CCD传感器工作原理.doc

1、.页眉.页脚已解决CCD 传感器的工作原理悬赏分：0 - 提问时间 2006-3-16 16:01提问者：wjshao_04 - 试用期 一级 其他回答 共 1 条您好 电荷藕合器件图像传感器 CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD 由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当 CCD 表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件

2、上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。 CCD CCD 和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。 CCD 经过长达 35 年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产 CCD 的公司分别为：SONY、Philips、Kodak、Matsushita 、Fuji 和 Sharp，大半是日本厂商。 目前主要有两种类型的 CCD 光敏元件，分别是线性 CCD 和矩阵性 CCD

3、。线性 CCD 用于高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图象的一条线，这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。这种 CCD 精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯。 矩阵式 CCD，它的每一个光敏元件代表图象中的一个像素，当快门打开时，整个图象一次同时曝光。通常矩阵式 CCD 用来处理色彩的方法有两种。一种是将彩色滤镜嵌在 CCD 矩阵中，相近的像素使用不同颜色的滤镜。典型的有 G-R-G-B 和 C-Y-G-M 两种排列方式。这两种排列方式成像的原理都是一样的。在记录照片的过程中，相机内部的微处理器从每个像素获得信号，将相邻的四个点合成为一个像素点。该方法允许瞬间曝光，微处理器能运

4、算地非常快。这就是大多数数码相机 CCD 的成像原理。因为不是同点合成，其中包含着数学计算，因此这种 CCD 最大的缺陷是所产生的图象总是无法达到如刀刻般的锐利。 CMOS .页眉.页脚互补性氧化金属半导体 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和 CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS 的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在 CMOS 上共存着带N（带电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS 的缺点就是太容易

5、出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS 在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。 除了 CCD 和 CMOS 之外，还有富士公司独家推出的 SUPER CCD，SUPER CCD 并没有采用常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像素是以蜂窝状形式排列，并且单位像素的面积要比传统的 CCD 大。将像素旋转 45 度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间，光线集中的效率比较高，效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。 传统 CCD 中的每个像素由一个二极管、控制信号路径和电量传输路径组成。SUPER CCD 采用蜂窝状的八边二极管，原有的控制

6、信号路径被取消了，只需要一个方向的电量传输路径即可，感光二极管就有更多的空间。SUPER CCD 在排列结构上比普通 CCD 要紧密，此外像素的利用率较高，也就是说在同一尺寸下，SUPER CCD 的感光二极管对光线的吸收程度也比较高，使感光度、信噪比和动态范围都有所提高。 那为什么 SUPER CCD 的输出像素会比有效像素高呢？我们知道 CCD 对绿色不很敏感，因此是以 GBRG 来合成。各个合成的像素点实际上有一部分真实像素点是共用，因此图象质量与理想状态有一定差距，这就是为什么一些高端专业级数码相机使用 3CCD 分别感受 RGB 三色光的原因。而 SUPER CCD 通过改变像素之间

7、的排列关系，做到了R、G、B 像素相当，在合成像素时也是以三个为一组。因此传统 CCD 是四个合成一个像素点，其实只要三个就行了，浪费了一个，而 SUPER CCD 就发现了这一点，只用三个就能合成一个像素点。也就是说，CCD 每 4 个点合成一个像素，每个点计算 4 次；SUPER CCD 每 3 个点合成一个像素，每个点也是计算 4 次，因此 SUPER CCD 像素的利用率较传统 CCD 高，生成的像素就多了。 .页眉.页脚回答者： 超超 2008 - 副总裁 十一级 3-16 16:03已解决什么是 CCD 与 COMS悬赏分：10 - 解决时间：2006-3-4 06:06它们之间有

8、什么区别提问者： starzs - 见习魔法师 二级 最佳答案CCD 或 CMOS，基本上两者都是利用矽感光二极体（photodiode）进行光与电的转换。这种转换的原理与各位手上具备“太阳电能”电子计算机的“太阳能电池” 效应相近，光线越强、电力越强；反之，光线越弱、电力也越弱的道理，将光影像转换为电子数字信号。 比较 CCD 和 CMOS 的结构，ADC 的位置和数量是最大的不同。简单的说，按我们在上一讲“CCD 感光元件的工作原理（上）”中所提之内容。 CCD 每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传入 “缓冲器”中，由底端的线路引导输

9、出至 CCD 旁的放大器进行放大，再串联 ADC 输出；相对地，CMOS 的设计中每个像素旁就直接连着 ADC（放大兼类比数字信号转换器），讯号直接放大并转换成数字信号。 两者优缺点的比较 CCD CMOS 设计 单一感光器 感光器连接放大器 灵敏度 同样面积下高 感光开口小，灵敏度低 成本 线路品质影响程度高，成本高 CMOS 整合集成，成本低 解析度 连接复杂度低，解析度高 低，新技术高 噪点比 单一放大，噪点低 百万放大，噪点高 功耗比 需外加电压，功耗高 直接放大，功耗低 由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。CCD 的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通

10、道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；CMOS 的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的资料。 整体来说，CCD 与 CMOS 两种设计的应用，反应在成像效果上，形成包括 ISO 感光度、制造成本、解析度、噪点与耗电量等，不同类型的差异： ISO 感光度差异：由于 CMOS 每个像素包含了放大器与 A/D 转换电路，过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积，因此 相同像素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS 的感光度会低于 CCD。 成本差异：CMOS 应用半导体工业常用的 MOS 制程，可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节

11、省加工晶片所需负担的成本 和良率的损失；相对地 CCD 采用电荷传递的方式输出资讯，必须另辟传输通道，如果通道中有一个像素故障（Fail），就会导致一整排的 讯号壅塞，无法传递，因此 CCD 的良率比CMOS 低，加上另辟传输通道和外加 ADC 等周边，CCD 的制造成本相对高于 CMOS。 .页眉.页脚解析度差异：在第一点“感光度差异 ”中，由于 CMOS 每个像素的结构比 CCD 复杂，其感光开口不及CCD 大， 相对比较相同尺寸的 CCD 与 CMOS 感光器时，CCD 感光器的解析度通常会优于 CMOS。不过，如果跳脱尺寸限制，目前业界的 CMOS 感光原件已经可达到 1400 万 像

12、素 / 全片幅的设计，CMOS 技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难，特别是全片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。 噪点差异：由于 CMOS 每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的 ADC 放大器，虽然是统一制造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单一个放大器的 CCD，CMOS 最终计算出的噪点就比较多。 耗电量差异：CMOS 的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；但 CCD 却为被动式， 必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。

13、而这外加电压通常需要 12 伏特（V）以上的水平，因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使 CCD 的电量远高于 CMOS。回答者：wilstar - 高级经理 六级 2-20 17:38基本上，CCD 或是 CMOS 感光元件都是利用矽感光二极体（pho-todiode）进行光、电的转换。CMOS感光元件与“太阳电能”电子计算机原理大致相同，只要接受光线的强度越强，反应出来的电力也就会越强；相反的，感应器所接收的光线微弱、电力也较弱的道理相似；因此，感光度的好坏，决定了 CMOS 影像的优劣，使用环境光线的强弱影响 CMOS 所能呈现的画质，这也是目前 CMOS

14、感光元件在积极改进之感光元件 CCD 是什么意思悬赏分：0 - 解决时间：2006-12-6 08:24提问者： nbbxd - 见习魔法师 二级 最佳答案CCD（Charge Coupled Device ，感光耦合元件为数位相机中可记录光线变化的半导体，通常以百万像素megapixel 为单位。数位相机规格中的多少百万像素，指的就是 CCD 的解析度，也 代表著这台数位相机的 CCD 上有多少感光元件。 CCD 主要材质为矽晶半导体，基本原理类似 CASIO 计算机上的太阳能电池，透过光电效应，由感光元件表面感应来源光线，从而转换成储存电荷的能力。简单的说，当 CCD 表面接受到快门开启，

15、镜头进来的光线照射时， 即会将光线的能量转换成电荷，光线越强、电荷也就越多，这些电荷就成为判断光线强弱大小的依据。CCD 元件上安排有通道线路，将这些电荷传输至放大解码原件，就能还原 所有 CCD 上感光元件产生的讯号，并构成了一幅完整的画面。此一特性，使得 CCD 通用在数位相机Digital Camera与扫瞄器Scanner上，作为目前最大宗之感光元件来源光电效应简单的说就是，光照射光电管（一旦照射就会有电子放出）使得光电管产生电流信号，主要用于检测器件，光纤通信也要用到。评论者： kickbug - 童生 一级 什么叫光伏效应悬赏分：10 - 提问时间 2006-7-26 19:36我

16、想了解一下该问题 虽然不是生活上的问题 遇到我就想了解一下提问者：匿名其他回答 .页眉.页脚共 4 条早在 1839 年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel) 就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应” ，简称 “光伏效应”。1954 年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。太阳电池工作原理的基础是半导体 PN 结的光生伏打效应，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。即当太阳光或其他光照射半导体的 PN 结时，就会在 PN 结的

17、两边出现电压，叫做光生电压，使 PN 结短路，就会产生电流。 光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。 回答者： ilovereborn - 经理 五级 7-26 19:38光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。 产生

18、这种电位差的机理有好几种，主要的一种是由于阻挡层的存在。以下以 P-N 结为例说明。 热平衡态下的 P-N 结同质结可用一块半导体经掺杂形成 P 区和 N 区。由于杂质的激活能量E 很小，在室温下杂质差不多都电离成受主离子 NA-和施主离子 ND+。在 PN 区交界面处因存在载流子的浓度差，故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间，在 N 区的电子为多子，在 P 区的电子为少子，使电子由 N 区流入 P 区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样在原来是 N 区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的施主离子 ND+形成正的空间电荷。同样，空穴由 P 区扩散到 N 区后，由不能运动的受主离子 NA-形

19、成负的空间电荷。在 P 区与 N 区界面两侧产生不能移动的离子区（也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内电场（称内建电场）此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。 P-N 结能带与接触电势差： 在热平衡条件下，结区有统一的 EF；在远离结区的部位，EC 、EF、E 之间的关系与结形成前状态相同。 从能带图看，N 型、P 型半导体单独存在时，EFN 与 EFP 有一定差值。当 N 型与 P 型两者紧密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，空穴流动的方向相反。同时产生内建电场

20、，内建电场方向为从 N 区指向 P 区。在内建电场作用下，EFN 将连同整个 N 区能带一起下移，EFP 将连同整个 P 区能带一起上移，直至将费米能级拉平为EFN=EFP，载流子停止流动为止。在结区这时导带与价带则发生相应的弯曲，形成势垒。势垒高度等于 N 型、P 型半导体单独存在时费米能级之差： .页眉.页脚qUD=EFN-EFP 得 UD=(EFN-EFP)/q q：电子电量 UD：接触电势差或内建电势 对于在耗尽区以外的状态： UD=(KT/q)ln(NAND/ni2) NA、ND、ni：受主、施主、本征载流子浓度。 可见 UD 与掺杂浓度有关。在一定温度下，P-N 结两边掺杂浓度越高

21、， UD 越大。 禁带宽的材料，ni 较小，故 UD 也大。 光照下的 P-N 结 P-N 结光电效应： 当 P-N 结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因 P 区产生的光生空穴，N 区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有 P 区的光生电子和 N 区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向 N 区，光生空穴被拉向 P 区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在 N 区边界附近有光生电子积累，在 P 区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡 P

22、-N 结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由 P 区指向 N 区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P 端正，N 端负。于是有结电流由 P 区流向 N 区，其方向与光电流相反。 实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设 N 区中空穴在寿命 p 的时间内扩散距离为 Lp，P 区中电子在寿命 n 的时间内扩散距离为 Ln。Ln+Lp=L 远大于 P-N 结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩散距离 L 内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过 L 的电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对 P-N 结光电效应无贡献。 已解决太阳能电池如何做？悬赏分：0

23、 - 解决时间：2005-7-29 10:18太阳能蓄电池技术上如何处理？提问者： joewshie - 试用期 一级 .页眉.页脚最佳答案太阳能电池发电原理： 太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P 型晶体硅经过掺杂磷可得 N 型硅，形成 PN 结。 当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在 PN 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产

24、生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。 晶体硅太阳能电池的制作过程： “硅” 是我们这个星球上储藏最丰量的材料之一。自从 19 世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。20 世纪末，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近 15 年来形成产业化最快的。生产过程大致可分为五个步骤：a、提纯过程 b、拉棒过程 c、切片过程 d、制电池过程 e、封装过程。 太阳能电池的应用： 上世纪 60 年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形

25、式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。参考资料：http:/- - 秀才 三级 7-21 03:01评价已经被关闭 目前有 0 个人评价好50% （0）不好50% （0）对最佳答案的评论可以只是没有提到单晶和多晶硅的制作方法和生产过程评论者： 349922071 - 试用期 一级 为

26、什么要脱硅中的磷,但是后面制作太阳能电池时候又要掺磷, 是不是两种磷在硅中以不容同状态存在,还是另有原因评论者： limengxiong - 试用期 一级 什么是半导体？悬赏分：0 - 解决时间：2007-1-4 16:04在半导体内，是否电流只能单项通过？问题补充：为什么在半导体内会有这种现象？提问者： shengzhan150 - 见习魔法师 二级 .页眉.页脚最佳答案通俗的说是这样,可以理解为只能单项导电 严格的说不是这样,只是反向电阻正常情况下是非常大的 什么是 PN 结 N 型半导体 在硅或锗等本征半导体材料中掺入微量的磷、锑、砷等五价元素，就变成了以电子导电为主的半导体，即 N 型

27、半导体。在 N 型半导体中，电子（带负电荷）叫多数载流子，空穴（带正电荷）叫少数载流子。 P 型半导体 在硅或锗等本征半导体材料中掺入微量的硼、铟、镓或铝等三价元素，就就成了以空穴导电为主的半导体，即 P 型半导体。在 P 型半导体中，空穴（带正电荷）叫多数载流子，电子（带负电荷）叫少数载流子。 PN 结 通过特殊的“扩散”制作工艺，将一块本征半导体的一半掺入微量的五价元素、变成 P 型半导体，而将其另一半掺入微量的三价元素、变成 N 型半导体，在 P 型半导体区和 N 型半导体区的交界面处就会形成一个具有特殊导电性能的薄层，这就是 PN 结，它对 P 型区和 N 型区中多数载流子的扩散运动产

28、生了阻力。 单向导电性 PN 结主要的特性就是其具有单方向导电性，即在 PN 加上适当的正向电压（P 区接电源正极，N 区接电源负极），PN 结就会导通，产生正向电流。若在 PN 结上加反向电压，则 PN 结将截止（不导通），正向电流消失，仅有极微弱的反向电流。当反向电压增大至某一数值时，PN 结将击穿（变为导体）损坏，使反向电流急剧增大。 我们常说的“管子烧了“实际上就是晶体管被击穿,类似 PN 结的效应消失. 这个特性不只利用在二极管中,三极管和其他半导体也是同样有的,只不过除了二极管其他半导体利用的是其他特性而不是单项导电性,例如对电流变化的放大等什么是半导体？有何用？悬赏分：0 - 解

29、决时间：2006-5-14 07:32提问者： hz0324 - 助理 二级 最佳答案当电流通过各种物体时，不同的物体对电流的通过有着不同的阻止能力，有的物体可使电流顺利通过，也有的物体不让其通过，或者在一定的阻力下让它通过。这种不同的物体通过电流的能力，叫做这种物体的导电性能。各种物体均有着不同的导电性能，凡是导电性能很好的物体叫做导体。如银、铜、铝、铅、锡、铁、水银、碳和电解液等都是良好导体。反之，导电能力很差的物体叫做绝缘体。还有，有的物体的导电能力比导体差，但比绝缘体强，这种导体叫做半导体。如常用的晶体管原材料硅、锗等。收音机 CPU 都是半导体 半导体具有一些特殊性质。如利用半导体的

30、电阻率与温度的关系可制成自动控制用的热敏元件（热敏电阻）；利用它的光敏特性可制成自动控制用的光敏元件，像光电池、光电管和光敏电阻等。 .页眉.页脚半导体还有一个最重要的性质，如果在纯净的半导体物质中适当地掺入微量杂质测其导电能力将会成百万倍地增加。利用这一特性可制造各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管等。 把一块半导体的一边制成 P 型区，另一边制成 N 型区，则在交界处附近形成一个具有特殊性能的薄层，一般称此薄层为 PN 结。图中上部分为 P 型半导体和 N 型半导体界面两边载流子的扩散作用（用黑色箭头表示）。中间部分为 PN 结的形成过程，示意载流子的扩散作用大于漂移作用（用蓝色箭头表示，红色箭头表示内建电场的方向）。下边部分为 PN 结的形成。表示扩散作用和漂移作用的动态平衡。