CCD傳感器的工作原理及應(yīng)用解析

CCD傳感器是電荷藕合器件的簡(jiǎn)稱，它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，CCD具有光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移（傳輸）、輸出、處理以及電子快門等多種獨(dú)特功能，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。

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。

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，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。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 137 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。

CCD傳感器的應(yīng)用

1．小型化黑白、彩色TV攝像機(jī)

2．傳真通訊系統(tǒng)

3．光學(xué)字符識(shí)別

4．工業(yè)檢測(cè)與自動(dòng)控制

5．醫(yī)學(xué)標(biāo)本分析與檢測(cè)（如血細(xì)胞分析儀）

6．天文觀測(cè)

7．軍事
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