CCD CMOS传感器
1、CCD是什么
cmos和ccd都是指的相机内部的传感器，cmos相机和CCD相机是两种常见的图像传感器类型。早期主要以CCD相机为主流。后期技术的发展CMOS 以小功耗，价格低占据主流市场
CCD 相机中的ccd 是指电荷耦合器件，能够将光线变为电荷并将电荷存储和转移
2、CCD历史发展
| 维度 | CCD 传感器 | CMOS 传感器 |
|---|---|---|
| 工作原理 | 电荷耦合，统一读出 | 每个像素独立放大输出 |
| 图像质量 | 画质优异，低光表现好，色彩还原准确 | 早期画质较差，现代已接近 CCD |
| 功耗 | 功耗高，需 12-18V 驱动电压 | 功耗低，可在较低电压下工作 |
| 成本 | 制造工艺复杂，成本高 | 工艺成熟，成本低 |
| 速度 | 读取速度慢，不适合高速连拍 | 读取速度快，支持高帧率 |
| 集成度 | 集成度低，尺寸大 | 集成度高，支持小型化 |
3、CCD的工作原理
第16.01讲 图像传感器技术 1 CCD图像传感器的测量原理_哔哩哔哩_bilibili
CCD 是由若干个电荷耦合单元组成，基本单元是 MOS（Metal-Oxide Semiconductor）光敏元。（通过 MOS 电容实现光信号→电荷信号的转换，再通过电荷耦合转移实现信号读取。）
MOS 光敏元单元结构：以 P 或 N 型半导体为衬底、上面覆盖一层厚度约 120nm 的SiO₂氧化层（SiO₂作为绝缘层功能的核心作用是隔离栅电极与衬底，形成电容结构）、在 SiO₂表面沉积一层金属电极为栅电极（金属层）的三层结构 ，对应 “金属 - 氧化物 - 半导体（MOS）
栅极（Gate Electrode）定义
栅极是 MOS 光敏元（及 CCD 器件）中控制电荷存储与转移的 “电子开关 / 电场控制器”，由沉积在 SiO₂电介质表面的金属或掺杂多晶硅构成（早期用金属，后期多采用掺杂多晶硅，因与硅衬底兼容性更好、工艺更易集成），是 MOS 结构的 “顶层关键电极”。
栅极 “一块一块” 地放置在二氧化硅上面，是由 CCD（电荷耦合器件）的工作原理和电荷转移机制决定的，核心目的是通过分区控制电压，实现电荷的 “定向、有序转移”
- 电荷存储：给某段栅极施加高电压时，会在\(\ce{SiO_2}\)下方的 Si 衬底中形成 “势阱”（可以理解为 “电荷陷阱”），光生电荷会被存储在势阱中。
- 电荷转移：通过控制不同相位电压的时序变化（比如依次升高 / 降低电压），势阱的位置会 “移动”，从而带动电荷从一段栅极下方，转移到下一段栅极下方。
1. 核心作用一：构建 “电荷存储容器”，实现光电信号存储
栅极通过施加正向电压，在下方 SiO₂电介质和半导体衬底之间形成强电场 —— 这个电场会 “推开” 衬底表面的多数载流子（如 P 型衬底中的空穴），形成一个 “耗尽层”（相当于 “空的容器”）。当光线照射衬底时，产生的光生电子（载流子）会被这个电场 “吸” 到耗尽层中存储起来，且存储的电荷量与光照强度成正比（光多我们的电荷就多）。👉 类比：栅极就像 “电容器的上极板”，衬底是 “下极板”，SiO₂是 “极板间的绝缘层”；施加电压相当于 “打开容器的盖子”，让光生电荷能稳定存放在容器里（若不施加电压，电场消失，电荷会快速复合，无法存储）。
2. 核心作用二：控制 “电荷耦合转移”，实现信号读取
CCD 的核心是 “电荷耦合”—— 多个 MOS 光敏元（栅极）按顺序排列，通过依次改变相邻栅极的电压，让前一个光敏元存储的电荷，在电场的 “推动” 下，像 “接力棒” 一样转移到下一个光敏元中，最终传输到信号读出端。
每个景物对光的反射都是不一样的，我们的面阵接受到不同的光线强度，产生不同的电子容量的陷阱，n*M个点，经过放大器，将我们的电信号传递出去， 光的的景物信号变成 电信号的输出，
总结：
CCD（电荷耦合器件）传感器是一种将光信号转换为电信号，并实现信号存储和传输的器件， 其工作原理主要分为光电转换、电荷存储、电荷转移和信号输出这几个过程：
- 光电转换：CCD 传感器由众多 MOS（金属 - 氧化物 - 半导体）光敏元组成，每个 MOS 光敏元相当于一个小型光电转换器。当光线照射到 MOS 光敏元的 P 型硅衬底时，光子的能量被吸收，激发 P 型硅衬底中的原子，使共价键中的电子获得能量挣脱束缚，产生电子 - 空穴对（即光生电荷）。由于栅极施加了正电压，在 SiO₂下方的 P 型硅衬底中形成势阱，带负电的电子被吸引到势阱中，而带正电的空穴被排斥，从而实现光信号到电荷信号的转换。并且，入射光强越强，产生的光生电荷越多；入射光弱，则光生电荷少 ，无光照时无光生电荷。
- 电荷存储：在光信号转换为电荷信号后，电子被存储在由栅极电压形成的势阱中。只要栅极上的电压保持，电子就能在势阱中稳定存储， 不同位置的 MOS 光敏元根据光照强度存储了不同数量的电荷，这些电荷就像是图像的 “数字信息”，等待进一步处理。
- 电荷转移：CCD 传感器中的栅极被分割成多个独立部分，通过对这些栅极施加不同相位的时钟脉冲信号（如 φ₁、φ₂、φ₃ ），可以控制势阱的深度和位置。按照一定的时序改变这些时钟脉冲信号的电压，势阱的位置会发生移动，从而带动存储在势阱中的电荷从一个 MOS 光敏元转移到相邻的 MOS 光敏元， 最终将所有的电荷转移到输出端。
- 信号输出：转移到输出端的电荷，通过输出二极管等结构，被转化为电压或电流信号，然后经过放大、模数转换等处理， 最终形成数字图像信号，供后续的图像显示、存储和处理等操作使用。
概括来讲，CCD 传感器通过 MOS 光敏元实现光电转换与电荷存储，再借助栅极的时钟脉冲信号实现电荷转移，最后将电荷信号转化为可利用的电信号 ，完成从光信号到电信号的完整转换与传输过程。
