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CCD传感器
阅读:16502时间:2010-12-30 10:20:04

  CCD(Charge Coupled Device)全称为电荷耦合器件,是70 年代发展起来的新型半导体器件。它是在MOS 集成电路技术基础上发展起来的,为半导体技术应用开拓了新的领域。CCD 图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展,能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息,具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点。

简介

  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。

  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。

  例如,在一个130万像素的CCD上,有325000个像素感应红色,325000个像素感应蓝色,650000个像素感应绿色。在一个使用这种CCD的分辨率为1280x1024的数码相机中,有640x512个红色像素、640x512个蓝色像素和640x1024个绿色像素,绿色像素多一点,是因为人类眼睛对绿色的敏感性和对其它颜色不一样。在记录图像时,每个像素的真实色彩就是它与周围像素象混合的平均值。

CCD的基本原理

  电荷祸合器件 CCD的基本原理是在一系列 MOS电容器金属电极上,加以适当的脉冲电压,排斥掉半导体衬底内的多数载流子,形成“势阱”的运动,进而达到信号电荷(少数载流子)的转移。如果所转移的信号电荷是由光像照射产生的,则 CCD具备图像传感器的功能;若所转移的电荷通过外界注入方式得到的,则 CCD还可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。

  电荷祸合器件 CCD 的基本原理与金属一氧化物一硅(MOS)电容器的物理机理密切相关。

原理

  CCD的基本单元是MOS电容器,这种电容器能存贮电荷,其结构如图 1 所示。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 137 照一定时间内也不会损失,这就实现了对光照的记忆。

CCD传感器的原理

  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。

应用

  1.小型化黑白、彩色TV摄像机

  2.传真通讯系统

  3.光学字符识别

  4.工业检测与自动控制

  5.医学标本分析与检测(如血细胞分析仪)

  6.天文观测

  7.军事上应用

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