CCD的工作原理

CCD是由在矽片上整齊排列的光敏二極管單元組成的，它們整齊地排成一矩形方陣（圖6-1），其中每一個光敏單元稱為像元，當光照射到矽片上的方陣時， 每一個像元中的原子在具有一定能量的光子作用下，電子從原子中逃逸，形成了一對自由電子和失去電子的原子空穴。投射到光敏單元上的光線越強，産生的電子—空穴越多。

在矽片上這些電子可以和空穴分離，并可以收集起來，電子—空穴對的分離和收集用半導體中的勢阱就可以完成，就象用水桶收集雨水一樣。圖6-2中排列的水桶相當于排列的光敏單元（像元），它們象收集雨水似的收集由光子作用産生的電子。電子數主要取決于光照強度和收集（積分）時間的長短，收集完成後，最右邊的桶将桶中的電荷倒入一設在輸出端的電子測量單元，電荷/電壓轉換單元将電子轉換成相應的電壓，形成了一個像元的視頻信号。最右邊桶中的電子倒空後，又可以接收從旁邊桶中倒入的電子，這樣相鄰桶之間不斷向輸出端倒換（移位）桶中的電荷，直至倒換（移位）到輸出端的電子測量單元，轉換成像元電壓。

CCD的突出特點是以電荷作為信号的載體，不同于大多數以電流、電壓為信号載體的器件。所以如何将成千上萬個像元中的光感應所獲得的電荷取出來是CCD圖像傳感器的關鍵。構成CCD的基本單元是MOS（金屬—氧化物—半導體）結構，在半導體和金屬栅電極之間加上足夠的電壓時，例如加上電壓（10V）後，形成了一個能存儲電荷的勢阱，圖6-3 （a），當光線射在這個二極管上時，能在勢阱中産生與光能量成正比的電荷；同時，這個勢阱還有累積功能，當光線在一時間段内照射時，它能将這一時間段内，由光線強弱産生的電荷累積起來。當多個栅極緊緊排列在一起（間隙寬度小于3μm），并在它們上面加上按一定規律變化的電壓時，存儲在勢阱中的電荷就可以移動起來。

當電極②從2V變為10V時，電極①勢阱中的電荷流向第②個電極，并和第一個電極平均分配，圖6-3（b）和（c），也稱電荷耦合，第①個電極由10V降為2V時，電極①中的電荷全部倒入電極②下的勢阱，這樣電極①中代表像元光照強度的電荷移位到電極②下的勢阱了。這種電荷從一個電極（電荷寄存器）到另一個電極的移位就是CCD的基本動作，使用這種移位将陣列中的每一個像元電荷逐行、逐列地轉移至輸出端的電荷/電壓轉換單元，形成了以電壓表示像元光照強度的視頻信号。這也是為什麼将CCD稱為電荷耦合器件的原因。

CCD的結構

CCD的結構主要由下列功能塊構成：

a.光敏區（成像區）由MOS光積分電容或PN結構光電二極管陣列構成，将投影進來的光圖像轉換成電荷圖像陣列，而且陣列中的每一個像元勢阱，能像水桶似的在固定時間間隔内累加電荷。

b.電荷移位寄存器陣列：存儲和移位像元電荷的寄存器陣列，光敏區光轉換并累集完電荷後，将整個陣列的像元電荷轉移到電荷移位寄存器的對應陣列中，然後按照電視掃描的規律，逐行、逐列地将電荷移位輸出。

c.轉移栅：光敏區和電荷移位寄存器由轉移栅相連。通過轉移栅上的控制電壓的高低将光敏陣列與電荷移位寄存器陣列連接起來。當光敏區光注入，并不斷積累電荷時（又稱光積分），轉移栅上加低電壓将它們隔離起來，反之當光敏區光積累完成後，轉移栅加高電壓，光敏區所積累的信号電荷通過轉移栅轉移到電荷移位寄存器陣列，這種轉移是極快的，隻需一個極短的正脈沖就可完成轉移動作。所以光敏區和電荷移位寄存區的連通時間很短，絕大部分時間是隔離的，在隔離期間它們分别作光電轉換和移位輸出的動作。

d.電荷/電壓轉換器和電壓放大器：将移位寄存器輸出的電荷轉換成電壓，并将其放大輸出形成視頻信号。

從上述CCD的結構可以看出，隻要控制光敏區上的轉移栅上的電壓，就可以控制電荷累加的時間長短，這就是電子快門的基礎。當電荷累集結束，并在轉移栅上加一極短脈沖後，電荷就轉移至電荷移位寄存器了，也就是CCD已獲取了光圖像。下面隻是将電荷傳送出去的掃描過程了。