圖像CCD傳感器的技術工作原理與CCD寄存器轉移原理圖

　CCD傳感器所基于的技術是MOS電容器（金屬氧化物半導體）。如果能量超過間隙能量的光子被耗盡區吸收，就會產生電子-空穴對。電子留在耗盡區，而空穴朝向接地電極。可收集的負電荷（電子）量與施加的電壓、氧化物厚度和柵電極表面成正比。可以存儲的電子總數稱為“阱容量”。當波長增加時，光子在增加的深度處被吸收。它顯著限制了對高波長的響應。目前，可用的傳感器可以從遠紅外線到X射線發揮作用。

　CCD寄存器由一系列門組成。以系統和順序的方式處理柵極電壓，將電子像信使一樣從一個柵極轉移到另一個柵極。對于電荷轉移，耗盡區必須相互重疊。耗盡區呈梯度，梯度應重疊，以便發生電荷轉移。

　每個門都有自己的隨時間變化的控制電壓。電壓是一種稱為“時鐘”或“時鐘信號”的方波信號。首先，在門1施加電壓，光電子被收集在井1(b)中。當在柵極2施加電壓時，電子像瀑布一樣向阱2移動(c)。這個過程很快，兩個孔之間的電荷迅速平衡(d)。當柵極1的電壓降低時，勢阱降低，所有電子再次級聯流入阱2(e)。最后，當柵極1上施加的電壓接近零時，所有電子都在阱2(f)中。這個過程重復幾次，直到電荷轉移到所有的移位寄存器。當柵極電壓低時，它充當勢壘，而當電壓高時，可以存儲電荷。

　一個像素可以由多個門（從2到4，甚至更多）構成，有時也稱為系統階段。根據時鐘信號（參見下文），對于相同的像素尺寸，像素表面的50%可用于四相系統的井，三相系統為33%。

　CCD傳感器矩陣是一系列按列排列的寄存器。

　在每個像素通過光電效應曝光和產生電荷后，電荷通過通道或阻滯塊存儲在行中或列中，耗盡區僅在一個方向上重疊（列的下降，讀取線的水平）。電荷轉移首先發生在行與行之間，發生在內部，然后是像素間柵極跳躍。

　在每一列的末尾，都有一個水平像素寄存器。該寄存器一次收集一條線，然后以串行模式將電荷包傳輸到輸出放大器。在下一行進入串行寄存器之前，整個水平串行寄存器必須與檢測節點同步。這就是為什么所有矩陣都需要獨立的垂直和水平時鐘。

　數千次傳輸之間的相互作用減少了輸出信號。轉移電荷的容量由電荷轉移效率(CTE)。雖然可以在傳感器表面按像素使用任意數量的傳輸點（門），但我們通常使用其中的兩個到四個，甚至是只需要一個時鐘的虛擬相位系統。

　在每個提到的系統中，該過程的步是將電荷包轉換為可測量的電壓。這是通過浮動二極管或浮動擴散實現的。用作電容器的二極管產生與電子數n e成正比的電壓。然后，信號可以由獨立于CCD傳感器的電子處理器進行放大、處理和數字編碼。

　對于多個矩陣，可以在串行寄存器中移動多條充電線。類似地，也可以將多個元素從串行寄存器移動到輸出節點之前的求和門。它被稱為“裝箱”、“超級像素化”，甚至“電荷收集”。裝箱增加了輸出信號和信號動態范圍。裝箱增加了輸出信號和信號動態范圍，但以傳感器空間分辨率為代價。由于它增加了信噪比，在分辨率不是很重要的情況下，合并對于低光級應用很有趣。串行寄存器和輸出節點需要更高容量的井來裝箱。如果輸出電容在每個像素后都沒有更新，那么它會積累電荷。

　（文章來源于網絡，侵權請聯系刪除）