基于灵闪平台的电荷耦合器件CCD开发及应用

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：CCD的工作过程就是信号电荷产生、存储、传输的过程。表面沟道CCD的电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面转移；体沟道或埋沟道CCD的电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向转移。CCD具有如下三项功能：①光电转换功能。CCD中的光电二极管受到外部光照，在内部产生响应，使半导体硅原子释放出电子。MOS单元是CCD结构的基本单元。现今，在消费级、工业级以及高性能三个领域，CCD的发展状况不尽相同。

CCD是英文Charge Coupled Devices的缩写，中文一般译为“电荷耦合器件”。CCD于1969年在美国贝尔（Bell）实验室发明，发展于20世纪70—80年代。它最突出的特点是以电荷为信号载体，完成图像信息记录。CCD的工作过程就是信号电荷产生、存储、传输的过程。

CCD根据工作原理可以分为表面沟道CCD（简称SCCD）和体沟道或埋沟道CCD（简称BCCD）两种。表面沟道CCD的电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面转移；体沟道或埋沟道CCD的电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向转移。

CCD具有如下三项功能：

①光电转换功能。CCD中的光电二极管受到外部光照，在内部产生响应，使半导体硅原子释放出电子。

②电荷存储功能。CCD感光单元上设有电极，在电极上施加电压，电极下面就会形成电位井，从而存储电荷。

③电荷转移（传输）功能。CCD是由许多单元并排在一起组成的，每个单元上都设有电极，当相邻电极的外加电压较高时，电荷就会向高电压下的电位井移动。

CCD是由几十至几百万个光敏像元阵列有序组成的，每个像元就是一个金属氧化物半导体（M OS）电容器（大多为光敏二极管）。MOS单元是CCD结构的基本单元。如图3-3所示，它由金属（M）电极、氧化物（O）层和半导体（S）层组成，通常以单晶硅作基底，其上生成一层薄的二氧化硅，再蒸涂一定形状的金属电极。

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图3-3　MOS光敏元结构

人们在半导体硅片上制成大量相互独立的MOS单元，并在各单元的电极上施加电压，形成大量的势阱。若有一幅实际的光学图像成像于器件表面，则各MOS单元势阱中电荷的多少就反映了像素接收的光能强弱，于是光学图像就变成了电荷分布图样。

以图3-4所示的线阵CCD来进一步描述CCD图像传感器的结构和工作原理。曝光时，光电探测器（MOS电容器）累积电荷，每个光电探测器对应一个读出寄存器。通过转移门电路，电荷被转移至串行读出寄存器读出。由于串行读出寄存器也是光敏器件，为避免读出期间接收到其他光子，其必须由护罩遮挡。

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图3-4　线阵CCD传感器

数据读出的过程就是将电荷转移到电荷转换单元，然后转换单元将电荷转换为电压，并将电压放大。电荷转换为电压信号并放大后，就可以转换为模拟或数字视频信号。而数字视频信号是由模拟视频信号通过模数转换器（ADC）转换而来的。

现今，在消费级、工业级以及高性能三个领域，CCD的发展状况不尽相同。在消费领域，CCD受到CMOS（互补金属氧化物半导体）的影响几乎消失殆尽；在工业领域，线阵列CCD仍然占有重要的市场地位；在高性能或特种领域，CCD仍占有一部分市场。

基于灵闪平台的电荷耦合器件CCD开发及应用

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