了解CCD的结构和功能

我作为刚刚的EE工作的第一个主要项目之一是一款定制设计的数码相机，围绕柯达恐吓CCD传感器。我写了固件并处理所有读数控制，并设计硬件的高级工程师。我们几乎是一个双人团队。

起初，我对电子成像系统的低层次细节一无所知，但我的主管选择了“沉浮”的方法，结果得到了回报。摄像机工作正常，在项目结束时，我可能比大楼里的任何人都更了解CCD计时。

什么是CCD?

CCD代表“电荷耦合器件”。CCD是一种集成的半导体系统，它将光子转换成电子，然后将这些光产生的电荷包从原始位置移动到传感器的输出管脚上。

如果你认为“电荷耦合装置”对图像传感器来说是个奇怪的名字，那你是对的。这个术语仅仅是指移动电荷的系统，所以在这里，我们所说的CCD的真正含义是类似于“电荷耦合”的东西光敏设备。”

研究人员最初将ccd作为一种新的计算机存储信息的方式进行研究，后来他们认识到这项技术在光探测方面的应用可能非常有用。这可能解释了为什么术语“CCD”表示成像设备，但不包括任何明确的参考成像。

CCD结构

下面的图让你大致了解ccd是如何构造的，以及在半导体层面发生了什么。

• 像素的光电二极管对入射光产生电势。随着时间的推移，光强与累积电荷之间的关系最初是线性的，但随着像素接近饱和，变得非线性。现代的ccd使用固定的光电二极管，它包含一个薄的p+层，这个图中没有显示。
• 电子积聚在二极管下面p型硅的“势阱”中。
• 潜能井是通过施加A形成的物理区域积极的电压。使用术语“良好”，因为该正电压吸引了电子和排斥孔，从而产生了光产生的电子流入的区域。
• 我们通过施加0 V或负电压来创造潜在的屏障。屏障阻挡了电子的运动。
• 施加到传输栅极的时钟信号导致井和屏障的连续产生，这是CCD将来自各个像素的光产生电荷的离散分组引导到传感器的输出端子的基本机制。
• 重置门是一种清除像素内累积电荷的方法。我们将在本文后面讨论重置和清除。

CCD操作

图像捕获过程从每个像素的光电动区域开始。Following the period known as exposure (in reference to film that is exposed to light only when the camera’s mechanical shutter is open) or as integration (because the photodiodes are accumulating charge), each pixel has a quantity of electric charge corresponding to the light intensity at that particular pixel location.

我们现在具有光学场景的电气表示，但我们没有直接访问这些离散数据包。我们需要将它们从设备上传输，以便可以放大，数字化，处理，并显示为二维图像。这是电荷耦合活动进入的地方。通过将仔细定时控制电压应用于传感器，我们可以逐步移动这些电荷分组 - 逐步朝向输出引脚。这称为读数。

CCD作为模拟移位寄存器的网络运行。水平（AKA串行）移位寄存器将电荷分组从传感器的一行移动到输出。当该线路完成时，垂直（AKA并联）移位寄存器将下一行的充电包移动到水平移位寄存器中，然后执行读数。该过程继续，围绕传感器的千万或数百万的小电荷包，直到每个最后一次转换成电压并传递到外部信号处理电路。

该图描绘了互联传输CCD的结构和功能。在集成之后，充电转移到垂直移位寄存器（绿色箭头）中，然后通过电荷放大器向下到水平移位寄存器（蓝色箭头），然后通过电荷放大器到输出端子（橙色箭头）。

像素复位和电子快门

当0伏或负电压作用于复位门时，一个势垒阻止电子流入漏极。这就确保了光产生的电荷可以在光电二极管下面积累。

如果我们想吸走存储在一个像素中的任何电荷，我们可以给重置门施加一个正电压。

将正电压施加到复位栅极已经消除了潜在的屏障。

这个重要的特性使我们能够实现一个电子快门。如果重置门是高的，快门是“关闭的”:尽管我们实际上没有阻挡入射光，传感器的行为就像没有光是存在的，因为光产生的电荷从光电二极管流失。当我们把复位门压低“打开”快门时，曝光就开始了;这就建立了势垒，使电荷积分得以发生。然后，我们通过将集成电荷转移到移位寄存器来结束曝光期。

电子快门比机械快门更精确，使整体系统更简单，更可靠。

盛开的

复位门也涉及到称为盛开的问题的解决方案。过度曝光在任何类型的成像系统中是不希望的，但在CCD中可能特别有问题，因为过度曝光像素产生的过量电荷将溢出，或“绽放”进入相邻像素。

漏极提供了一个解决方案:施加在复位门上的电压决定了势垒的高度，势垒又决定了像素的“满井容量”。如果累积的电荷达到了井的全部容量，多余的电荷就会溢出屏障，并在它导致井喷之前排出。

结论

我们已经介绍了CCD图像传感器的一些基本结构和操作特性。我们将在下一篇文章中继续探索ccd。