脉冲控制，电荷从感光表面通过电荷耦合器件逐行向传感器的输出端传输。
这一过程被称为“行读出”。
3. 电荷放大：在电荷传输的过程中，电荷会被传输放大器放大，增强信号的强度。
4. 行复位：在行读出结束后，CCD的每一行电荷需要被复位
到其初始电位，以进行下一行的光电信号读出。
5. 列读出：经过多行的行读出后，CCD的图像被分割成多个
像素点的排列，通过对每个像素点进行列读出来获取完整图像。
列读出的过程通过增益放大器和模数转换器来完成。
总结起来，CCD的基本工作原理就是将光子转化为电荷，通
过电荷传输控制将电荷逐行读出，并经过电荷放大和列读出来获得完整的图像。
ccd 工作原理
ccd（电荷耦合器件）是一种图像传感器，它是基于光电转换
和电荷传输原理工作的。
ccd的工作主要分为光电转换和电荷
传输两个过程。
在光电转换过程中，ccd的表面覆盖着一层由硅制成的感光薄膜。
当外界光线照射到感光薄膜上时，光子会被感光薄膜吸收，并激发出电子 - 空穴对。
这些电子 - 空穴对会被感光薄膜内的电场和电位差作用下分离，电子被聚集在感光薄膜下方的势阱内，而空穴则被吸引到势阱上方。
感光薄膜上的每一个像素点都有一个对应的势阱，用于收集和存储来自光电转换的电荷。
接下来是电荷传输过程。
ccd内部有一系列的传输脉冲信号，
这些信号作用于ccd中的势阱，控制和引导势阱内的电荷的传输。
首先，一个重置脉冲信号被发送到势阱，将其中的电荷清零。
随后，一个移位脉冲信号被发送，将电荷从一个势阱传输到相邻的势阱中。
通过不断重复这一过程，电荷可以在ccd内
部被移动和传输。
当光源照射完整个ccd感光区域后，感光薄膜中的电荷将被逐
一传输到ccd的输出端，形成一个电荷包。
最后，这个电荷包
经过放大和采样，转换成一个模拟电压信号。
总的来说，ccd通过光电转换将光子转化为电荷，然后通过电
荷传输的方式将电荷逐一传输到ccd的输出端，从而实现图像的捕获和转换。
电荷耦合器件技术的进展及应用近年来，随着信息技术的飞速发展和智能化程度的逐渐提升，电子器件在各个领域中的应用越来越广泛。
其中电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices，简称CCD）作为一种重要的光学传感技术，不仅被广泛用于数字影像、光电信息、无线电通信等领域，还被应用于天文学、地质学、气象学等多个科学领域。
本文旨在探讨电荷耦合器件技术的进展和应用，以加深我们对它的理解和认识。
1. 电荷耦合器件的基本原理和发展历程电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices）是由美国贝尔实验室的Willard Boyle和George Smith于1969年发明的。
它的原理是：将光子转变为电子，再将电子聚集在像素中，最终形成一个图像。
CCD器件的结构主要包括感光电荷耦合器、移位寄存器、输出寄存器等组成部分。
由于CCD器件能够将光电信号转换为电荷信号，并通过快速的移位操作实现电荷传输和存储，因此它成为了数字影像和光学信号处理领域的重要技术手段。
在发展历程中，CCD器件经历了从间接式CCD到直接式CCD的技术变革。
间接式CCD器件中，输入的光信号首先被转换为电荷信号，然后通过带隙式CCD移位寄存器，最终输出为模拟信号。
而在直接式CCD器件中，光子直接被转换为电荷信号，并通过电容耦合的方式进行快速传输和存储，输出的信号也是数字信号，由此进一步提高了器件的信噪比和转换速度。
2. 电荷耦合器件技术在数字影像中的应用随着数字影像技术的进步，CCD器件已成为数字相机、数码摄像机和手机摄像头等数字影像设备的核心部件。
相对于传统摄影设备，数字影像器件的特点在于可以将图像数字化，从而进行数字信号的处理、存储和传输。
CCD器件的高灵敏度、高信噪比和成像精度使得数字影像设备在分辨率、色彩还原等方面有了很大的提升。
同时，CCD器件还在卫星遥感、医学影像等领域占据着重要的地位。
卫星遥感技术中，CCD器件作为地球观测的重要手段，可以实现高分辨率的图像获取和地表信息的监测；在医学影像领域中，CCD器件被广泛应用于X光透视、核磁共振成像等医学设备中，可以进行真实、准确的影像获取和处理，对医学诊断和治疗起到了关键作用。
CCD工作原理1. 概述CCD（电荷耦合器件）是一种用于光电转换的半导体器件，广泛应用于数码相机、摄像机、扫描仪等光学设备中。
它通过将光信号转换为电荷信号，进而转换为数字信号，实现图象的采集和处理。
本文将详细介绍CCD的工作原理及其相关技术。
2. CCD的结构CCD主要由感光单元、读出电路和控制电路三部份组成。
感光单元：感光单元是CCD的核心部份，由大量的光敏元件（光电二极管）组成。
当光线照射到感光单元上时，光敏元件会产生电荷。
感光单元的结构可以分为间隔式和面阵式两种，其中面阵式CCD是最常见的类型。
读出电路：读出电路负责将感光单元中的电荷信号转换为电压信号，并进行放大和处理。
读出电路通常由多级放大器和模数转换器组成。
控制电路：控制电路用于控制CCD的工作模式、时序和参数等。
它包括时钟发生器、控制逻辑电路和接口电路等。
3. CCD的工作原理CCD的工作原理可以分为光电转换和电荷传输两个过程。
光电转换：当光线照射到CCD的感光单元上时，光敏元件会吸收光能，产生电子-空穴对。
其中，电子会被感光单元中的电场束缚住，形成电荷，而空穴则会被扩散到P型区域。
电荷传输：CCD中的电荷传输是通过改变电场分布来实现的。
在感光单元中，电子通过电荷耦合器件（CCD的核心结构之一）传输到读出电路中。
电荷耦合器件是由一系列的电荷传输阱组成，通过改变电势来控制电荷的传输。
在读出电路中，电荷信号被转换为电压信号，并经过放大和处理。
最终，经过模数转换器的转换，数字信号被传输到后续的图象处理系统中。
4. CCD的工作模式CCD的工作模式主要包括暴光、读出和清除三个阶段。
暴光：在暴光阶段，感光单元中的电荷被光线激发产生，并通过电荷传输到读出电路中。
暴光时间的长短决定了感光单元中电荷的积累量，从而影响图象的亮度和细节。
读出：在读出阶段，读出电路将感光单元中的电荷信号转换为电压信号，并进行放大和处理。
读出时间的长短决定了图象的帧率和传输速度。
电荷耦合器件（CCD）是一种集成电路，其工作过程基于光电效应。
当光线照射到CCD上时，光子与CCD表面的半导体材料相互作用，将能量传递给价电子。
这个过程导致价电子从价带跃迁到导带，从而产生自由电子。
这些自由电子被电场吸引并存储在CCD的势阱中。
每个势阱可以存储一定数量的电荷，代表了被光线照射到的像素点的强度和颜色信息。
通过一定的机制，这些电荷可以逐个转移到后续的势阱中，最后被模数转换器转换为数字信号，以供后续的图像处理和存储。
以上信息仅供参考，如有需要，建议咨询电子技术专家或查阅相关文献资料。
电荷耦合器件的工作原理及其最新成果一、CCD器件的工作原理及性能指标电荷耦合器件(Charge Coupled Device)是70年代初期最先由Bell实验室发明的。
CCD是种利用半导体特性，将接收到的光信号变为电信号的半导体功能器件，一般采用金属氧化物半导体结构，利用栅电极下半导体表面附近的势垒中的电荷来存储和传输信息。
CCD器件以极高的灵敏度、极大的动态范围和宽广的光谱响应范围等特别引人注目。
30年来有关CCD的研究取得惊人的进展，特别是在图像传感器的应用方面，它可以接收的光的波段比较宽，从200nm的紫外光到1100nm的红外光，覆盖了全部可见光谱区，并且灵敏度高，动态范围宽，在弱光条件下仍可正常记录图像（在天文望远镜里，由于大部分天体距离太远，能收集到的光非常弱，更需要灵敏的接收器），响应速度快（信息的存取速度快），可以记录和传输瞬态图像和随时间快速变化图像；增强型CCD（ICCD）有更快的响应速度，可以处理持续时间更短的瞬态图像。
CCD拥有大量的像元（4096×4096面阵），因此可以作为大容量存储器；CCD空间分辨率高，可满足摄像机、照相机、扫描仪、天文望远镜和光谱仪等设备对图像传感器的要求。
（一）CCD器件的工作原理CCD器件的基本阵元是金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)电容。
如图1所示,在p型硅衬底上覆盖二氧化硅绝缘层，其上制备一金属电极，这就构成了金属-氧化物-半导体(MOS)电容.MOS阵元在V G=0时，其p型半导体中的多数载流子(空穴)的分布是均匀的。
当0<V G<V th(V th是半导体材料的阈值电压)时，空穴被排斥，产生耗尽层。
随着V G的升高，耗尽层向体内扩张。
而当V G>V th时，半导体与氧化物界面的电势使体内少数载流子(电子)聚集形成约10-的反型层，其电荷密度极高。
这说明MOS阵元具有积累电荷的能力。
2m图1 MOS电容MOS阵元在金属栅与硅衬底之间加有偏压V G 时形成势阱。
当光照射到硅片时，光子的注入引起电子-空穴对的形成。
多数载流子(空穴)被栅极排斥，而少数载流子(电子)则积累于势阱中。
积累的电荷量正比于照射强度。
图2 栅极电压变化对耗尽层的影响光注入引起的电荷积累总量Q ip 可由下式表述eeo q ip AT n Q ∆=η式中η为材料的量子效率，q为电子电量，eo n ∆入射光子流速率,A为受光面积和，e T 为注入时间。
这说明对选定的受光面积A，光注入引起的电荷积累和入射光强与照射时间的乘积成正比。
这一结果与照相底板的特性非常相似。
图3电荷在相邻的MOS单元中迁移示意图CCD器件有线阵和面阵两种。
顾名思义一维排列的MOS阵元构成线阵CCD，常见的有256，512，1024，2048，4096等。
而面阵CCD显而易见是矩阵排列的MOS 阵元族。
如512×512，1024×1024等。
对CCD器件而言，检测各个MOS阵元所积累的电荷(Readout)是关键技术。
图3示出三相驱动的电荷传输过程。
假定V1所连接的电极下积累有电荷，此时V2，V3均为“负”极性。
首先V2由负跳变为正，原先积累于V1下的电荷部分向V2下势阱转移，为两个MOS阵元所共有。
随之V1的极性变为负，电荷全部移到V2下的势阱中。
再往后V3由负变为正，电荷变为V2，V3下的MOS阵元所共有。
如此不断的进行直到阵列的边缘，馈送至输出电路形成输出信号。
面阵CCD器件的电荷读出将按一列列的顺序进行。
图4列举了一典型的应用框图.CCD器件前应有光学系统以获取图像.图4典型的CCD器件应用框图（二）CCD器件的主要性能指标1、CCD的幅度和分辨率μ之间。
整个CCD的尺寸决定于可CCD列阵的每个阵元的尺寸约6.8～22.5m能制出晶片的大小。
用单晶硅制成的CCD最大有9k×9k个阵元，每个阵元的边长μ。
CCD的空间分辨率一般应为1～2个阵元，但有时相邻阵元之间有电荷为12m溢出将会降低其分辨率,致使成像模糊。
2、量子效率和光谱响应探测器的量子效率是指入射光所感生的光电子数量与入射光子数量之比，并不是每一个入射光子都能在CCD中产生一个电子-空穴对，量子效率总是小于1。
对不同入射光波有不同的量子效率，这就是探测器的光谱响应。
从理论上，其长波限是由硅材料的禁带宽度决定，其响应波长不应大于1080nm。
在短波方面，可在入射表面涂以磷光层。
从而把短波光线转换成可见光。
CCD器件有正面光照与背面光照两种类型。
图5是两种类型CCD的光谱响应曲线。
图5 两种类型CCD的光谱响应曲线3、噪声-暗电荷及读出噪声“暗电荷”或“暗电流”是由热效应产生的电荷。
消减暗电荷的方法是冷却探测器，冷却温度越低，其暗电流也越少。
因此在讨论暗电荷这一指标时应说明其环境温度。
一般是用在某一温度下，每秒(甚至是每小时)每个阵元所产生的电子数衡量暗电荷的多少。
好的CCD在液氮温度下的暗电荷可以减少到每小时每个阵元产生一个电子以下的暗电荷。
MPP(Multipinned-phase)技术可更为有效地抑制暗电荷，它是在硅层中掺杂一定量的硼，而对各个栅极的时钟相位(ClockPhases)加以适当的偏压，把势阱中的暗电荷驱赶出去。
图6是采用MPP技术与不用MPP的结果对比。
图6暗电荷〔电子数/(阵元·秒)与环境温度(℃)的关系读出噪声与CCD阵元的读出速率以及驱动电路的质量有关。
阵元的读出速率越慢，其读出噪声也越小。
一般的CCD，只有当阵元的读出速率在100kHz以下时，它的读出噪声才能维持在低噪声水平(即在10个电子以下)。
4、动态范围动态范围是指CCD列阵整体接受信号时。
能检测出的最强信号和最弱信号之比。
目前CCD的最大动态范围可达到18bit。
即最强信号和最弱信号之比可达到(218:1)。
5、信号响应的线性一般是用在某一动态范围内响应的非线性表示。
高性能CCD当其动态范围为12～14bit时，其非线性响应不大于1%。
二、CCD器件应用的最新成果随着CCD器件的迅速发展和对其研究的不断深入，CCD的应用达到了十分广泛的范围。
伴随高速、高精度、高灵敏度的CCD成像装置不断涌现，CCD成像在民用军事、工业技术和科研教育等领域中发挥着越来越重要的作用。
（一）CCD在军事领域的运用军事领域，CCD相机主要用于战机、舰船和坦克等武器装备的图像探测部件，可见光CCD相机主要为侦察、制导、预警、瞄准等武器系统提供高清晰度、高分辨率的图像，并通过高速实时监控等技术，反馈回战斗信息，从而提高部队作战和反应能力。
在非可见光成像领域，如X射线成像、红外线成像、紫外线成像等领域的应用也越来越广，X射线CCD是专门用于探测X射线的光电器件，CCD 对X射线的灵敏度比X射线胶片高200-1000倍，即使非常微弱的X射线图像也能拍摄到，军事方面的非可见光成像主要应用于夜视等。
（二）CCD在工业领域的运用工业领域应用主要用于工业方面的机器人视觉、热影分析、安全监视、工业监控等。
一些工业领域的应用，与消费者DSC领域运用有相似之处，但对于一些专业工业领域和许多科技性的领域，传感器要求的条件不同于主流CCD发展，需要设计出特殊的CCD以满足特殊的需求。
1、线扫描传感器。
用于工业检测，通常行扫描传感器被用于如在传送带上移动的物品的检测。
行扫描传感器已经达到每5pm，l2000像素和高达320MHz数据速率，现在的彩色逐行扫描传感器运用的越来越广泛。
2、TDI图像传感器。
时间延迟积分CCD(Time Delay andIntegration，CCD-TDI-CCD)阵列是工作在TDI模式的高速CCD成像器件，主要应用于极低光照下的工业在线检测、非接触式测温、图形识别和其他要求高速成像的场合。
TDI—CCD是一种特殊的CCD器件，TDI是一种扫描方式，它是一项能够增加线扫描传感器灵敏度的技术。
TDI的信号输出具有l2，24，48，96条积分线和一条水平l024，2048像素。
在横向与纵向方向上，具有时间脉冲保持和图像运动同步，累积起来的电荷包(成像数据信息)再转移到ccD水平读出寄存器输出。
3、虚相图像传感器。
虚相C CD(Virtual Phase chargeCoupledDevice，VP-CCD)的研究主要是为了解决大面积CCD成品率低并且价格昂贵的问题。
广播电视以及某些科学应用要求几十万或更高分辨率的大面积CCD，对于面积达到或超过大规模集成电路的芯片，薄膜氧化和交迭栅往往成为阻碍成品率提高的关键。
而虚相CCD可以解决或减轻许多工艺上的难题。
美国得克萨斯仪器公司研制了一种VP —CCD，其结构和普通的两相CCD相同，VPCCD中用所谓的虚相电极代替一组栅，消除了栅极间的短路问题，大大提高了成品率，并且由于不再被第二层栅极吸收，所以VP —CCD的蓝光响应有明显的改善。
（三）CCD成像的发展与挑战CCD是由美国贝尔实验室的W．S．Boyle和G．E．Smith在l970年前后发明，30多年来，CCD的研究取得了惊人的进步，特别是在像感器应用方面发展迅速，已成为现代光电子学和现代测量技术中最活跃、最富有成果的新兴领域之一，已被普遍认为是20世纪70年代以来出现的最重要的半导体器件之一。
科技的发展以及特别的需求，使得CCD成像传感器，未来主要关注以下几个方面。
1、尺寸和分辨率最大的CCD包括一个完整的6”CCD晶片，已经报道的CCD，已达12X122m μ大小尺寸7168X8192像素，和8.75X8.752m μ尺寸9216X9216像素，日本采用拼接技术开发成功了16384X16384的CC D图像传感器。
CCD器件的小型化和微型化，使CCD传感器在视频影相机以外的应用显著增多。
目前CCD开发已转向大面阵、小像元、紫外光谱响应等多方面，以能够适应数字照相机、数字摄像机、扫描仪以及其它科学领域的需求。
2、提高CCD光谱响应能力一般CCD在紫外区的量子效应较低，这是由于CCD表面多晶硅电极吸收了紫外光缘故，目前主要采用三种增加光谱响应度的方法：一是将整个CCD器件减薄；二是用荧光材料对器件表面进行敷涂，使短波段的光子被涂层中荧光物质吸收后在可见光波段被重新发射；三是采用有效的相位技术，用离子扩散面代替多硅栅来维持所需势阱。
3、降低测量噪声和读出时间目前已经有许多技术用以降低CCD的读出噪声速度，如采用重新分级读出模式，重新分级是在传输所有电荷之前将包含在检测器中多路像素内的电荷进行整合的过程。
另外还有利用双沟道设计使CCD两边同时读出信号，提高读出速度。
4、高速图像捕获高速图像捕获CCD的租乇念在l997年首次提出，高帧速CCD摄像器件用来观察高速运动的物体，记录动态物体的瞬间变化过程，一般为5 l 2 ×5 l2像素，帧速度已经超过l000Hz，具有动态范围宽、抗光晕能力强、拖影低、电子开关速度快、暗电流小、功耗低等特点，1999年美国、日本的高帧速和超高帧速CCD固体摄像机己经上市。
