电荷耦合器件是一种用于探测光的硅片,由时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化,实现存储和传递电荷信息的固态电子器件。

1.电荷耦合器件工作原理

CCD是一种半导体装置,能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。一块CCD上

包含的像素数越多,其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样,但它是把图像像素转换成数字信号。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛,只不过摄像机中使用的是点阵CCD,即包括x、y两个方向用于摄取平面图像,而扫描仪中使用的是线性CCD,它只有x一个方向,y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。

CCD的加工工艺有两种,一种是TTL工艺,一种是CMOS工艺,现在市场上所说的CCD和CMOS其实都是CCD,只不过是加工工艺不同,前者是毫安级的耗电量,二后者是微安级的耗电量。TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。CCD广泛用于工业,民用产品。

CCD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由许多感光单位组成,通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上,所有的感光单位所产生的信号加在一起,就构成了一幅完整的画面。

CCD在摄像机里是一个极其重要的部件,它起到将光线转换成电信号的作用,类似于人的眼睛,因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。

衡量CCD好坏的指标很多,有像素数量,CCD尺寸,灵敏度,信噪比等,其中像素数以及CCD尺寸是重要的指标。像素数是指CCD上感光元件的数量。摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成,每个点就是一个像素。显然,像素数越多,画面就会越清晰,如果CCD没有足够的像素的话,拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响,因此,理论上CCD的像素数量应该越多越好。但CCD像素数的增加会使制造成本以及成品率下降,而且在现行电视标准下,像素数增加到某一数量后,再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显,因此,一般一百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。

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2.电荷耦合器件基本功能

电荷耦合器件具有光电转换、信号存储及信号传输能力,是一种崭新的全固体自扫描成像器件。

固体成像、信号处理和大容量存储器是CCD的三大主要用途。各种线阵、面阵像感器已成功地用于天文、遥感、传真、卡片阅读、光测试和电视摄像等领域,微光CCD和红外CCD在航遥空感、热成像等军事应用中显示出很大的作用。CCD 信号处理兼有数字和模拟两种信号处理技术的长处,在中等精度的雷达和通信系统中得到广泛应用。CCD还可用作大容量串行存储器,其存取时间、系统容量和制造成本都介于半导体存储器和磁盘、磁鼓存储器之间。

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3.电荷耦合器件特点

CCD的雏形是在N型或 P型硅衬底上生长一层二氧化硅薄层,再在二氧化硅层上淀积并光刻腐蚀出金属电极,这些规则排列的金属-氧化物-半导体电容器阵列和适当的输入、输出电路就构成基本的 CCD移位寄存器。对金属栅电极施加时钟脉冲,在对应栅电极下的半导体内就形成可储存少数载流子的势阱。可用光注入或电注入的方法将信号电荷输入势阱。然后周期性地改变时钟脉冲的相位和幅度,势阱深度则随时间相应地变化,从而使注入的信号电荷在半导体内作定向传输。CCD 输出是通过反相偏置PN结收集电荷,然后放大、复位,以离散信号输出。

电荷转移效率是 CCD最重要的性能参数之一,用每次转移时被转移的电荷量和总电荷量的百分比表示。转移效率限制了CCD的最大转移级数。

体沟道CCD的电荷转移机理和表面沟道CCD略有不同。体沟道CCD又称为埋沟CCD。所谓体沟道即用来存储和转移信号电荷的沟道是在离开半导体表面有一定距离的体内形成。体沟道 CCD的时钟频率可高达几百兆赫,而通常的表面沟道CCD只几兆赫。

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