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2024年6月8日发(作者：)

CCD图像传感器的结构特点和成像原理分析

CCD称为电荷耦合半导体器件，分别为光生电荷和电生电荷耦合器件，CMOS称为互补型金属氧化物场效应器件。它们

在数字照相机中的作用是把影像的光信号转变为电信号并分别寄存起来，在外加扫描信号的作用下传输出去，最后经过各种

运算转换为图像的电子档案文件，在此我们可以引申开来，CCD是电荷耦合半导体器件，也就是可以耦合电荷或叫做可以检

出电荷，当信号输入端不是光传感器而是其它电信号，那么它检出的信号就是电信号强弱或多少。后面加上积存器的话，就

构成完整的移位积存器了。CCD单元的基本工作有效结构（如图）是一种密排的MOS电容阵列，靠陷阱捕获电子的方式工

作，是在一块N型（也可以是P型）纯净的单晶硅上扩散一层二氧化硅，再在上面扩散一层接受光子辐射的类似光电二极管

PN结的MOS结构，外围通过扩散不同的绝缘层和沟道形成密布在单晶硅上的CCD单元，最后加上电源和信号引线做成集

成电路。这个具有检测和计量光线信号的物体就是CCD图像传感器，因为制作过程就是这样一层一层的扩散形成，扩散不

均匀的结果是各个CCD单元的电参数不均匀，整个器件就作废了，因此成品率往往很低，制约了大面积的成本。面积越大

成品率越低。这是它的生产特点。CCD或CMOS唯一的区别就是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在俗

称金属氧化物材料的半导体材料上，工作原理没有本质的区别，都属于有源控制电荷输入型无增益电子器件的大规模集成电

路。不论采用何种结构，感光单元与CCD或CMOS单元集成在一个芯片上，那么CCD或CMOS单元就要占据一定的比表

面积，所有图像传感器的感光表面只能有一部分用作感光单元的光线接收面，其余部分还有留给CCD或CMOS单元以及元

器件之间的绝缘隔离带；所以最终光电图像传感器不能像胶片一样整个表面积完全用来接收光线信号（如图）。

传感器结构图

CCD刨面结构图

CCD影像传感器是一种特殊用途的光生电荷耦合器集成电路芯片，它的主体结构分为感光区、信号暂存区和信号读出寄

存器构成。感光区由垂直方向、并行排列的若干沟道组成，各沟道之间用绝缘沟阻隔开。水平光栅电极条横贯各沟道，外接

有三相时钟脉冲的驱动器和工作电源。每个感光单元是搀杂多晶硅-二氧化硅-硅的MOS结构。光线射入半导体，能量大于

感光单元材料带隙的光子被半导体吸收，激发出光生电子孔穴对。光生多子通过半导体衬底流走，光生少子却被表面的深耗

尽状态的MOS阵列下形成的一系列势阱俘获并收集起来。这些势阱相互间非常靠近却又相互隔离。在积分期间，每个势阱

中积累的光生少子数与光学图像中各相应像素上光照大小成正比。这样光学图像在CCD的感光单元上转换成为各个位置大

小不等的电荷包，每个电荷包就是图像信息，最后通过暂存区和信号读出寄存器把信号通过中央处理器进行信号处理后传输

到存储器。

他们感应或收集的光线转换为的电子信号需要有外界驱动力才能传输出去。实际上就是打开电荷储存沟道耗尽层的信号，

我们就叫做扫描信号，一个好的影像传感器如果能够使得感光单元占据更多的比表面积，那么它的效率越高，再生像的准确

度也越高。CMOS和它的工作原理除了内部传输信号的方式不同以外，大同小异。但是CMOS的集成度容易提高，工作电

压低，动态参数低是所有各种CMOS与各种诸如TTL等半导体集成电路相比的固有特点，不仅仅表现在图像传感器上。


本文标签： 信号感光电荷单元传感器

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