ccd工作原理,详细的理论

发布网友 发布时间：2022-04-25 15:15

我来回答

共2个回答

热心网友 时间：2023-01-23 19:48

CCD工作原理　　电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号。 所以ＣＣＤ的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它 　　施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输。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。 　　电荷的注入 　　在ＣＣＤ中，电荷注入的方法有很多，归纳起来，可分为光注入和电注入两类。 　　１:光注入 　　当光照射到ＣＣＤ硅片上时，，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。ＣＣＤ摄象器件的光敏单元为光注入方 　　式。光注入电荷 QIP =ηq△neoATC 　　式中：η为材料的量子效率：q为电子电荷量；△neo为入射光的光子流速；A为光敏单元的受光面积 　　；TC为光注入时间。 　　----由此式可以看出，当CCD确定以后，η.q及A均为常数，注入到势阱中的信号电荷QIP与入射光的 　　光子流速△neo及注入时间TC成正比。注入时间TC由CCD驱动器的转移脉冲的周期TSH决定，当所设计 　　的驱动器能够保证其注入时间稳定不变时，注入到势阱中的信号电荷只与入射辐射的光子流速率△neo 　　成正比。正常情况下。光注入的电荷量与入射的谱辐量度在单色入射辐射时，入射光的光子流速率与 　　入射的光谱辐通量的关系为△neλ=φeλ/hv， h,v,λ均为常数。因此在这种φeλ成线形关系。该 　　线形关系是应用CCD检测光谱强度和进行多通道光谱分析的理论基础。 　　2:电注入 　　所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行电压流进行采样，然后将信号电压或电 　　流转换为信号电荷。电注入的方法很多，一般常用的是电流注入法和电压注入法，这里就不详细描述 　　了。 　　电荷的存储 　　构成CCD的基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）结构 如图I（a）所示，在栅极G施加正偏压 　　UO之前，P型半导体中空穴（多数载流子）分布是均匀的。当栅极施加正偏压UG（此时UG小于P型半 　　导体的阈值电压Uth）后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图I（b）所示。偏压继续增加，耗尽区将进 　　一步向半导体内延伸。当UG>Uth时,半导体与绝缘体截面上的电势(常称为表面势,用ΦS 表示)变得 　　如此之高,以至于将半导体内的电子(少数载流子)吸引到表面,形成一层极薄的(约10um )但电荷浓 　　度很高的反型层,如图I(c). 　　反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能.然而,当栅极电压由零变到高于阈值电压时,轻掺 　　杂半导体中的少数载流子很少,不能立即建立反型层.在不存在反型层的情况下,耗尽区将进一步向 　　体内延伸,而且,栅极的衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上,如果随后可以获得少数载流子,那 　　么耗尽区将收缩,表面势下降,氧化层上的电压增加.当提供足够的少数载流子时,表面势可降低到半 　　导体材料费密能级ΦP 的两倍. 　　例如,对于掺杂为10CM的P型半导体,费密能级为0.3V.耗尽区收缩到最小时,表面势ΦS下降到最 　　底值0.6V,其余电压降在氧化层上. 　　表面势ΦS随反型电荷浓度QINV,栅极电压UG的变化表示在图II和图III中。 　　图II中的曲线表示的是在掺杂为10CM的情况下,对于氧化层的不同厚度在不存在反型层电荷时, 　　表面势ΦS 与栅极电压UG 的关系曲线.图III为栅极电压不变的情况下,表面势ΦS 与反型层电荷 　　密度的关系曲线.曲线的直线性好,说明表面势ΦS与反型层电荷浓度QVIN 有着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的”势阱”概念描述.电子所以被加有栅极电压UG 的MOS结 　　构吸引到氧化层与半导体的交界处,是因为那里的势能最低.在设有反型层电荷时,势阱的”深度” 　　与栅极电压 UG的关系恰如ΦS 与UG 的线性关系,如图IV(a)空势阱的情况.图IV(b)为反型层电荷 　　填充1/3势阱时，表面势收缩，表面势ΦS 与反型层电荷填充量QP 间的关系如图所示。 　　图IV势阱 　　当反型层电荷足够多时，使势阱被填满时，ΦS 降到2ΦF，此时，表面势不再束缚多余的电子， 　　电子将产生“溢出”现象，这样，表面势可作为势阱深度的量度，而表面势又与栅极电压UG 氧 　　化层的厚度dox 有关，即与MOS电容容量cox 与UG的乘积有关，势阱的横截面积取决于栅极电 　　极的面积A。MOS电容存储信号电荷的容量。Q=Cox UG*A

热心网友 时间：2023-01-23 21:06

CCD（电荷耦合器件Charge Coupled Device ） CMOS（互补金属氧化半导体Complementary Metal Oxide Semiconctor） 无轮是CCD还是CMOS，它们都采用感光元件作为捕获影像的基本手段。 (a) CCD传感器： 1. CCD感光元件的核心是感光二极管(photodiode)，该二极管在接受光线照射后产生输出电流，电流强度与光照强度相对应。 2. CCD感光元件除包括感光二极管之外，在其周边还包括一个用于控制相邻电荷的存储单元，但感光二极管占据了绝大数面积，也就是说CCD感光元件中的有效感光面积较大，在同等条件下可接收到较强的光信号，对应的输出电流也较强，表现在输出结果上即捕捉的图像内容丰富、清晰； 3. 工作原理：在接受光照后，感光元件产生相对应的电流，电流大小与光强相对应，因此感光元件输出的电信号是模拟的。在CCD中，每个感光元件并不对此做进一步处理，而是将电信号直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元件生成的模拟信号后在输出给第三个感光元件，依次类推，知道结合最后一个感光元件的信号最终形成统一的输出。由于感光元件生成的电信号很微弱，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理，这项任务由传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获的同样幅度的增大，但由于CCD本身无法进行AD转换，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP处理芯片。 (b) CMOS传感器： 1. CMOS感光元件的核心也是感光二极管。 2. 除感光二极管外，周边还包括放大器与模数转换器，而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分，因此有效感光面积较小，捕捉的光信号明显小于CCD元件，表现在输出结果上，就是图像细节丢失严重且噪声明显。 3 工作原理：CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。换句话说，在CMOS传感器中，每一个感光元件都可产生最终的数字输出，所得数字信号合并之后被直接送交DSP芯片处理—问题恰恰是发生在这里，CMOS感光元件中的放大器属于模拟器件，无法保证每个像点的放大率都保持严格一致，致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的原貌体现在最终的输出结果上，就是图像中出现大量的噪声，品质明显低于CCD传感器。 简单来讲，CCD中的每个感光元件的输出是模拟电信号，但并不直接对每个电信号进行放大和AD转换，而是把所有的电信号都叠加在一起形成统一的模拟输出，然后再利用CCD中的传感器统一进行放大，最后利用专用的AD转换芯片转换成数字信号。而CMOS呢，本身带有放大器和AD转换器，即每个感光元件输出模拟电信号后，直接被该感光元件中的放大器（本身是模拟器件）放大，然后进行AD转换，等价于每个感光元件直接产生一个数字输出。