电荷藕合器件的CCD的基本工作原理
CCD是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成。它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。以下将分别从这几个方面讨论CCD器件的基本工作原理。（1）MOS电容器 CCD是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每一个光敏像元就是一个MOS（金属—氧化物—半导体）电容器。但工作原理与MOS晶体管不同。CCD中的MOS电容器的形成方法是这样的：在P型或N型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚度约为100～150NM的SIO2绝缘层，再在SIO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个MOS电容器（如图4所示）。电荷藕合器件CCD一般是以P型硅为衬底，在这种P型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。在电极施加栅极电压VG之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压VG时，在电极下的空穴被排斥，产生耗尽层，当栅压继续增加，耗尽层将进一步向半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫做“势阱”。在耗尽状态时，耗尽区电子和空穴浓度与受主浓度相比是可以忽略不计的，但如正栅压VG进一步增加，接口上的电子浓度将随着表面势成指数地增长，而表面势又是随耗尽层宽度成平方率增加的。这样随着表面电势的进一步增加，在接口上的电子层形成反型层。而一旦出现反型层，MOS就认为处于反型状态（如图4所示）。显然，反型层中电子的增加和因栅压的增加的正电荷相平衡，因此耗尽层的宽度几乎不变。反型层的电子来自耗尽层的电子—空穴对的热产生过程。对于经过很好处理的半导体材料，这种产生过程是非常缓慢的。因此在加有直流电压的金属板上迭加小的交流信号时，反型层中电子数目不会因迭有交流信号而变化。（2）电荷存储 当一束光投射到MOS电容器上时，光子透过金属电极和氧化层，进入SI衬底，衬底每吸收一个光子，就会产生一个电子—空穴对，其中的电子被吸引到电荷反型区存储。从而表明了CCD存储电荷的功能。一个CCD检测像元的电荷存储容量决定于反型区的大小，而反型区的大小又取决于电极的大小、栅极电压、绝缘层的材料和厚度、半导体材料的导电性和厚度等一些因素。图5表示了SI-SIO2的表面电势VS与存储电荷QS的关系。曲线的直线性好，说明两者之间有良好的反比例线性关系，这种线性关系很容易用半导体物理中“势阱”的概念来描述。电子所以被加有栅极电压VG的MOS结构吸引到SI-SIO2的交接面处，是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与电极电压的关系恰如表面势VS与电荷QS的线性关系，如图6(A)所示。图6(B)为反型层电荷填充势阱时，表面势收缩。当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，如图6(C)所示，此时表面势下降到不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象。（3）电荷转移为了便于理解在CCD中势阱电荷如何从一个位置移到另一个位置，取CCD中四个彼此靠得很近的电极来观察，见图7。假定开始时有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的深势阱里，其它电极上均加有大于域值电压的较低电压（例如2V）。设图7（A）为零时刻（初始时刻），过T1时刻后，各电极上的电压变为如图7（B）所示，第二个电极仍保持为10V，第三个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧（间隔只有几微米），他们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下的势阱所共有，如图7（B）和7（C）所示。若此后电极上的电压变为图7（D）所示，第二个电极电压由10V变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个电极下面的势阱中，如图7（E）。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。CCD的内部结构决定了使其正常工作所需的相数。图7所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图7（F）所示，这样的CCD称为三相CCD。三相CCD的电荷耦合（传输）方式必须在三相交迭脉冲的作用下才能以一定的方向，逐个单元的转移。另外必须强调指出的是，CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极下转移到相邻电极下。这对于图7所示的电极结构是一个关键问题。如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极转移。CCD便不能在外部时钟脉冲的作用下正常工作。（4） 电荷的注入和检测 CCD中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到。光注入就是当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子—空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。而所谓电注入，就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。在此仅讨论与本课题有关的光注入法。CCD利用光电转换功能将投射到CCD上面的光学图像转换为电信号“图像”，即电荷量与当地照度大致成正比的大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位元元寄存功能将这些电荷包“自扫描”到同一个输出端，形成幅度不等的实时脉冲序列。其中光电转换功能的物理基础是半导体的光吸收。当电磁辐射投射到半导体上面时，电磁辐射一部分被反射，另一部分透射，其余部分被半导体吸收。所谓半导体光吸收，就是电子吸收光子并从一个能态跃迁到另一个较高能级的过程。我们这里将要涉及到的是价带电子越过禁带到导带的跃迁，和局域杂质或缺陷周围的束缚电子（或空穴）到导带（获价带）的跃迁。他们分别称为本征吸收和非本征吸收。CCD利用处于表面深耗尽状态的一系列MOS电容器（称为感光单元或光敏单元）收集光产生的少数载流子。这些收集势阱是相互隔离的。由此可见，光转换成电的过程实际上还包括对空间连续的光强分布进行空间上分离的采样过程。另外，衬底每吸收一个光子，反型区中就多一个电子，这种光子数目与存储电荷的定量关系正是CCD检测器用于对光信号作定量分析的依据。检测电路转移到CCD输出端的信号电荷在输出电路上实现电荷/电压（电流）的线性变换，称之为电荷检测。从应用角度对电荷检测提出的要求是检测的线性、检测的增益和检测引起的噪声。针对不同的使用要求，有几种常用的检测电路，如栅电容电荷积分器、差动电路积分器以及带浮置栅和分布浮置栅放大器的输出电路。这里就不一一叙述了。
电荷耦合元件的CCD与CMOS传感器对比
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管（photodiode）进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异。例如CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪点控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势。
使用CCD的摄影机
由于CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与
CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。
CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。
相机ccd是什么意思？
数码相机中的CCD指“电荷耦合器件”。是将光信号转换为电信号的一种图像传感器。另外数码相机中常用的图像传感器还有CMOS，即，互补金属氧化物半导体。CCD根据结构不同，可分为线阵CCD，面阵CCD。面阵CCD又分为全帧型，帧转移型，行间转移型，TDI型，等等。作用就是光电转换了，成像器件就是用来成像的。将光信号转换为电信号，然后供后端电路处理。CCD相机与CMOS相机的区别1、成像过程CCD与CMOS图像传感器光电转换的原理相同，他们最主要的差别在于信号的读出过程不同；由于CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而CMOS芯片中，每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷-电压的转换，其信号输出的一致性较差。但是CCD为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在CMOS芯片中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是CMOS芯片功耗比CCD要低的主要原因。尽管降低了功耗，但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声，这又是CMOS相对CCD的固有劣势。2、集成性从制造工艺的角度看，CCD中电路和器件是集成在半导体单晶材料上，工艺较复杂，世界上只有少数几家厂商能够生产CCD晶元。CCD仅能输出模拟电信号，需要后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，集成度非常低。而CMOS是集成在被称作金属氧化物的半导体材料上，这种工艺与生产数以万计的计算机芯片和存储设备等半导体集成电路的工艺相同，因此生产CMOS的成本相对CCD低很多。同时CMOS芯片能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，只需一块芯片就可以实现相机的的所有基本功能，集成度很高，芯片级相机概念就是从这产生的。随着CMOS成像技术的不断发展，有越来越多的公司可以提供高品质的CMOS成像芯片。3、速度CCD采用逐个光敏输出，只能按照规定的程序输出，速度较慢。CMOS有多个电荷-电压转换器和行列开关控制，读出速度快很多，大部分500fps以上的高速相机都是CMOS相机。此外CMOS的地址选通开关可以随机采样，实现子窗口输出，在仅输出子窗口图像时可以获得更高的速度。4、噪声CCD技术发展较早，比较成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。以上内容参考 百度百科-CCD相机
