CCD图像传感器工作原理详解

图像传感器的基本功能是完成拍摄对象的“摄像”表现，即通过感光面受光、信号的读出传输等步骤，完成图像信号的取出。而具体到CCD 图像传感器，可以分为四个基本动作：光电转换、电荷存储、电荷转移、电荷检测。

1.光电转换

半导体材料吸收光，将光子的能量转换为电能。对于光的吸收过程，CCD 图像传感器使用的单晶硅半导体材料无法在表面将光线完全吸收转化，因此在半导体材料内同样存在光的吸收过程。以材料表面为坐标零点，垂直于材料表面向下的方向为x 轴，则光强度的变化公式为

式中，I 为坐标为x 处的光强；a 为光的吸收系数。若半导体材料表面的光强度为I0，则利用指数表示光强度在深度x 时的值为

对于CCD 传感器的一个像素单元，其受光面积A 并不等于像素单元的面积Ap。在每个像素的垂直CCD 部分，存在铝遮光膜，可以将照射在垂直CCD 上的光全部反射，而铝遮光膜在光电二极管上存在开口。经过该开口的光，在除去被保护膜吸收与反射成分、开口便于衍射和散射部分、穿透二极管成分等无效成分后，剩余的有效成分在光电二极管上进行光电转换。铝遮光膜开口面积与像素面积之比称为开口率，是评价CCD 图像传感器的感光度的重要指标，其公式为

CCD 图像传感器产生的特有漏光现象主要产生于光电转换过程。对于典型的CCD 图像传感器像素结构，产生漏光的原因有：

(1)光电二极管周围部分发生了光电转换；

(2)铝遮光膜开口边缘部分的反射与衍射；

(3)光电二极管P 型区内的扩散电流；

(4)铝遮光膜被光穿透。

评价漏光程度的漏光抑制比与光源信号量和漏光信号量有关，漏光抑制比一般使用分贝(dB)为单位，其公式为

式中，Smr为漏光信号量；Sig为光源信号量。

2.电荷存储

半导体材料中信号电荷的载流子可以是带正电的空穴(hole)，也可以是带负电的导带自由电子(electron)。一般来讲，CCD 图像传感器利用的信号电荷载流子为带负电的电子，具有被正向电压(高电势)所吸引的性质。因此可以在像素结构内，采用制造出高于周围电势的高电势阱的方法来存储光电转换得到的信号电荷，直到传感器完成电荷的转移动作。

以表面型MOS 电容器为例，其存储原理如图16-3 所示。由金属材料构成的表面电极被施加了正电压，由Si 材料构成的半导体基板的底部接地。受此电势差的影响，半导体基板表面中位于金属电极下部区域的电势将增高。基板表面的该高电势区域被周围的低电势区域包围，从而形成了可以存储带负电电子的电势阱。由于半导体基板与金属表面电极之间存在绝缘层(多为氧化物，又称氧化物层)，经过光电转换产生的信号电荷无法流向金属表面电极，从而存储在该电势阱内。信号电荷在表面型MOS 电容器上的存储，将降低电容器的表面电势，该变化的近似公式为

式中，ΔΨS 为存储信号电荷的表面电势；QS 为信号电荷的电荷量；COX为金属表面电极到基板表面的等效电容；CD为基板表面到基板底部接地端的等效电容。(www.xing528.com)

图16-3 信号电荷存储原理

(a)MOS 电容器；(b)表面电荷分布图

3.电荷转移

图16-4 所示为三相CCD 的电荷转移原理。加载在MOS 电容器金属表面电极的两种电压中，高电压为VH，低电压为VL。在零时刻，信号电荷存储在相位为Φ1 的MOS 电容器下的电势阱中，如图16-4(a)所示。当Φ2 的电势由VL 升高到VH时，相位为Φ1 与Φ2 的相邻MOS 电容器的电势阱逐渐融合，部分信号电荷由Φ1 电势阱向Φ2 电势阱移动，如图16-4(b)所示。在相位为Φ1 与Φ2 的MOS 电容器上金属表面电极的加载电压完全相同时，信号电荷均匀分布在由Φ1 和Φ2 形成的大电势阱中，如图16-4(c)所示。一段时间之后，Φ1 的电势由VH降低为VL，使得Φ1 电势阱逐渐消失，迫使电势阱内的信号电荷向Φ2 电势阱内移动，如图16-4(d)所示。当Φ1 的电势完全变为VL 时，Φ1 下的电势阱消失，信号电荷完全传输到了Φ2 下的电势阱中，如图16-4(e)所示。对比图16-4(a)与图16-4(e)可以发现，通过相位上电势按照一定的时序进行改变可以实现电势阱与信号电荷移动。

根据相位数量的多少，CCD 图像传感器可以分为二相CCD、三相CCD 和四相CCD 等。一般来讲相位数越多，CCD 可以转移的电荷量越大。但CCD 相位数量的增多，可能会降低CCD 图像传感器内信号电荷的传输速度。值得注意的是，由于CCD 电荷转移原理要求在MOS 电容器的金属表面电极上施加至少两种偏置电压(VH、VL)，且为保证转移效率，偏置电压的电势一般差别较大，同时系统的功耗较高，这些原因造成了CCD 图像传感器的供电系统较为复杂。

图16-4 三相CCD 的电荷转移原理

对于一维排布的线阵CCD 图像传感器，按照上文所述的电荷转移原理即可依次完成各像素单元内信号电荷的传输转移；而对于二维排布的面阵CCD 图像传感器，二维分布的像素单元中信号电荷的传输转移方式较为复杂。典型的面阵CCD 图像传感器转移方式有三种：帧转移(Frame Transfer，FT)方式，行间转移(Interline Transfer，IT)方式，帧行间转移(Frame Interline Transfer，FIT)方式。

目前常用转移方式为行间转移方式，其原理如图16-5 所示，像素结构由光电二极管与垂直CCD 组成，其电荷转移分为由光电二极管向垂直CCD 读出转移、在垂直CCD 内逐行移动到水平CCD 内的垂直转移、以及在水平CCD 内逐一向FD 放大器内传输的水平转移三个转移动作。帧转移方式在早期研究时使用较多，由于其像素结构仅包含分离的垂直CCD，且必须具有和摄影区域相等面积的存储区域，因此具有感光度差、易产生漏光、面积利用率低等缺点，实用性不高。采用帧行间转移方式CCD 图像传感器像素结构与采用行间转移的CCD 图像传感器基本相同，但其在摄影区域与水平CCD 之间存在存储区。在转移动作上，较之于行间转移方式，帧行间转移方式在读出转移与垂直转移(线转移)之间存在将信号电荷从摄影区传输到存储区的帧转移。采用这种转移方式的图像传感器尺寸较大但可以有效防止漏光，一般应用于要求漏光噪声小的专业摄影领域。

图16-5 CCD 工作原理示意图

4.电荷检测

电荷检测的作用主要是将信号电荷转换成电信号。根据输出方式的不同，可以分为电流与电压两大类，而电压类中又可分为浮置扩散放大器(Floating Diffusion Amplifier，FDA)与浮置栅极放大器(Floating Gate Amplifier，FGA)两种方式。由于几乎所有CCD 图像传感器使用的都是浮置扩散放大器方式，因此以浮置放大器为例说明电荷检测的原理。

电荷检测所使用的方法是将信号电荷转换为电容器两端的电压变化。电容器两端的电压变化与信号电荷的电荷量成正比，与该电容器的电容成反比，表示为

式中，ΔVFD表示电容两端电压变化量；Q 表示传输来的信号电荷量；CFD表示电容。该电压变化，水平CCD 末端的PN 结二极管在施加逆向偏压的情况下，其N 端处于浮置扩散(Floating Diffusion，FD)状态，实现了进行信号电荷转换为电压变化的电容的功能。

CCD 图像传感器的电荷检测原理如图16-6 所示，通过相位上电势有规律的变换而驱动电势阱的移动，将电势阱中的信号电荷传输到该二极管上。信号电荷在等效电容CFD上引起电容两端电压VFD的变化，该电压经过缓冲放大器进行放大后，得到传感器的输出电压Vout。为进行信号电荷的连续检测，在上一个像素的信号电荷完成检测后，必须对FD 上的电压进行复位，以保证对每个电荷进行检测前FD 上的基准电压相同。在进行复位动作时，复位栅(Reset Gate，RG)开启，从而使FD 上的电压与复位漏极(Reset Drain，RD)上的复位电压VFD相等，从而将FD 复位回基准电压。

图16-6 CCD 图像传感器的电荷检测原理