CCD传感器的工作原理

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CCD传感器工作原理

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提问者:wjshao_04- 试用期一级

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您好

电荷藕合器件图像传感器CCD（ChargeCoupled Device）,它使用一个高感光度半导体
材料制成,能把光线转变成电荷,经过模数转换器芯片转换成数字信号,数字信号经过压缩
以后由相机内部闪速存放器或内置硬盘卡保留,所以能够轻而易举地把数据传输给计算机,
并借助于计算机处理手段,依据需要和想像来修改图像。CCD 由很多感光单位组成,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应在组件上,全部感光单位所产生信号加在一起,就组成了一幅完整画面。

CCD

CCD 和传统底片相比, CCD更靠近于人眼对视觉工作方法。只不过,人眼视网膜是由负责光强度感应杆细胞和色彩感应锥细胞,分工合作组成视觉感应。 CCD经过长达35 年发展,大致形状和运作方法全部已经定型。CCD 组成关键是由一个类似马赛克网格、聚光镜片和垫于最底下电子线路矩阵所组成。现在有能力生产CCD 企业分别为:SONY、Philips、Kodak、 Matsushita、Fuji 和Sharp, 大半是日本厂商。

现在关键有两种类型CCD光敏元件,分别是线性CCD和矩阵性CCD。线性CCD用于高分辨率静态摄影机,它每次只拍摄图象一条线,这和平板扫描仪扫描照片方法相同。这种CCD精度高,速度慢,无法用来拍摄移动物体,也无法使用闪光灯。

矩阵式CCD,它每一个光敏元件代表图象中一个像素,当快门打开时,整个图象一次同时曝光。通常矩阵式CCD用来处理色彩方法有两种。一个是将彩色滤镜嵌在CCD矩阵中,相近像素使用不一样颜色滤镜。经典有G-R-G-B和C-Y-G-M两种排列方法。这两种排列方法成像原理全部是一样。在统计照片过程中,相机内部微处理器从每个像素取得信号,将相邻四个点合成为一个像素点。该方法许可瞬间曝光,微处理器能运算地很快。这就是大多数数码相机CCD成像原理。因为不是同点合成,其中包含着数学计算,所以这种CCD最大缺点是所产生图象总是无法达成如刀刻般锐利。

CMOS

互补性氧化金属半导体CMOS（ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor）和CCD一样同为在数码相机中可统计光线改变半导体。CMOS制造技术和通常计算机芯片没什么差异,关键是利用硅和锗这两种元素所做成半导体,使其在CMOS上共存着带N（带–电）和P（带+电）级半导体,这两个互补效应所产生电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而,CMOS缺点就是太轻易出现杂点,这关键是因为早期设计使CMOS在处理快速改变影像时,因为电流改变过于频繁而会产生过热现象。

除了CCD 和CMOS之外, 还有富士企业独家推出SUPERCCD, SUPER CCD 并没有采取

常规正方形二极管,而是使用了一个八边形二极管,像素是以蜂窝状形式排列,而且单位像

素面积要比传统CCD大。将像素旋转45度排列结果是能够缩小对图像拍摄无用多出空间,光线集中效率比较高,效率增加以后使感光性、信噪比和动态范围全部有所提升。

传统CCD中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。SUPERCCD采取蜂窝状八边二极管,原有控制信号路径被取消了,只需要一个方向电量传输路径即可,感光二极管就有更多空间。SUPERCCD在排列结构上比一般CCD要紧密,另外像素利用率较高,也就是说在同一尺寸下,SUPER CCD感光二极管对光线吸收程度也比较高,使感光度、信噪比和动态范围全部有所提升。

那为何SUPER CCD输出像素会比有效像素高呢？我们知道CCD对绿色不很敏感, 所以是以G－B－R－G来合成。各个合成像素点实际上有一部分真实像素点是共用,所以图象质量和理想状态有一定差距,这就是为何部分高端专业级数码相机使用3CCD分别感受RGB三色光原因。而SUPERCCD 经过改变像素之间排列关系,做到了R、G、 B 像素相当,在合成像素时也是以三个为一组。所以传统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 就发觉了这一点,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,所以SUPERCCD像素利用率较传统CCD高,生成像素就多了。

回复者:超超-副总裁十一级3-1616:03

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什么是CCD和COMS

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它们之间有什么区分

提问者: starzs- 见习魔法师二级

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CCD或CMOS,基础上二者全部是利用矽感光二极体（photodiode）进行光和电转换。这种转换原理和

各位手上含有“太阳电能”电子计算机“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

也越弱道理, 将光影像转换为电子数字信号。

输出; 相对地,CMOS 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。

二者优缺点比较

CCDCMOS

设计单一感光器感光器连接放大器

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

因为结构上基础差异,我们能够表列出二者在性能上表现之不一样。CCD特色在于充足保持信号在传输时

不失真（专属通道设计）,透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理,能够保持资料完整性;

CMOS制程较简单,没有专属通道设计,所以必需先行放大再整合各个像素资料。

整体来说,CCD 和CMOS两种设计应用,反应在成像效果上,形成包含ISO感光度、制造成本、解析

度、噪点和耗电量等,不一样类型差异:

ISO感光度差异:因为CMOS每个像素包含了放大器和A/D转换电路,过多额外设备压缩单一像素感光

区域表面积, 所以相同像素下,一样大小之感光器尺寸,CMOS 感光度会低于CCD。
有一个像素故障（Fail）,就会造成一整排讯号壅塞,无法传输, 所以CCD良率比CMOS 低,加上另辟传

输通道和外加ADC等周围,CCD制造成本相对高于CMOS。

解析度差异:在第一点“感光度差异”中,因为CMOS每个像素结构比CCD复杂,其感光开口不及CCD大,

相对比较相同尺寸CCD和CMOS感光器时,CCD感光器解析度通常会优于CMOS。不过,假如跳脱尺寸

,现在业界CMOS感光原件已经可达成1400万像素/全片幅设计,CMOS 技术在量率上优势能够

克服大尺寸感光原件制造上困难,尤其是全片幅24mm-by-36mm这么大小。

噪点差异:因为CMOS每个感光二极体旁全部搭配一个ADC放大器,假如以百万像素计,那么就需要百

万个以上 ADC 放大器,即使是统一制造下产品,不过每个放大器或多或少全部有些微差异存在,极难达

成放大同时效果, 对比单一个放大器CCD,CMOS 最终计算出噪点就比较多。

耗电量差异:CMOS影像电荷驱动方法为主动式,感光二极体所产生电荷会直接由旁边电晶体做放大输出;

但CCD却为被动式, 必需外加电压让每个像素中电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特

（V）以上水平,所以CCD还必需要有更精密电源线路设计和耐压强度,高驱动电压使CCD电量远高

于CMOS。

回复者:wilstar-高级经理六级2-2017:38

基础上,CCD或是CMOS感光元件全部是利用矽感光二极体（pho-todiode）进行光、电转换。CMOS

感光元件和“太阳电能”电子计算机原理大致相同,只要接收光线强度越强,反应出来电力也就会越强;相反,

感应器所接收光线微弱、电力也较弱道理相同;所以,感光度好坏,决定了CMOS影像优劣,使用环境光

线强弱影响CMOS所能展现画质,这也是现在CMOS感光元件在主动改善之

感光元件CCD是什么意思

CCD上有多少感光元件。 CCD关键材质为矽晶半导体,基础原理类似CASIO计算机上太阳能电池,

透过光电效应,由感光元件表面感应起源光线,从而转换成储存电荷能力。简单说,当CCD表面接收到

快门开启,镜头进来光线照射时, 即会将光线能量转换成电荷,光线越强、电荷也就越多,这些电荷就成

为判定光线强弱大小依据。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,就能还原全

部CCD上感光元件产生讯号,并组成了一幅完整画面。此一特征,使得CCD通用在数位相机〈Digital

Camera〉和扫瞄器〈Scanner〉上,作为现在最大宗之感光元件起源

光电效应简单说就是,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,

评论者: kickbug - 童生一级

什么叫光伏效应

悬赏分:10- 提问时间-7-2619:36
我想了解一下该问题即使不是生活上问题

碰到我就想了解一下

提问者:匿名

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共 4 条
早在1839年,法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发觉,光照能使半导体材料不一样部位之间产生电位差。这种现象以后被称为“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试验室首次制成了实用单晶硅太阳电池,诞生了将太阳光能转换为电能实用光伏发电技术。太阳电池工作原理基础是半导体PN结光生伏打效应, 就是当物体受到光照时,物体内电荷分布状态发生改变而产生电动势和电流一个效应。即当太 阳光或其它光照射半导体PN结时, 就会在PN结两边出现电压, 叫做光生电压,使PN 结短路,就会产生电流。

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。光伏发电优点是较少受地域,因
为阳光普照大地;光伏系统还含有安全可靠、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优点。

回复者:ilovereborn- 经理五级7-2619:38

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和金属组合不一样部位之间产生电位差现象。

产生这种电位差机理有好多个,关键一个是因为阻挡层存在。以下以P-N结为例说明。

热平衡态下P-N结同质结可用一块半导体经掺杂形成P区和N 区。因为杂质激活能量ΔE

很小,在室温下杂质差不多全部电离成受主离子NA-和施主离子ND+。在PN区交界面处因存在载流子浓度差,故相互要向对方扩散。设想在结形成一瞬间,在N区电子为多子,在P区电子为少子,使电子由N区流入P区,电子和空穴相遇又要发生复合,这么在原来是N区结面周围电子变得极少,剩下未经中和施主离子ND+形成正空间电荷。一样,空穴由P区扩散到N区后,由不能运动受主离子NA-形成负空间电荷。在P区和N区界面两侧产生不能移动离子区（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）此电场对两区多子扩散有抵制作用,而对少子漂移有帮助作用,直到扩散流等于漂移流时达成平衡,在界面两侧建立起稳定内建电场。

P-N结能带和接触电势差:

在热平衡条件下, 结区有统一EF;在远离结区部位, EC、EF、 Eν之间关系和结形成前状
态相同。
产生内建电场,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

型、P型半导体单独存在时费米能级之差:

qUD=EFN-EFP

得

q:电子电量

UD:接触电势差或内建电势

对于在耗尽区以外状态:

UD=(KT/q)ln(NAND/ni2)

NA、ND、ni:受主、施主、本征载流子浓度。

可见UD和掺杂浓度相关。在一定温度下,P-N结两边掺杂浓度越高,UD越大。

禁带宽材料, ni 较小,故UD 也大。
光照下P-N结

P-N结光电效应:

当P-N结受光照时,样品对光子本征吸收和非本征吸收全部将产生光生载流子。但能引发

因P区产生光生空穴,N区产生光生电子属多

实际上,并非所产生全部光生载流子全部对光生电流有贡献。设N区中空穴在寿命τp时间

内扩散距离为Lp,P区中电子在寿命τn时间内扩散距离为Ln。Ln+Lp=L远大于P-N结本

身宽度。故能够认为在结周围平均扩散距离L内所产生光生载流子全部对光电流有贡献。

而产生位置距离结区超出L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。

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太阳能电池怎样做？

悬赏分:0- 处理时间:-7-29 10:18

太阳能蓄电池技术上怎样处理？

提问者: joewshie- 试用期一级

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太阳能电池发电原理:
经过掺杂磷可得N 型硅,形成P－N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;光子能量传输给了硅原子,使电子发生了越迁,

成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差,当外部接通电路时,在该电压作用下,将会有电流流过外

部电路产生一定输出功率。这个过程实质是:光子能量转换成电能过程。

晶体硅太阳能电池制作过程:

“硅”是我们这个星球上储藏最丰量材料之一。自从19世纪科学家们发觉了晶体硅半导体特征后,它几乎

改变了一切,甚至人类思维。20世纪末,我们生活中四处可见“硅”身影和作用,晶体硅太阳能电池是最近

形成产业化最快。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,在人类不停自

我反省过程中,对于光伏发电这种如此清洁和直接能源形式已愈加亲切,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、村寨供电系统、光伏水泵（饮水或浇灌）、

通信电源、石油输道阴极保护、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。欧美等优异国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地域自然界村落供电系统纳入发展方向。太

阳电池和建筑系统结合已经形成产业化趋势。

参考资料:

回复者:唐建根-秀才三级7-2103:01

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对最好答案评论

能够只是没有提到单晶和多晶硅制作方法和生产过程好

50%（0）

评论者: - 试用期一级

为何要脱硅中磷,不过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- 处理时间:-1-4 16:04

在半导体内,是否电流只能单项经过？

问题补充:为何在半导体内会有这种现象？

通俗说是这么,能够了解为只能单项导电

严格说不是这么,只是反向电阻正常情况下是很大

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磷、锑、砷等五价元素,就变成了以电子导电为主半

导体,即N型半导体。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硼、铟、镓或铝等三价元素,就就成了以空穴导电为

主半导体,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结经过特殊“扩散”制作工艺,将一块本征半导体二分之一掺入微量五价元素、变成P型半导体,而将

其另二分之一掺入微量三价元素、变成N型半导体,在P型半导体区和N型半导体区交界面处就会形成

一个含有特殊导电性能薄层,这就是PN 结,它对P 型区和N型区中多数载流子扩散运动产生了阻力。
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"管子烧了"实际上就是晶体管被击穿,类似PN结效应消失.

这个特征不只利用在二极管中,三极管和其它半导体也是一样有,只不过除了二极管其它半导体利用是其它

特征而不是单项导电性,比如对电流改变放大等

提问者: hz0324 - 助理二级

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当电流经过多种物体时,不一样物体对电流经过有着不一样阻止能力,有物体可使电流顺利经过,也有物

体不让其经过,或在一定阻力下让它经过。这种不一样物体经过电流能力,叫做这种物体导电性能。多

种物体全部有着不一样导电性能,通常导电性能很好物体叫做导体。如银、铜、铝、铅、锡、铁、

水银、碳和电解液等全部是良好导体。反之,导电能力很差物体叫做绝缘体。还有,有物体导电能力比

体

半导体含有部分特殊性质。如利用半导体电阻率和温度关系可制成自动控制用热敏元件（热敏电阻）;利用它光敏特征可制成自动控制用光敏元件,像光电池、光电管和光敏电阻等。

半导体还有一个最关键性质,假如在纯净半导体物质中合适地掺入

把一块半导体一边制成P型区,另一边制成N型区,则在交界处周围形成一个含有特殊性能薄层,通常称此

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扩散作用（用黑色箭头表示）。中

间部分为PN结形成过程,示意载流子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方

向）。下边部分为PN结形成。表示扩散作用和漂移作用动态平衡。