介绍了CCD的MOS光敏单元的结构，CCD电荷存储的原理，CCD电荷转移的原理，CCD信号电荷输出知识，介绍声波和电磁波的基本知识，了解声波和电磁波的异同，了解声波和电磁波的波段划分，了解不同波段声波和电磁波的特点和用途。

01、CCD的工作原理

1●CCD的MOS光敏单元的结构

CCD它由几个电荷耦合单元组成。P型（或N半导体为衬底，覆盖一层SiO2，在SiO一层金属电极沉积在表面形成MOS结构。P型MOS光敏单元如图8所示.20所示。这样一个MOS结构称为光敏单元或像素。MOS结构构成阵列，加上输入输出部件，构成CCD器件。

(1)剖面图 (2)结构图 (3)信号电荷势陷阱

■图8.20 P型 MOS光敏单元

2●CCD电荷存储的原理

组成CCD基本单元是MOS电容器，MOS电容器可以储存电荷。如图8所示.20（2）所示，MOS电容器中的半导体是P将衬底接地，在金属电极上施加正电压UG，金属电极板上充满了一些正电荷，电势很高，所以，在P型硅-SiO在界面附近形成一个区域P型硅中的大多数载流子(空穴)排斥表面入地，而对P型硅中的少数载流子（电子）具有吸引力，可容纳电子，因此该区域被称为电子潜在陷阱。在一定条件下，增加的正电压UG电势越大，电势越高，电子势陷越深，容纳的电荷越大。

如果此时有光照射在硅片上，在光子的作用下，半导体硅吸收光子，产生电子空穴对，其中光生电子被电子潜在的陷阱吸收，空穴被排除在潜在的陷阱之外。电子潜在陷阱吸收的光生电子数量与电子潜在陷阱附近的光强成正比，如图8所示.20(3)显示。因此，电子势圈中的电子数量反映了光的强度，即像素的亮度和暗度，即MOS光信号转换为电信号的电容器。

如果将正电压添加到光敏单元阵列的每个单元中UG，然后，整个图像的光信号同时转换为电荷包阵列，从而获得整个图像的电信号。此外，电子势圈中的电子处于存储状态，即使光线停止，也不会在一段时间内丢失，这实现了对光线的记忆。

然而，这种记忆是有时间限制的。随着时间的推移，各单元电子势圈中的电子会慢慢泄漏。足够长时间后，电子势圈中的所有电子都会泄漏。此时，图像将不复存在。

3●CCD电荷转移的原理

为了永久保存拍摄的图像，必须传输各单元电子势圈中的电子数量信息，并通过电子手段保存。CCD需要转移电荷。

由于所有光敏单元共用一个电荷输出端，因此需要电荷转移。为方便电荷转移，CCD设备的基本结构是一系列非常接近彼此的设备MOS这些光敏单元的间距为15~20μm，同一半导体衬底，氧化层均匀连续，相邻金属电极间隔极小。

当电荷转移时，两个相邻金属电极的电压分别为UG1、UG2，UG1

■图8.21 电子转移方向

在电荷转移过程中，持续的光会产生电荷，使信号电荷重叠，图像模糊。为了解决这个问题，在CCD在摄像区与传输区分开，确保信号电荷从摄像区转移到传输区的时间远小于摄像时间。

4●CCD输出信号电荷

CCD如图8所示.22.输出栅OG是CCD阵列末端衬底上的输出二极管。当输出二极管加上反向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲的作用下移动到输出二极管，并由二极管PN在负载下收集结算RL脉冲电流在上面形成Io。通过负载电阻，输出电流与信号电荷成正比RL转换为信号电压Uo输出。

02、常用波简介

1●声波

声体产生的振动在空气或其他物质中的传播称为声波。声波是声音的传播形式，发出声音的物体称为声源。声波是由声源振动产生的机械波，声波传播的空间称为声场。声波在各种介质的帮助下向四面八方传播，声波的质量沿着平衡位置附近的传播方向振动，声波的传播本质上是能量在介质中的传播。除空气外，水、金属、木材等弹性介质也可以传递声波，它们都是良好的声波介质。在真空中，声波不能传播，因为没有弹性介质。在气体和液体介质中，声波通常是纵波；在固体介质中，声波主要是纵波，但也有横波重量。

声音的大小称为音量，与声强和声功有关。声强是指在声传播方向上单位时间内通过单位面积的声能，单位为分贝（dB）。人耳刚能听到的声强是0dB，普通谈话的声音是60~70dB，凿岩机和球磨机的声强为120dB，120感到疼痛的声音强度是120dB。声功率是指声源在单位时间内辐射的总能量。音量与声强和声功率成正比。

声波频率是指波列中质点在单位时间内振动的次数，单位为赫兹（Hz）。声音的音调取决于声源的振动频率。频率越高，音调越高。各种声源的振动频率差异很大，使声波丰富多彩。例如，小鼓的声波频率为80~2000Hz，钢琴的声波频率为27.5~4096Hz，大提琴的声波频率为40~700Hz，小提琴的声波频率为300~10000Hz，笛子的声波频率为300~16000Hz，男性低音的声波频率为70~3200Hz，男高音的声波频率是80~4500Hz，女高音的声波频率为100~6500Hz，普通谈话的声波频率为500~2000Hz。

根据声波频率的不同，声波可个频段，如图9所示.如下所示。频率低于20Hz声波称为次声波；20频率Hz~20KHz之间的声波称为可闻声波；频率为20KHz上述声波称为超声波。

■图9.1 声波频谱图

声波传播的速度因介质而异。通过测量，声波在淡水中的速度为1430m/s，海水速度为1500m/s，钢铁速度为5800m/s，铝的速度是6400m/s，石英玻璃的速度是5370m/s，橡胶的速度只有30~50m/s。

声波传播速度随介质温度、密度和压力的变化而变化。在标准大气压和相对湿度为0的情况下，空气中声波的传播速度为

其中，T是空气温度，单位℃。

根据公式（9.1）计算得，当气温为0℃当声波在空气中以331的速度传播时.45m/s，气温每升高1次℃，声速就增加0.607m/s。常温是指20℃因此，在室温下，空气中声波的传播速度为344m/s。

声波的速度v与频率f、波长λ关系是

超声波能量高，方向单一，穿透力强。次声波频率低，波长长，传播距离长。超声波和次声波都属于声波，传播速度与普通声音相同。

2●电磁波

电磁波是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。电磁波的行进伴随着能量的传输。

电磁场包括电场和磁场的强度E及磁场强度H表示它的特点。根据麦克斯韦电磁场理论，这两部分紧密相连。不断变化的电场会引起磁场，不断变化的磁场也会引起电场。当电磁场的场源随着时间的推移而变化时，电场和磁场相互激励，导致电磁场的运动，从而形成电磁波。电磁场是一种特殊的材料形式，具有质量、能量、动量等一般材料的主要属性。

电磁波与电场方向、磁场方向和传播方向相互垂直，因此电磁波是横向波。当电磁波的能阶跳过辐射临界点时，它以光的形式向外辐射。这个阶段的波体是光子，阳光是电磁波的可见辐射形式。电磁波不依赖介质传播，真空中的传播速度等于光速，c=2.99792458×108m/s≈3×108m/s。

电磁辐射量与温度有关，高于绝对零度的物质或粒子，都有电磁辐射，温度越高，辐射量越大，但是，大多数电磁辐射人眼观察不到，人眼可以看到的电磁波，称为可见光。

频率是电磁波的重要特性，电磁波各个频段的界定如表9.1所示。

 按照频率的顺序，把电磁波排列起来，就是电磁波的波谱图，如图9.2所示。按照从低频到高频的顺序，电磁波主要分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。通常所说的电磁波，就是指无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线，而把X射线、γ射线看成放射性的辐射。X射线又称为伦琴射线，是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时，或电子在原子核电场内减速时所发出的。γ射线是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。

■ 图9.2  电磁波的波谱图

粗略地说，无线电波常用于通信等，微波用于微波炉、雷达等，红外线用于遥控、热成像仪、红外制导等，可见光是大部分生物用来观察世界的基础，紫外线用于医用消毒、验证假钞、距离测量、工程探伤等，X射线用于CT扫描，γ射线用于治疗，或使原子发生跃迁，从而产生新的射线。