CCD图像传感器

定义与基本结构

电荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD）图像传感器是一种以MOS电容为基本单元、通过势阱存储光生电荷并按时钟脉冲转移电荷包的固体图像传感器。其基本单元为MOS电容，由金属电极（栅极）、绝缘层（SiO₂）和半导体衬底构成。在半导体表面施加栅极电压后形成势阱，光生电子被收集并存储于势阱中。CCD由多个MOS电容排列成线阵或面阵，每个MOS电容对应一个像素。

电荷存储原理

当栅极施加正电压时，半导体表面电势升高，形成电子势阱。光照射到半导体（通常为P型硅）产生电子-空穴对，电子被势阱收集，空穴被排斥。势阱中存储的电荷量正比于入射光强与积分时间。光积分时间（摄像时间）内，各像素势阱独立收集光生电荷，形成与空间光强分布对应的电荷图像。

电荷注入与转移

电荷注入指将信号电荷引入CCD势阱的过程，包括光注入（光生电荷）和电注入（输入二极管或输入栅注入）。电荷转移是CCD的核心机制：相邻MOS电容的栅极施加时钟脉冲，使势阱深度交替变化，电荷包从浅势阱向深势阱转移。转移过程要求电荷转移效率极高，因为每个电荷包需经过成百上千次转移。转移效率定义为一次转移后剩余电荷量与原始电荷量之比：

其中 $Q_0$ 为原始电荷量（单位：C），$Q_1$ 为转移一次后的电荷量（单位：C）。经过 $N$ 次转移后总转移效率为：

其中 $\epsilon$ 为转移损耗，$N$ 为转移次数。为保证总转移效率在90%以上，要求 $\eta$ 达到99.99%~99.999%。转移效率限制了器件的最长位数。

电荷输出

CCD末端设置输出栅（OG）和输出二极管（或浮置扩散感测节点）等输出结构。输出栅OG是门极控制端，用于控制电荷从转移沟道向输出检测端转移；输出二极管或浮置扩散感测节点是电荷检测端，用于收集并感测到达终端的电荷。当输出二极管加反向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下经输出栅移向输出二极管，被PN结收集，在负载电阻 $R_L$ 上形成脉冲电流 $I_0$，输出电流大小与信号电荷量成正比，并通过负载电阻转换为信号电压 $U_o$ 输出。

分类

CCD图像传感器从结构上分为线阵CCD和面阵CCD。线阵CCD用于获取一维光信息，需扫描得到二维图像，由线阵光敏区、转移栅、模拟移位寄存器、偏置电荷电路、输出栅和信号读出电路组成，有单沟道和双沟道两种形式。面阵CCD感光单元呈二维矩阵排列，按传输和读出方式分为行传输（LT）、帧传输（FT）和行间传输（ILT）三种。行传输有效光敏面积大、转移速度快，但存在拖影；帧传输设置暂存区以减轻拖影，光敏单元密度高，但器件面积增大，且帧转移期间若持续受光仍会产生smear；行间传输感光区和暂存区行间排列，拖影抑制取决于屏蔽与转移时序，光敏单元面积小、密度高，但单元结构复杂，是应用最多的结构。

特性参数

分辨率：摄像器件对物像明暗细节的分辨能力，取决于光敏单元间距（密度）。
光电转移效率：如上定义，要求极高。
灵敏度及光谱响应：灵敏度指单位照度下单位时间单位面积发射的电量；硅的吸收波长范围为400~1100 nm，表面照射时蓝光灵敏度下降，背面照射需减薄至约10 μm。
动态范围：饱和曝光量与等效曝光量之比，一般在 ${10}^3\sim {10}^4$ 数量级。
暗电流：热激发产生的电子-空穴对形成，其产生速率在固定条件下基本一定；积分时间增加会增大积累的暗电荷（暗信号），产生固定图形，限制灵敏度和动态范围。
噪声：包括转移噪声、散粒噪声、电注入噪声、信号输入噪声等，散粒噪声决定噪声极限值。

应用与限制

CCD图像传感器用于计量检测（尺寸、位置、表面缺陷非接触在线检测）、光学信息处理（OCR、标记识别、图形识别、传真、摄像）、生产过程自动化、军事应用（导航、跟踪、侦查）等。其优点是灵敏度高、图像质量好；缺点是成本高、电荷转移导致读出速度慢。与CMOS图像传感器相比，CCD在同步信号和时钟信号配合下以帧或行方式转移电荷，电路复杂，读出速率慢，但图像质量较高；CMOS常见有源像素内包含转换/缓冲电路，A/D转换电路可位于列级或芯片其他位置，并非每个像素都含ADC；其电路相对简单，读出速率高，功耗、体积、制造成本通常有优势，画质与速率的优劣需按具体型号条件比较。