電荷耦合器件

科學知識 9547 365 2016-06-01

電荷耦合器件(charge-coupled device,CCD)是一種用于探測光的硅片,由時鐘脈沖電壓來產生和控制半導體勢阱的變化,實現存儲和傳遞電荷信息的固態電子器件。

電荷耦合器件由美國貝爾實驗室的W.S.博伊爾和G.E.史密斯于1969年發明,它由一組規則排列的金屬-氧化物-半導體( MOS)電容器陣列和輸入、輸出電路組成。電荷耦合器件用電荷量來表示不同狀態的動態移位寄存器,比傳統的底片更能敏感的探測到光的變化。

基本信息

  • 中文名稱

    電荷耦合器件

  • 外文名稱

    charge-coupled device

  • 領    域

    電子

  • 簡    稱

    CCD

目錄
1簡介
2

CCD電荷耦合器件的原理

簡介

電荷耦合器件(CCD),是由時鐘脈沖電壓來產生和控制半導體勢阱的變化,實現存儲和傳遞電荷信息的固態電子器件。

實際上電荷耦合器件 (CCD)是一種用電荷量來表示不同狀態的動態移位寄存器。 電荷耦合器件電荷耦合器件 (CCD)

電荷耦合器件由間隔極小的金屬-氧化物-半導體電容器陣列和適當的輸入、輸出電路構成,常見的結構有表面溝道、體溝道和蠕動型等。電荷耦合器件主要應用于固態成像、信號處理和大容量存儲器三個方面。在遙感、雷達、通信、電子計算機、電視攝像等領域具有重要應用。 1969年,美國貝爾實驗室的W.S.博伊爾和G.E.史密斯在探索磁泡器件的電模擬過程中,產生了電荷耦合器件的原理設想,并在實驗中得到驗證。他們提出,緊密排列在半導體絕緣表面上的電容器,可用來儲存和轉移電荷。初期的CCD存儲和轉移信號電荷的勢阱都位于硅-二氧化硅界面處,即所謂表面溝道CCD。1972年D.康首先設想了多數載流子CCD形式,在此基礎上人們研制出體溝道CCD和“蠕動”型CCD的新結構,有效地改善了CCD的性能。1973年美國仙童公司制成CCD攝像傳感器,CCD遂從實驗室進入工業生產的實用階段。

CCD的雛形是在N型或 P型硅襯底上生長一層二氧化硅薄層,再在二氧化硅層上淀積并光刻腐蝕出金屬電極,這些規則排列的金屬-氧化物-半導體電容器陣列和適當的輸入、輸出電路就構成基本的 CCD移位寄存器。對金屬柵電極施加時鐘脈沖,在對應柵電極下的半導體內就形成可儲存少數載流子的勢阱。可用光注入或電注入的方法將信號電荷輸入勢阱。然后周期性地改變時鐘脈沖的相位和幅度,勢阱深度則隨時間相應地變化,從而使注入的信號電荷在半導體內作定向傳輸。CCD 輸出是通過反相偏置PN結收集電荷,然后放大、復位,以離散信號輸出。

電荷耦合器件電荷耦合器件 (CCD)

電荷轉移效率是CCD最重要的性能參數之一,用每次轉移時被轉移的電荷量和總電荷量的百分比表示。轉移效率限制了CCD的最大轉移級數。

體溝道CCD的電荷轉移機理和表面溝道CCD略有不同。體溝道CCD又稱為埋溝CCD。所謂體溝道即用來存儲和轉移信號電荷的溝道是在離開半導體表面有一定距離的體內形成。體溝道 CCD的時鐘頻率可高達幾百兆赫,而通常的表面溝道CCD只幾兆赫。

固體成像、信號處理和大容量存儲器是 CCD的三大主要用途。各種線陣、面陣像感器已成功地用于天文、遙感、傳真、卡片閱讀、光測試和電視攝像等領域,微光CCD和紅外CCD在航遙空感、熱成像等軍事應用中顯示出很大的作用。CCD 信號處理兼有數字和模擬兩種信號處理技術的長處,在中等精度的雷達和通信系統中得到廣泛應用。CCD還可用作大容量串行存儲器,其存取時間、系統容量和制造成本都介于半導體存儲器和磁盤、磁鼓存儲器之間。

中國于1975年研制出32位 CCD移位寄存器。中國的CCD研制工作主要集中于 CCD成像和信號處理。CCD攝像器在航空攝像、遙控、工業自動化等部門已獲應用。CCD模擬延遲線和抽頭延遲線在雷達和通信設備更新中發揮了重要作用。

CCD電荷耦合器件的原理

CCD是一種半導體裝置,能夠把光學影像轉化為數字信號。CCD上植入的微小光敏物質稱作像素(Pixel)。一塊CCD上

電荷耦合器件電荷耦合器件 (CCD)原理圖

包含的像素數越多,其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣,但它是把圖像像素轉換成數字信號。CCD在攝像機、數碼相機和掃描儀中應用廣泛,只不過攝像機中使用的是點陣CCD,即包括x、y兩個方向用于攝取平面圖像,而掃描儀中使用的是線性CCD,它只有x一個方向,y方向掃描由掃描儀的機械裝置來完成。

CCD的加工工藝有兩種,一種是TTL工藝,一種是CMOS工藝,現在市場上所說的CCD和CMOS其實都是CCD,只不過是加工工藝不同,前者是毫安級的耗電量,二后者是微安級的耗電量。TTL工藝下的CCD成像質量要優于CMOS工藝下的CCD。CCD廣泛用于工業,民用產品。

CCD它使用一種高感光度的半導體材料制成,能把光線轉變成電荷,通過模數轉換器芯片轉換成數字信號,數字信號經過壓縮以后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存,因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機,并借助于計算機的處理手段,根據需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成,通常以百萬像素為單位。當CCD表面受到光線照射時,每個感光單位會將電荷反映在組件上,所有的感光單位所產生的信號加在一起,就構成了一幅完整的畫面。

CCD在攝像機里是一個極其重要的部件,它起到將光線轉換成電信號的作用,類似于人的眼睛,因此其性能的好壞將直接影響到攝像機的性能。

衡量CCD好壞的指標很多,有像素數量,CCD尺寸,靈敏度,信噪比等,其中像素數以及CCD尺寸是重要的指標。像素數是指CCD上感光元件的數量。攝像機拍攝的畫面可以理解為由很多個小的點組成,每個點就是一個像素。顯然,像素數越多,畫面就會越清晰,如果CCD沒有足夠的像素的話,拍攝出來的畫面的清晰度就會大受影響,因此,理論上CCD的像素數量應該越多越好。但CCD像素數的增加會使制造成本以及成品率下降,而且在現行電視標準下,像素數增加到某一數量后,再增加對拍攝畫面清晰度的提高效果變得不明顯,因此,一般一百萬左右的像素數對一般的使用已經足夠了