ccd攝像器件工作原理、驅(qū)動方式及應(yīng)用

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1、CCD攝像器件工作原理,驅(qū)動方式及應(yīng)用光科0702丁曉亮1302070229摘要：本文從存儲電荷、電荷轉(zhuǎn)移、電荷輸出、電荷注入四方面先介紹了CCD的工作原理，然后就線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器分別介紹各自的工作原理；在驅(qū)動方式部分，先圖解三相、二相、四相工作方式的CCD時鐘脈沖，然后介紹了各種產(chǎn)生驅(qū)動脈沖的方法；最后羅列了一些線陣CCD攝像器件的實例。關(guān)鍵詞：SiO2、存儲電荷(StorageCharge)、電荷轉(zhuǎn)移(ChargeTransfer)、電荷輸出(ChargeOutput)、電荷注入(ChargeInjection)、線陣CCD(LinerCCD)、面陣CCD(

2、CCDArray)、圖像傳感器(ImageSensor)、時鐘脈沖(ClockPulse)、CCD攝像器件(CCDCameraDevice)先介紹一下CCD的工作原理：CCD的最小單元是在P型（或N型）硅襯底上生長一層厚度約為120nm的SiO，2再在SiO層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅電極而構(gòu)成金屬-氧化物-半導(dǎo)體的電容式2轉(zhuǎn)移器。其中，“金屬”為SiO層上沉積的金屬或摻雜多晶硅電極，稱為“柵極”；半2導(dǎo)體硅作為底電極，俗稱“襯底”；“氧化物”為兩電極之間夾的絕緣體SiO。2（1）存儲電荷當(dāng)向柵極加正向偏壓時，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢阱），當(dāng)VG足夠大時，載流子深度耗盡，甚至在半導(dǎo)體表

3、面形成反型層。熱平衡時n型半導(dǎo)體應(yīng)有足夠的自由電子。于是，當(dāng)附近存在自由電子時，自由電子就會吸引電極下方附近。這樣的MOS電容就有了存儲電荷（電子）的能力。（2）電荷轉(zhuǎn)移上圖是CCD的MOS結(jié)構(gòu)。電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，有二相、三相、四相等控制方式之分，這部分在下面的驅(qū)動方式里作進一步介紹。（3）電荷的輸出在輸出端P型硅襯底上擴散形成輸出二極管，二極管加反壓，在PN結(jié)形成耗盡層。輸出柵OG加壓使電荷轉(zhuǎn)移到二極管的耗盡區(qū)，作為二極管的少數(shù)載流子形成反向電流輸出。輸出電流的大小與電荷大小成正比，通過負(fù)載變?yōu)殡妷狠敵?。下圖為輸出二極管電流法。（4）電荷注入在CCD中，電荷注入分為兩類：光注入和電注

4、入。其中的光注入方式：當(dāng)光照射到CCD硅片上時，在柵極附近的體內(nèi)產(chǎn)生電子—空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被其收集到勢阱中形成信號電荷。接下來介紹CCD攝像器件的工作原理：（1）線陣CCD圖像傳感器線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應(yīng)的構(gòu)成一個主體,在它們之間設(shè)有一個轉(zhuǎn)移控制柵,如下圖(a)所示。實用的線型CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，如下圖（b）所示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，在控制脈沖的作用下，自左向右移動，在輸出端交替合并輸出，就形成了原來光敏信號電荷的順序。（2）面型CCD圖像傳感器面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)

5、、信號存儲區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。目前存在三種形式。下圖(c)所示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。上圖（d）增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲區(qū)。在正常垂直回掃周期內(nèi)，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲區(qū)。在垂直回掃結(jié)束后，感光區(qū)回復(fù)到積光狀態(tài)。在水平消隱周期內(nèi)，存儲區(qū)的整個電荷圖像向下移動，每次總是將存儲區(qū)最底部一行的電荷信號移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器

6、中向右移動以視頻信號輸出。當(dāng)整幀視頻信號自存儲移出后，就開始下一幀信號的形成。上圖(e)是將圖(d)中感光元件與存儲元件相隔排列，即一列感光單元，一列不透光的存儲單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時，轉(zhuǎn)移控制柵打開，電荷信號進入存儲區(qū)。隨后，在每個水平回掃周期內(nèi)，存儲區(qū)中整個電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號輸出。下面介紹下驅(qū)動方式時鐘脈沖發(fā)生器是CCD工作所需要的驅(qū)動器，提供電荷轉(zhuǎn)移所必需的時鐘脈沖以及輸入輸出結(jié)構(gòu)所需的復(fù)位脈沖和各種電平。線陣CCD的典型驅(qū)動脈沖包括：轉(zhuǎn)移脈沖、移位脈沖、復(fù)位脈沖、采

7、樣保持脈沖、鉗位脈沖。下面是CCD時鐘脈沖的三相，二相和四相的圖解分析。1，三相工作方式三相時鐘波三相電荷轉(zhuǎn)移過程形2，二相工作方式二相時鐘工作狀態(tài)3，四相工作方式四相時鐘驅(qū)動脈沖四相工作時電荷轉(zhuǎn)移情形目前，產(chǎn)生驅(qū)動脈沖的方法有EPROM驅(qū)動方法、IC驅(qū)動方法、微處理器法(單片機、DSP等)以及可編程邏輯器件CPLD設(shè)計法。（一）、IC驅(qū)動法在設(shè)計中,使用同一時鐘對幾路脈沖進行控制,以保證相互間確定的時間關(guān)系。再用分頻器對時鐘脈沖進