高效学习传感器｜浅谈CCD的工作原理以及常用波

介绍了CCD的MOS光敏单元的结构、CCD电荷存储的原理、CCD电荷转移的原理、CCD信号电荷的输出等知识、介绍了声波和电磁波的基础知识，可以了解声波和电磁波的异同，了解声波和电磁波的波段划分，了解不同波段的声波和电磁波的特点与用途。

CCD是由若干个电荷耦合单元组成的。以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一层SiO2，在SiO2表面沉积一层金属电极，就构成了一个MOS结构。P型MOS光敏单元如图8.20所示。这样的一个MOS结构称为一个光敏单元，或称为一个像素。将若干个MOS结构组成阵列，再加上输入、输出部件，就构成了CCD器件。

（1）剖面图 （2）结构图 （3）信号电荷势阱

■ 图8.20  P型 MOS光敏单元

组成CCD的基本单元是MOS电容器，MOS电容器能够存储电荷。如图8.20（2）所示，MOS电容器中的半导体是P型硅，把衬底接地，在金属电极上施加一个正电压UG，金属电极板上充上一些正电荷，电势高，那么，在P型硅-SiO2界面附近形成一个区域，这个区域把P型硅中的多数载流子（空穴）排斥到表面入地，而对P型硅中的少数载流子（电子）具有吸引作用，能够容纳电子，因此，把这个区域称为电子势阱。在一定的条件下，所加的正电压UG越大，电势越高，电子势阱就越深，所能容纳的电荷量就越大。

如果此时有光线照射到硅片上，在光子的作用下，半导体硅吸收光子，产生电子-空穴对，其中的光生电子被电子势阱所吸收，而空穴被排斥出势阱。电子势阱所吸收的光生电子数量与照射到该电子势阱附近的光线强度成正比，如图8.20（3）所示。因此，电子势阱中电子数量的多少就反映了光线的强度，即该像素的明暗程度，即这种MOS电容器可以实现光信号向电信号的转变。

如果给光敏单元阵列的各个单元同时加上正电压UG，那么，整个图像的光信号就同时转化为电荷包阵列，从而得到整个图像的电信号。而且，电子势阱中的电子处于被存储状态，即使停止光照，在一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。

但是，这种记忆是有时间限制的，随着时间的推移，各个单元中电子势阱中的电子会慢慢泄漏，在足够长的时间之后，电子势阱中的电子全部泄漏了，此时，所拍摄的图像也就不复存在了。

为了永久地保存所拍摄的图像，必须把各个单元中电子势阱中的电子数量信息传送出来，并用电子化的手段保存下来。因此，CCD需要进行电荷的转移。

由于所有光敏单元共用一个电荷输出端，因此，需要进行电荷转移。为了方便电荷转移，CCD器件的基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS光敏单元，这些光敏单元的间距为15~20μm，它们使用同一半导体衬底，氧化层均匀、连续，相邻金属电极间隔极小。

在电荷转移时，设加在两个相邻金属电极的电压分别为UG1、UG2，UG1