了解CCD的结构和功能

　　什么是CCD？
　　“CCD”代表“电荷耦合器件”。CCD是一种集成半导体系统，它将光子转换为电子，然后将这些光产生的电荷包从其原始位置移动到传感器的输出引脚。
　　如果您认为“电荷耦合器件”对于图像传感器来说是一个奇怪的名称，那么您是对的。这个术语仅指移动电荷系统，因此在这种情况下，当我们说“CCD”时，我们真正的意思是“带电耦合的光敏器件”。
　　研究人员初将CCD作为在计算机系统中存储信息的一种新方式进行研究，后来他们认识到该技术可能在光检测应用中有用。这可能解释了为什么术语“CCD”表示成像设备，但没有明确提及成像。
　　CCD结构

　　下图为您大致介绍了 CCD 的构造方式以及半导体级别的情况。

　　像素的光电二极管响应入射光产生电势。随时间推移的光强度和累积电荷之间的关系初是线性的，但当像素接近饱和时，它就变成了非线性的。现代CCD使用固定光电二极管，其中包括一个薄的p+层，此图中未显示。
　　电子在二极管下方的 p 型硅内的“势阱”中积累。
　　势阱是通过施加正电压而产生的物理区域。之所以使用“井”一词，是因为这种正电压会吸引电子并排斥空穴，从而形成一个光生电子将流入的区域。
　　我们通过施加 0 V 或负电压来创建电位屏障。屏障阻止了电子的运动。
　　应用于传输门的时钟信号导致阱和势垒的顺序生成，这是CCD将离散的光生成电荷包从单个像素引导到传感器输出端的基本机制。
　　复位门是一种清除像素中累积电荷的方法。我们将在本文后面返回到重置和耗尽。
　　CCD操作
　　图像捕获过程从每个像素的光活性区域开始。在称为曝光（指仅在相机的机械快门打开时才暴露在光线下的胶片）或积分（因为光电二极管正在积累电荷）的时期之后，每个像素都有与该特定像素位置的光强度相对应的电荷量。
　　我们现在有了一个光学场景的电气表示，但我们无法直接访问这些离散的电荷包。我们需要将它们从设备上转移出来，以便它们可以被放大、数字化、处理并显示为二维图像。这就是电荷耦合活动的用武之地。通过对传感器施加精心定时的控制电压，我们可以将这些电荷包一个接一个地、一步一步地移向输出引脚。这称为读数。

　　CCD作为模拟移位寄存器网络运行。水平（又称串行）移位寄存器将电荷数据包从传感器的一条线路移动到输出端。当该线路完成时，垂直（又称并行）移位寄存器将下一条线路的电荷数据包移动到水平移位寄存器中，然后水平移位寄存器执行读出。这个过程继续进行，成千上万个小电荷包在传感器周围移动，直到每一个都被转换为电压并传送到外部信号处理电路。

　　该图描绘了行间传输CCD的结构和功能。积分后，电荷被转移到垂直移位寄存器（绿色箭头），然后向下传输到水平移位寄存器（蓝色箭头），然后通过电荷放大器传输到输出端（橙色箭头）。
　　像素重置和电子快门
　　当向复位栅极施加0 V或负电压时，电位势垒可防止电子流入漏极。这确保了光产生的电荷可以积聚在光电二极管下方。

　　如果我们想耗尽可能存储在像素中的任何电荷，我们可以向复位门施加正电压。

　　向复位栅极施加正电压消除了电位障碍。
　　这个重要功能使我们能够实现电子快门。如果复位门保持高位，快门就会“关闭”：尽管我们实际上并没有阻挡入射光，但传感器的行为就像没有光一样，因为光产生的电荷从光电二极管中流出。当我们通过将复位门降低来“打开”快门时，曝光就开始了;这建立了潜在的势垒，并允许发生电荷积分。然后，我们通过将积分电荷转移到移位寄存器中来结束曝光期。