CCDCCD的基本工作原理解的基本工作原理解析析武汉大学电子信息学院一、电荷存储一、电荷存储 构成构成CCDCCD的基本单元是的基本单元是MOS(MOS(金属氧化物半导体金属氧化物半导体) )MOSMOS电容存储信号电荷的容量为：电容存储信号电荷的容量为：武汉大学电子信息学院 二、电荷转移二、电荷转移武汉大学电子信息学院二、电荷转移二、电荷转移武汉大学电子信息学院二、电荷转移二、电荷转移武汉大学电子信息学院三、电荷的注入和检测三、电荷的注入和检测武汉大学电子信息学院三、电荷的注入和检测三、电荷的注入和检测光注入光注入 电注入电注入 CCD CCD摄像器件的光敏单元为光注入方式摄像器件的光敏单元为光注入方式 当光照射到当光照射到CCDCCD硅片上时，在栅极附近的半导体内硅片上时，在栅极附近的半导体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少产生电子空穴对，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。数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。光注入电荷光注入电荷 为为武汉大学电子信息学院 半导体的光吸收过程也就是光照产生载流半导体的光吸收过程也就是光照产生载流子的过程。光信号转换成电信号的过程实际子的过程。光信号转换成电信号的过程实际上还包括对空间连续的光强分布进行空间上上还包括对空间连续的光强分布进行空间上分立的采样过程。分立的采样过程。武汉大学电子信息学院四、电荷的检测四、电荷的检测(输出方式输出方式)电流输出电流输出浮置扩散放大器输出浮置扩散放大器输出浮置栅放大器输出浮置栅放大器输出武汉大学电子信息学院CCD像感原理像感原理一、工作原理一、工作原理 将二维光学图像信号转变成一维视频信号输出将二维光学图像信号转变成一维视频信号输出 两大类型：线型两大类型：线型 面型面型 像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子密度信号存储于像敏单元为少数载流子密度信号存储于像敏单元(MOS电容电容)中，中，然后再转移到然后再转移到CCD的移位寄存器的移位寄存器(转移电极下的势阱转移电极下的势阱)中，中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。武汉大学电子信息学院1 1、线型、线型CCDCCD摄像器件的两种基本形式摄像器件的两种基本形式单沟道线阵单沟道线阵ICCDICCD武汉大学电子信息学院双双沟道线阵沟道线阵ICCDICCD武汉大学电子信息学院2、面阵、面阵ICCD帧传输结构帧传输结构特点：特点：1.1.结构简单结构简单2.2.光敏元尺寸小光敏元尺寸小3.MTF3.MTF较高较高4.4.光敏面积占总光敏面积占总面积的比例小面积的比例小武汉大学电子信息学院行间传输结构行间传输结构武汉大学电子信息学院线传输结构线传输结构特点：1.有效光敏面积大2.转移速度快3.转移效率高4.电路较复杂武汉大学电子信息学院CCDCCD摄像机简介摄像机简介 CCD CCD摄像机输出信号的制式应与监视器的制式相同摄像机输出信号的制式应与监视器的制式相同 25 25帧帧 50 50场场 扫描行数扫描行数575575 奇场奇场 1 1、3 3、5 5575575 偶场偶场 2 2、4 4、6 6576576 场正程时间场正程时间 18.4ms, 18.4ms,场逆程时间场逆程时间1.6ms1.6ms 行正程时间行正程时间 52us, 52us,行逆程时间行逆程时间12us12us武汉大学电子信息学院ICCD的基本特性参数的基本特性参数1 1、光电转换特性、光电转换特性 电荷包是由入射光子被硅衬底吸收产生的少电荷包是由入射光子被硅衬底吸收产生的少数载流子形成的。因此，它具有良好的光电转数载流子形成的。因此，它具有良好的光电转换特性。换特性。 转换因子转换因子武汉大学电子信息学院2 2、光谱响应、光谱响应正面光照与背面光照正面光照与背面光照武汉大学电子信息学院3、动态范围、动态范围势阱中的最大信号电荷量势阱中的最大信号电荷量噪声噪声噪声源：噪声源：输入；输入；转移；转移；输出输出武汉大学电子信息学院4 4、暗电流、暗电流产生暗电流的主要原因有：产生暗电流的主要原因有：耗中尽层的硅衬底电子自价带至导带的本征跃迁。耗中尽层的硅衬底电子自价带至导带的本征跃迁。少数载流子在中性体内的扩散少数载流子在中性体内的扩散来自来自SiO2界面和基片之间的耗尽区界面和基片之间的耗尽区 SiSiO2界面表面引起的暗电流界面表面引起的暗电流一般而言，以第三种原因产生的暗电流为主。一般而言，以第三种原因产生的暗电流为主。此外，温度影响。据计算，温度降低此外，温度影响。据计算，温度降低10，暗电流下，暗电流下降降1/2武汉大学电子信息学院5、分辨率、分辨率MTF CTF 与入射光谱有关与入射光谱有关几何几何MTF CTF奈奎斯特极限频率：奈奎斯特极限频率：武汉大学电子信息学院MTF结束结束