CCD传感器的工作原理及应用解析

CCD传感器是电荷藕合器件的简称，它使用一种高感光度的半导体材料制成，CCD具有光电转换、信号储存、转移（传输）、输出、处理以及电子快门等多种独特功能，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。

CCD是美国贝尔实验室于1969年发明的，与电脑晶片CMOS技术相似，也可作电脑记忆体及逻辑运作晶片。CCD是一种特殊的半导体材料，它是由大量独立的感光单元按照矩阵形式排列组成的。CCD的感光能力比PMT低，但近年来CCD技术有了长足的进步。由于CCD的体积小、造价低，所以广泛应用于扫描仪、数码相机及数码摄像机中。目前大多数数码相机采用的图像传感器都是CCD。

CCD本身是不能分辨颜色的，所以，在实际应用时需要使用色彩滤镜，一般情况下就是在CCD器件的滤镜层涂上不同的颜色，其色块按G-R-G-B（绿-红-绿-蓝）的顺序排列，使每一片滤镜单元下的感光单元感应不同的颜色。

CCD传感器的工作原理

CCD的基本单元是MOS电容器，这种电容器能存贮电荷，其结构如图 1 所示。以P型硅为例，在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层，然后在SiO2 上淀积一层金属为栅极，P 型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下不能移动的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层（耗尽层），这种现象便形成对电子而言的陷阱，电子一旦进入就不能复出，故又称为电子势阱。

当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴时，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的，光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光和电的转换，而势阱中收集的电子是被存贮状态即使停止光 137 照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。

总之，上述结构实质上是个微小的MOS 电容，用它构成象素，既可“感光”又可留下 “潜影”，感光作用是靠光强产生的电子积累电荷，潜影是各个象素留在各个电容里的电荷不等而形成的，若能设法把各个电容里的电荷依次传送到他处，再组成行和帧并经过“显影”就实现了图象的传递。

CCD传感器的应用

1．小型化黑白、彩色TV摄像机

2．传真通讯系统

3．光学字符识别

4．工业检测与自动控制

5．医学标本分析与检测（如血细胞分析仪）

6．天文观测

7．军事
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