CCD圖像傳感器的電路構(gòu)成及特性

CCD圖像傳感器是通過(guò)將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)主要由三部分組成，即鏡片，彩色濾鏡和感應(yīng)電路。鏡片和彩色濾鏡主要是對(duì)接受的光線（即圖像）進(jìn)行一定的預(yù)處理，感應(yīng)電路為CCD傳感器的核心，它又可分為光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件兩部分。

下面我們介紹一下感應(yīng)電路的構(gòu)成，CCD的感應(yīng)電路是由若干個(gè)電荷耦合單元組成，該單元的結(jié)構(gòu)如圖所示。其最小單元是在P型（或N型））硅襯底上生長(zhǎng)一層厚度約為120nm的SiO2作為光敏器件，再在SiO2層上依次沉積鉬電極而構(gòu)成MOS的電容式轉(zhuǎn)移器。將MOS陣列加上輸入、輸出端，便構(gòu)成了CCD的感應(yīng)電路。

當(dāng)光照射到CCD硅片上時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開(kāi)，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。當(dāng)向SiO2表面的電極加正偏壓時(shí)，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢(shì)阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。

其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)，形成電荷包（勢(shì)阱）電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程。

CCD（Charge-Coupled Device）傳感器具有以下主要特性：

1. 高圖像質(zhì)量：CCD 傳感器具有較高的靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和信噪比，能夠捕捉細(xì)節(jié)豐富、清晰度高的圖像，適用于要求高畫質(zhì)的應(yīng)用場(chǎng)景。

2. 低噪聲：CCD 傳感器在成像過(guò)程中噪聲較少，尤其在低光條件下表現(xiàn)更佳，有利于拍攝清晰、干凈的圖像。

3. 較高的光量子效率：CCD 傳感器對(duì)光的利用效率較高，能夠更有效地轉(zhuǎn)換光信號(hào)為電信號(hào)，提高圖像質(zhì)量和信噪比。

4. 線性響應(yīng)：CCD 傳感器具有較好的線性響應(yīng)特性，能夠準(zhǔn)確地將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，保持圖像的準(zhǔn)確性和真實(shí)感。

5. 較高的動(dòng)態(tài)范圍：CCD 傳感器能夠捕捉較寬的動(dòng)態(tài)范圍，能夠同時(shí)保留圖像中亮部和暗部的細(xì)節(jié)，避免過(guò)曝和欠曝現(xiàn)象。

6. 低功耗：相比于 CMOS 傳感器，在一些應(yīng)用場(chǎng)合下，CCD 傳感器可以具備較低的功耗，有利于延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

7. 穩(wěn)定性：CCD 傳感器通常在溫度變化下的性能變化較小，具有較好的穩(wěn)定性，適用于一些對(duì)環(huán)境要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景。

CCD（Charge-Coupled Device）和 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）是兩種常見(jiàn)的圖像傳感器技術(shù)，它們?cè)诠ぷ髟怼⑿阅芴攸c(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域上有一些重要的區(qū)別：

1. 工作原理：

- CCD：CCD 傳感器通過(guò)電荷耦合設(shè)備來(lái)轉(zhuǎn)換光信號(hào)為電信號(hào)。在 CCD 中，光信號(hào)被聚焦在感光單元上，光子被轉(zhuǎn)換為電荷并在傳感器的行和列上移動(dòng)進(jìn)行讀取。

- CMOS：CMOS 傳感器每個(gè)像素都有自己的放大器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器，能夠直接將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。CMOS 傳感器的每個(gè)像素可獨(dú)立工作，整體上更加靈活和高效。

2. 性能特點(diǎn)：

- CCD：CCD 在低光條件下表現(xiàn)更好，具有較高的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，適合拍攝靜態(tài)圖像或需要高質(zhì)量圖像的應(yīng)用。

- CMOS：CMOS 在功耗、速度和集成度等方面較優(yōu)，適合實(shí)時(shí)圖像處理、高速拍攝和視頻錄制等應(yīng)用。

3. 成本和復(fù)雜度：

- CCD：由于制造工藝復(fù)雜，CCD 成本較高，逐漸被 CMOS 技術(shù)取代。

- CMOS：CMOS 生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，降低成本，并廣泛應(yīng)用于手機(jī)攝像頭、數(shù)字相機(jī)等設(shè)備中。

4. 適用領(lǐng)域：

- CCD：適用于需要高質(zhì)量圖像、低噪音和低光條件下拍攝的應(yīng)用，如科學(xué)攝影、天文攝影等。

- CMOS：適用于需要高速、低功耗、實(shí)時(shí)圖像處理的應(yīng)用，如智能手機(jī)攝像頭、監(jiān)控?cái)z像頭等。

CCD 和 CMOS 在圖像傳感器領(lǐng)域各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，選擇哪種技術(shù)取決于應(yīng)用需求和性能要求。隨著技術(shù)的發(fā)展，CMOS 在市場(chǎng)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，逐漸取代了一部分 CCD 應(yīng)用。

隨著技術(shù)的發(fā)展，CMOS 傳感器在一些方面已經(jīng)逐漸趕上甚至超越了 CCD 傳感器，因此在選擇時(shí)需要綜合考慮應(yīng)用需求和性能特點(diǎn)。