电荷耦合器件架构及工作原理

电荷耦合器件
2009年10月6日，斯德哥尔摩---- 对于数码相机来说，这是一个历史性的时刻，它们的百叶窗打开了几分之一秒，捕捉到了委员会，将梦寐以求的诺贝尔奖授予发明电子眼的人。如果不是威拉德 · 博伊尔和乔治 · 史密斯这对搭档，那些照相机可能还会在光敏胶片上模糊光线，然后在黑暗的房间里用栏杆烘干。早在1969年，波义耳和史密斯就发明了电荷耦合器件并预测了它的应用，从而开辟了固态器件成像和存储应用的领域。

图1: 电荷耦合器件图像
虽然 Boyle 和 Smith 发明了将光转换成电信号的方法，但是如果不是 Albert Einstein 对光电效应的开创性解释，整个研究就不可能完成。爱因斯坦解释了材料如何能够吸收入射的辐射，并最终从表面电子爆炸出来。波义耳和史密斯研究了这种光的入射是如何引起电子扰动的，以及如何利用这种扰动。他们成功地做到了这一点，他们把一些电容器组合成一个阵列，这个阵列构成了数字图像的像素。
最初命名为充电气泡设备，该设备的操作作为移位寄存器和线性成像设备被记录。它基于类似于 bucket-brige Devices 的原理，电荷沿着半导体表面从一个电容器转移到另一个电容器。1970年，贝尔实验室成功建造了第一台固态摄像机。到1971年，迈克尔 · f · 汤姆塞特和贝尔实验室的其他研究人员成功地用线阵 CCD 拍摄了图像。此后，许多半导体专业如德州仪器、飞兆半导体、索尼等开始投资 CCD 技术。最早的商用 CCD 设备之一是由飞兆公司在1974年制造的，当时是一个100 x 100像素的设备，拥有大约500个 CCD 阵列。1976年，第一台基于 CCD 的间谍卫星 KH-11 KENNAN 卫星发射升空。到1983年，天文望远镜中的 ccd 也开始取代照相底片。像柯达这样的公司从1985年就开始生产基于 CCD 的专业相机，但是到了1995年，高性价比的高分辨率 CCD 相机开始充斥市场。
CCD 可以看作是电荷转移器件的一个子集。这些是基于金属氧化物半导体(MOS)电容器。CCD 采用了表面沟道和埋沟道 MOS 电容器两种类型，但由于这两种类型的电容器不存在氧化物-半导体界面表面不均匀的问题，因此主要采用埋沟道电容器制造。通过离子注入在 p 型衬底上形成一个薄的 n 型埋沟。二氧化硅绝缘层生长在 n 区的顶部，为了完成电容器，使用 CVD 工艺将金属栅或重掺杂多晶硅栅置于绝缘二氧化硅的顶部。为了将一个柱的电荷包与其他柱的电荷包隔离开来，将热生长的氧化物“通道止点”平行放置在通道上。

MOS 电容的图像
但是，如果一个 CCD 单元传递电荷，它只是任何其他 MOS 电容器。它对光线敏感的附加特性使得 CCD 独一无二。对光子的响应是通过生长在衬底上的掺杂硅的外延层。当光子入射到半导体表面时，它们移动电子，产生与光照射到半导体表面成正比的电荷。单个 CCD 单元具有以下四种功能:

1. 从数组中上方的单元格接收电荷。
2. 保留电力用一段时间，不要损失太多。
3. 将电荷以数组的形式传递给下面的单元格。
   元素及工作范围
   宣读这些指控是主要的挑战。针对所使用的时钟类型，采用了多种分组、两相、三相、四相等方案，以桶旅方式将电荷包单元传输到单元，同时保护每个分组的完整性。考虑到一个三相方案，将有3条控制导线通过每个小区，每条导线被连接到时钟的一个阶段。这些导线控制电势阱的高度，电势阱沿着导线推拉电荷包。对于三阶段方案，每个像素包含一个存储器和两个栅极。每个存储门连接到相同的相位，每个势垒门连接到它们各自的相位时钟。当第二栅极进入较高的电位且第一栅极进入较低的电位时，电荷包从一个区域移动到下一个区域。这种连续的电荷移动可以如下图所示。
   

图3: CCD 中电荷顺序运动的图形
试图使用 CCD 器件作为存储器件。但不久之后，其他技术取而代之，之后 CCD 设备主要用于扫描、显微镜和摄影。在平板扫描仪中使用了一维数组，每次扫描一行数据，然后读取数据。在整个页面上机械地移动数组来创建二维扫描图像。二维数组被用来一次性捕获整个场景，然后将电荷转移到输出。

图4: 一维数组的图像
架构
为了实现 CCD 阵列的读出，采用了三种结构:

图5: 全帧 CCD 结构示意图

1. 全帧读出: 整个 CCD 阵列作为一个积极的领域。这种装置采用机械快门机构阻止光线到达元件，以避免电荷沿垂直 ccd 平行传递，然后利用水平 ccd 连续移出时出现擦痕。这个过程相当耗时。
   

图6: 图形图像表示/图表示帧转移 CCD 结构
架构控制
2. 帧转移: 一半的相邻阵列区域用于曝光，另一半是不透明的。电荷在极短的时间内从有效区域转移到不透明区域，然后从那里读出。这个过程比全帧读出的速度更快，因为在从不透明区域读出电荷的过程中，活动区域可用于捕获新图像。它还具有电荷转移时减少涂污和光污染的优点。然而，这有一个缺点，使用双倍的硅面积。
3. 线间传输: 在这种类型的架构中，每个像素有一个活动区域和一个毗邻的不透明区域。电荷迅速地从光敏光电二极管转移到相邻的垂直 ccd 单元。这只使用一个转移周期来隐藏整个图像，从而允许非常高的模板速度和最小的模糊。这也有增加硅区的缺点，但是现代的进步已经尝试通过使用微透镜来改变光线从不透明区域的方向来提高阵列的量子效率。微透镜的使用增加了填充因子，约90% 的其他架构没有妥协的速度。
工作
CCD 器件的主要性能参数是速度、灵敏度、分辨率和成本。然而，架构的选择取决于设备的应用程序。虽然天文学要求最大限度地捕获光线，价格很少是一个约束，全帧读出的建筑 CCD 器件被使用。但是对于快门速度和成本最重要的傻瓜相机来说，线间结构是最受欢迎的。
CCD 阵列只对亮度敏感，对颜色不敏感。因此，为了获得一个彩色图像，使用了滤波器。彩色图像可以通过使用拜耳图案或3ccd 和分色镜来获得。

图8: 拜耳模式的再现图像
拜耳图案是放置在成像阵列上的一种特殊颜色网格。人类的眼睛对绿色最敏感，四分之二的网格有绿色滤镜。其余有蓝色和红色，组成的 RGB 颜色模式。数字信号处理器从相邻像素的值中插入两个缺失的颜色。拜耳模式，虽然简单和廉价，丢弃信息的影像分辨率的妥协。此外，当使用的地方突然变化的光强拜耳模式创建人工制品。一些相机也可能使用不同的颜色模式来生成颜色。利用微扫描技术可以在特定应用中提高分辨率。
二向色分光棱镜将图像分成红色、绿色和蓝色，然后分别入射到三个 ccd 器件上。这提供了比拜耳面具更高的量子效率，因为大部分光被传感器捕获，而不是被面具的中间层吸收。这些设备已经被用于专业的视频摄像机。
一个 CCD 设备，尽管所有的好的特点，它必须提供的确有一些缺点太多。电荷沿着一排许多像素耦合会导致相当大量的电荷损失，从而导致衰落。不正确的快门控制，或者过亮的条件导致太多的光子到达 CCD 元件，导致电荷泄漏到邻近的像素，从而导致晕花。

图9: 分色分束棱镜工作图示
此外，如果光子在电荷传输过程中由于不正确的时钟锁定而撞击传感器，就会发生以涂片形式的数据丢失。CCD 器件的灵敏度常常是工作温度的函数。随着温度的升高，泄漏暗电流也增加，从而降低了灵敏度。噪声是每个电子设备固有的，在基于 CCD 器件的情况下，由于光子噪声、暗噪声或读噪声或它们的组合，信噪比可能发生衰减。然而，在这一领域的深入研究工作已经取得了积极的成果和许多改进的变种的发展。像电子倍增 CCD (emccd)这样的器件，加入了片上倍增增益，有助于实现单光子探测的灵敏度，而不会影响 CCD 结构的分辨率或效率，同时降低成本。这些特点是其他典型的昂贵的电子轰击 CCD 采用图像增强器与 CCD 设备。
CCD 成像技术与 CMOS 成像技术
CCD 成像技术与 CMOS 成像技术之间存在着不可分割的竞争。电荷耦合器件(CCD)和 CMOS 成像器件(CMOS)同时发明，仅仅几年的时间。然而，由于当时可用的制造技术的优越结果，ccd 成为主导。CMOS 技术侧重于均匀性和较小的特征尺寸，这直到20世纪90年代才出现，当时的光刻技术已经足够先进，可以支持较小的特征尺寸。在此之后，CMOS 成像器卷土重来，从那时起，两种技术都在争夺市场主导地位。众所周知，CCD 传感器能够提供最好的图像质量，而 CMOS 成像器在芯片上提供了更多的功能和更吸引人的功能，比如更低的功耗，这使得它们在移动电话相机等领域更受欢迎。两者可以在各个方面进行比较，并根据应用程序的要求作出正确的决定。

由于手机和傻瓜相机中的 CMOS 传感器越来越受欢迎，市场上 CCD 的市场份额迅速下降，甚至像佳能和索尼这样主要使用 CCD 产品的行业中坚，现在也转向了 CMOS 成像器。预计到2014年，超过95% 的相机市场将转向 CMOS 传感器。但是仍然存在并将继续存在一个占主导地位的部分，这个部分将继续依赖于 CCD 传感器、科学研究和天文学家群体，最大的例子是哈勃空间望远镜天文台。所以，当 CCD 发出的光线从地球上消失的时候，我们仍然需要一个 CCD 来观察外面的世界。

• 白纪龙老师从事电子行业已经有15个年头 到目前为止已开发过的产品超上百款，目前大部分都已经量产上市 从2018年开始花了5年的时间
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• 老白的初心是“愿天下工程师 不走弯路”