Датчики изображения на основе CCD

Любой твердотельный датчик изображения состоит из массива элементарных ячеек - пикселей.

Для пояснения принципа работы датчика на основе простейшего CCD на рис.1 схематически показано устройство одного пикселя в режиме накопления.

Структура состоит из кремниевой подложки p-типа, изолирующего слоя двуокиси кремния и располагающихся на нём электродов. Основными носителями заряда в такой подложке являются положительно заряженные дырки. При подаче положительного потенциала на один из электродов (+V) под ним образуется область, обедненная основными носителями. На остальных электродах потенциал в этот момент равен нулю (0V).

В основу работы элемента CCD положено явление внутреннего фотоэффекта. Когда фотон проникает в кремний, происходит генерация пары носителей заряда - электрона и дырки. Под действием положительного потенциала (+V) дырка отталкивается вглубь кристалла, а под соответствующим электродом за счёт сил электростатического поля скапливаются неосновные носители заряда - электроны.

По завершении накопления заряда происходит его перенос в область хранения, путём последовательной подачи напряжения на следующие друг за другом электроды. В случае если элементы организованы в виде двумерного массива, перенос производится сразу целыми строками. Из области хранения заряды последовательно поступают в выходной усилитель, осуществляющий также преобразование заряда в напряжение, а затем в аналого-цифровой преобразователь.

Современные CCD-матрицы имеют под окислом кремния тонкий n-слой, т.н. объёмный канал переноса. Его наличие позволяет частично избавиться от влияния дефектов приповерхностного слоя полупроводника, что улучшает четкость получаемого изображения и снижает величину темнового сигнала. Кроме того, многие производители (например, Atmel Grenoble) для предотвращения эффекта растекания заряда при очень большой освещенности, используют антибликовое покрытие (antiblooming). Оно наносится на подложку матрицы и позволяет поглощать "лишние" фотоны, повышая чёткость изображения на верхней границе динамического диапазона.

Изготовлением датчиков на основе CCD на сегодняшний день занимаются многие ведущие производители - Texas Instruments, SONY, ATMEL, SAMSUNG, SHARP и др. На рис. 2 представлен CCD-датчик фирмы ATMEL, а в таблице 1 отражены основные характеристики некоторых производимых в настоящее время CCD-матриц.

Основные характеристики CCD-датчиков изображения различных производителей.