感光耦合元件

  感光耦合元件(Charge Couple Device)是一种大规模金属氧化物半导体(MOS)集成电路光电器件。它以电荷为信号,具有光电信号转换、存储、转移和读出信号电荷的功能。CCD自1970年问世以来,由于其独特的性能而发展迅速,广泛应用于航天、遥感、工业、农业、天文及通讯等军用及民用领域信息存储及信息处理等方面,尤其适用以上领域中的图像获取。

结构

  CCD是由若干个电荷耦合单元组成的。其基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器。它以P型(或N型)半导体为衬底,上面覆盖一层厚度约120 nm的SiO2,再在SiO2表面依次沉积一层金属电极而构成MOS电容转移器件。这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。将MOS阵列加上输入、输出结构就构成了CCD器件。其结构图如下,

 

 

 

感光耦合元件结构图


 

工作原理

  CCD主要由三部分组成:信号输入、电荷转移、信号输出。

  输入部分:将信号电荷引入到CCD的个转移栅极下的势阱中,称为电荷注入。

  在CCD栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压,则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷,其深度同步于信号电压变化,使阱内信号电荷沿半导体表面传输,从输出二极管送出视频信号。为了实现电荷的定向转移,在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的循环结构。一位CCD中含的MOS个数即为CCD的像素。

  光注入:用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射CCD硅片时,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。

特点

  感光耦合元件特点是以电荷作为信号,而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体,构成具有自扫描功能的图像传感器。是一种金属氧化物半导体(MOS)集成电路器件, 基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。其优点如下:

  1.体积小,可靠性高,寿命长。

  2.空间分辨率高,可以获得很高的定位和测量精度。

  3.灵敏度高,动态范围大,红外敏感性强,信噪比高 。

  4.高速扫描,基本上不保留残象

  5.集成度高

  6.可用于非接触精密尺寸测量系统。

  7.无像元烧伤、扭曲,不受电磁干扰。

  8.有数字扫描能力。像元的位置可由数字代码确定,便于与计算机结合接口。

应用

  含格状排列像素的CCD应用於数码相机、光学扫瞄器与摄影机的感光元件。其光效率可达70%(能捕捉到70%的入射光),优於传统胶片的2%,因此CCD迅速获得天文学家的大量采用。

  CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式,能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致,速度也同步,以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差,还能使望远镜记录到比原来更大的视场。

  一般的CCD大多能感应红外线,所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度(或趋近零照度)摄影机/照相机等。为了减低红外线干扰,天文用CCD常以液态氮或半导体冷却,因室温下的物体会有红外线的黑体辐射效应。CCD对红外线的敏感度造成另一种效应,各种配备CCD的数位相机或录影机若没加装红外线滤镜,很容易拍到遥控器发出的红外线。降低温度可减少电容阵列上的暗电流,增进CCD在低照度的敏感度,甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升(信噪比提高)。

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