一文带你看懂CCD传感器

来源：罗姆半导体社区

CCD是美国贝尔实验室于1969年发明的，与电脑晶片CMOS技术相似，也可作电脑记忆体及逻辑运作晶片。CCD是一种特殊的半导体材料，它是由大量独立的感光单元按照矩阵形式排列组成的。CCD的感光能力比PMT低，但近年来CCD技术有了长足的进步。由于CCD的体积小、造价低，所以广泛应用于扫描仪、数码相机及数码摄像机中。目前大多数数码相机采用的图像传感器都是CCD。

电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge CoupLED DevICe），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD本身是不能分辨颜色的，所以，在实际应用时需要使用色彩滤镜，一般情况下就是在CCD器件的滤镜层涂上不同的颜色，其色块按G-R-G-B(绿-红-绿-蓝)的顺序排列，使每一片滤镜单元下的感光单元感应不同的颜色。

一、CCD传感器的工作原理

CCD的基本单元是MOS电容器，这种电容器能存贮电荷，以P型硅为例，在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层，然后在SiO2 上淀积一层金属为栅极，P 型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下不能移动的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层（耗尽层），这种现象便形成对电子而言的陷阱，电子一旦进入就不能复出，故又称为电子势阱。

当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴时，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的，光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光和电的转换，而势阱中收集的电子是被存贮状态即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。

总之，上述结构实质上是个微小的MOS 电容，用它构成象素，既可“感光”又可留下 “潜影”，感光作用是靠光强产生的电子积累电荷，潜影是各个象素留在各个电容里的电荷不等而形成的，若能设法把各个电容里的电荷依次传送到他处，再组成行和帧并经过“显影”就实现了图象的传递。

二、CCD传感器的种类

面阵CCD

面阵CCD：允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。

面阵CCD的结构一般有3种。第一种是帧转性CCD。它由上、下两部分组成，上半部分是集中了像素的光敏区域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。其优点是结构较简单并容易增加像素数，缺点是CCD尺寸较大，易产生垂直拖影。第二种是行间转移性CCD。它是目前CCD的主流产品，它们是像素群和垂直寄存器在同一平面上，其特点是在1个单片上，价格低，并容易获得良好的摄影特性。第三种是帧行间转移性CCD。它是第一种和第二种的复合型，结构复杂，但能大幅度减少垂直拖影并容易实现可变速电子快门等优点。

线阵CCD

线阵CCD：用一排像素扫描过图片，做三次曝光————分别对应于红、绿、蓝 三色滤镜，正如名称所表示的，线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受局限于非移动的连续光照的物体。

三线传感器CCD

三线传感器CCD：在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖RGB滤镜，当捕捉彩色图片时，完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相机，以产生高的分辨率和光谱色阶。

交织传输CCD：这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化，允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。交织传输CCD通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。

三、CCD传感器的全幅面CCD

全幅面CCD：此种CCD具有更多电量处理能力，更好动态范围，低噪音和传输光学分辨率，全幅面CCD允许即时拍摄全彩图片。全幅面CCD由并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。全幅面CCD曝光是由机械快门或闸门控制去保存图像，并行寄存器用于测光和读取测光值。图像投摄到作投影幕的并行阵列上。此元件接收图像信息并它分成离散的由数目决定量化的元素。这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。此过程反复执行，直到所有的信息传输完毕。接着，系统进行精确的图像重组。

四、CCD传感器的结构

CCD是由许多个光敏像元按一定规律排列组成的。每个像元就是一个MOS电容器（大多为光敏二极管），它是在P 型Si衬底表面上用氧化的办法生成1层厚度约为1000A～15 00A的SiO2，再在SiO2表面蒸镀一金属层（多晶硅），在衬底和金属电极间加上1个偏置电压，就构成1个MOS电容器。当有1束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子－空穴对，电子－空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷。这些信号电荷储存在由电极形成的"势阱"中。

MOS电容器的电荷储存容量可由下式求得：

QS=Ci×VG×A

式中： QS是电荷储存量；

Ci是单位面积氧化层的电容； VG是外加偏置电压；

A是MOS电容栅的面积。

由此可见，光敏元面积越大，其光电灵敏度越高。

五、CCD传感器的特性

①调制传递函数MTF特性：固态图像传感器是由像素矩阵与相应转移部分组成的。固态的像素尽管己做得很小，并且其间隔也很微小，但是，这仍然是识别微小图像或再现图像细微部分的主要障碍。

②输出饱和特性：当饱和曝光量以上的强光像照射到图像传感器上时，传感器的输出电压将出现饱和，这种现象称为输出饱和特性。产生输出饱和现象的根本原因是光敏二极管或MOS电容器仅能产生与积蓄一定极限的光生信号电荷所致。

③暗输出特性：暗输出又称无照输出，系指无光像

CCD传感器信号照射时，传感器仍有微小输出的特性，输出来源于暗〔无照）电流。

④灵敏度：单位辐射照度产生的输出光电流表示固态图象传感器的灵敏度，它主要与固态图像传感器的像元大小有关。

⑥弥散：饱和曝光量以上的过亮光像会在象素内产生与积蓄起过饱和信号电荷，这时，过饱和电荷便会从一个像素的势阱经过衬底扩散到相邻像素的势阱。这样，再生图像上不应该呈现某种亮度的地方反而呈现出亮度，这种情况称为弥散现象。

⑥残像：对某像素扫描并读出其信号电荷之后，下一次扫描后读出信号仍受上次遗留信号电荷影响的现象叫残像。

⑦等效噪声曝光量：产生与暗输出（电压）等值时的曝光量称为传感器的等效噪声曝光量。

审核编辑黄昊宇