37、图像传感器——CCD与CMOS

图像传感器——CCD与CMOS

在当今的科技领域，图像传感器扮演着至关重要的角色，广泛应用于摄影、医疗、天文等众多领域。其中，CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器是最为常见的两种类型。下面将详细介绍它们的工作原理、结构特点、发展情况以及应用场景。

1. CCD图像传感器

1.1 CCD像素

CCD传感器技术基于MOS（金属氧化物半导体）电容器。当光子能量超过耗尽区吸收的能隙时，会产生电子 - 空穴对。接地电极会吸引空穴，而电子则留在耗尽区。施加在传感器上的电压、氧化物厚度和栅电极表面与负电荷量成正比。随着波长的增加，光子被吸收的深度也会增加。

电荷在栅极之间的转移过程如下：
1. 耗尽区重叠时，电荷才能转移。
2. 当在栅极1施加电压时，光电子会在阱1中收集。
3. 一旦在栅极2施加电压，电子就会像瀑布一样流向阱2。
4. 两个阱之间的电荷会迅速平衡。
5. 随着栅极1电压的降低，电子流会级联进入阱2，同时势阱减小。
6. 最后，当栅极2施加的电压接近零时，所有电子都在阱2中。

通过多次重复上述过程，电荷会在所有移位寄存器中转移，直到完成移位。栅极的电压水平决定了其行为，电压低时作为屏障，电压高时可以存储电荷。

1.2 器件操作与改进

CCD在深度耗尽状态下工作，初始偏置后，空穴会被迫向衬底移动，而硅表面或附近没有自由电子。在深度耗尽区工作是必要的，因为在一些高端科学相机中的CCD等设备可能需要长达一小时才能达到强反转所需的热平衡。

为了提高CCD的性能，有以下两种改进方式：