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，我在电子成像系统的低级细节方面没有任何专业知识，但我的上司选择了“要么沉，要么游”的方法，这很有效果。摄像机工作起来了，到那个项目结束时，我可能比大楼里的任何人都更了解CCD计时。

什么是CCD?

CCD是“电荷耦合器件”的缩写。CCD是一种集成的半导体系统，它将光子转换成电子，然后将这些由光产生的电荷从原来的位置移动到传感器的输出管脚上。

如果你认为“电荷耦合设备”对图像传感器来说是个奇怪的名字，那你是对的。这个术语仅仅指的是一个移动的电荷系统，所以在这个背景下，当我们说“CCD”的时候，我们真正的意思是“电荷耦合”光敏设备。”

研究人员最初将ccd作为在计算机系统中存储信息的一种新方法进行研究，后来他们认识到该技术在光探测方面可能很有用。这可能解释了为什么术语“CCD”指的是一种成像设备，而不包括任何明确的成像参考。

CCD结构

下面的图表让你大致了解ccd是如何构造的，以及在半导体级会发生什么。

• 一个像素的光电二极管对入射光产生电势。光强随时间的变化与累积电荷之间的关系最初是线性的，但当像素接近饱和时就变成非线性的。现代的ccd使用固定的光电二极管，其中包括一个薄的p+层，这在图中没有显示。
• 电子聚集在二极管下方的p型硅的“势阱”中。
• 势井是应用A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将流入的区域。
• 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顺序产生孔和屏障，这是CCD将来自各个像素的离散电荷的离散分组引导到传感器的输出端子的基本机制。
• 复位门是清除像素内累积电荷的一种方法。在本文的后面，我们将返回到重置和排水。

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，处理和显示为二维图像。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，我们可以逐步向输出引脚逐步移动这些电荷包。这称为读出。

CCD作为模拟移位寄存器网络运行。水平（AKA串行）移位寄存器将电荷包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移动到水平移位寄存器中的电荷数据包，然后执行读数。该过程持续，围绕传感器进行千元或数百万的小电荷数据包，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Interline Transfer CCD的结构和功能。在集成之后，电荷转移到垂直移位寄存器（绿色箭头）中，然后向下到水平移位寄存器（蓝色箭头），然后通过电荷放大器向输出端子（橙色箭头）。

像素重置和电子快门

当0 V或负电压作用于复位栅时，一个势垒阻止电子流入漏极。这就保证了光产生的电荷可以在光电二极管下面聚集。

如果我们想要排出存储在像素中的任何电荷，我们可以对复位门施加正电压。

将正电压施加到复位栅极已经消除了潜在的屏障。

这个重要的功能允许我们实现电子快门。如果复位门被抬高，快门就“关闭”了:虽然我们实际上并没有挡住入射光，但传感器表现得就像没有光一样，因为光产生的电荷从光电二极管中流失了。当我们通过把复位门调低来“打开”快门时，曝光就开始了;这就建立了势垒，并允许电荷积分发生。然后通过将集成电荷转移到移位寄存器中来结束曝光周期。

电子快门比机械快门更精确，并使整个系统更简单，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，而势垒的高度又决定了像素的“满井容量”。如果累积的电荷达到了井的最大容量，多余的电荷就会溢出屏障，并在引起水华之前流失掉。

结论

我们涵盖了CCD图像传感器的一些基本结构和操作特性。我们将继续探索下一篇文章中的CCD。