CCD 图像传感器 —— 颠覆人类记录影像的方式

基于半导体技术的 CCD 图像传感器改变了人类用胶片记录影像的历史。时至今日，数字化影像不仅是科学分析的重要工具，也深入每个人的日常生活

维纳德・波利（左）和乔治・史密斯（右）在 1969 年发明了 CCD 技术  来源：文献 [1]

2009 年，维纳德・波利（Willard S. Boyle）和乔治・史密斯（George E. Smith）因为发明 CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件，或称为 CCD 图像传感器）而获得当年的诺贝尔物理学奖。

诺贝尔奖委员会主席约瑟夫・诺德格伦（Joseph Nordgren）在宣布该奖项的新闻发布会上说：“当今社会的记录影像的方式完全基于 CCD 的研究。” “这项研究的实际意义是巨大的…… 它改变了我们的生活，不仅在科学领域，而且在整个社会领域。”

胶片时代

在 1975 年数码相机发明以前，人们记录影像的方式是使用胶片。它的工作过程可以概述为：光线经过照相机镜头，然后由快门的速度来决定曝光量的多少。光线使胶片上的银盐产生化学反应，最后在胶片上生成影像的潜影。经过暗房里的冲洗形成影像并制成底片。利用调配将底片显影最终印出。

CCD 的发明

1969 年 10 月，史密斯和波利在贝尔实验室吃午餐时，讨论产生了灵感。午餐后继续探讨，当天就构想出了 CCD 这个无处不在的成像发明。不过，从造出样机到研制出科学家和摄影师都可以使用的实用技术，这条路漫长而艰难。尽管 CCD 后来主宰了天文学领域，但它在刚发明时分辨率非常低，根本派不上实际用场。当时 CCD 的信噪比很差，不大容易看得出它是否会有远大的前程。

第一个 CCD 器件 来源：文献 [4]

第一个 CCD 集成器件  来源：文献 [4]

早期的线性成像 CCD  来源：文献 [4]

在接下来的时间里，成百上千的科学家和工程师努力奋斗，逐步将 CCD 推向实用化，包括美国的仙童 (Fairchild)、柯达泰克 (Tektronix) 和德州仪器 (Texas Instruments，TI)，以及日本的夏普 (Sharp)、索尼 (SONY)、东芝 (Toshiba) 和日本电气 (NEC) 等公司都作出了许多贡献。航天、科学和消费等方面的应用，都得益于为解决 CCD 问题而从不同渠道投入的经费，但是问题还是很棘手，那是一条非常艰苦的发展之路。

CCD 的原理

CCD 是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD 上植入的微小光敏物质称作像素 (Pixel)。像素数越高，面积越大，成像质量就越高越清晰。CCD 上有许多排列整齐的电容，能感应光线、储存信号并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给相邻的图像处理器来形成图像。

MOS 电容器是构成 CCD 的最基本单元，它是金属 — 氧化物 — 半导体（MOS）器件中结构最为简单的。

MOS 电容器  来源：文献 [4]

CCD 的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测：

（1）信号电荷的注入（产生）：在 CCD 中，电荷注入的方式可分为光注入和电注入两类。当光照射到 CCD 硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。

背照式光注入  来源：文献 [8]

所谓电注入就是 CCD 通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷注入到相应的势阱中。电注入常用的有电流注入和电压注入两种方式。

电注入方式  来源：文献 [8]

（2）信号电荷的存储：CCD 工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。

当向 SiO2 表面的电极加正偏压时，P 型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内，形成电荷包（势阱）。对于 N 型硅衬底的 CCD 器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。

电荷存储  来源：文献 [8]

（3）信号电荷的传输（耦合）：CCD 工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。

电荷转移  来源：文献 [7]

三相 CCD 中电荷的转移方式

(a）初始状态；(b) 电荷由①电极向②电极转移；(c) 电荷在①、②电极下均匀分布；(d) 电荷继续由①电极向②电极转移；(e) 电荷完全转移到②电极；(f) 三相交叠脉冲

来源：文献 [8]

（4）信号电荷的检测：CCD 工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。

其中电荷输出类型，主要有三种：1）电流输出；2）浮置栅放大器输出；3）浮置扩散放大器输出。

电荷检测电路  来源：文献 [8]

CCD 工作过程示意图  来源：文献 [6]

CCD 图像传感器是按一定规律排列的 MOS（金属 — 氧化物 — 半导体）电容器组成的阵列。在 P 型或 N 型硅衬底上生长一层很薄（约 120nm）的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的 MOS 电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了 CCD 芯片。

按照像素排列方式的不同，可以将 CCD 分为线阵和面阵两大类。

线阵 CCD 每次扫描一条线，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法实现。线阵 CCD 又分为单沟道线阵 CCD 和双沟道线阵 CCD。

单沟道线阵 CCD：转移次数多、效率低。只适用于像素单元较少的成像器件。

双沟道线阵 CCD：转移次数减少一半，它的总转移效率也提高为原来的两倍。

线阵 CCD   来源：文献 [6]

面阵 CCD：按照一定的方式将一维线阵 CCD 的光敏单元及移位寄作器排列成二维阵列。就可以构成二维面阵 CCD。面阵 CCD 同时曝光整个图像。

帧转移面阵 CCD—— 优点：电极结构简单，感光区面积可以很小。缺点：需要面积较大暂存区。

帧转移面阵 CCD 结构及工作过程  来源：文献 [6]

隔列转移面阵 CCD—— 优点：转移效率大大提高。缺点：结构较为复杂。

隔列转移面阵 CCD 结构及工作过程  来源：文献 [6]

CCD 功能示意图  来源：文献 [7]

CCD 的发展

CCD 的发明具有划时代的意义，它的出现使得人类捕捉信息达 85% 的眼睛这个重要器官得到了极大扩展与延申。

促进 CCD 快速发展主要有三个因素：首先，CCD 的尺寸小，重量轻，消耗功率少，超低噪声，动态范围较大，线性良好，可靠，耐用。第二，这种器件在形状、快速、外形质量和成本方面能与真空管抗衡。第三，空间成像应用需要新的探测器。

20 世纪 70 年代，美国贝尔实验室成功研制了世界上第一只 CCD，它的诞生使成像、摄像等技术呈现一次飞跃。1973 年，仙童公司把 CCD 技术应用于商业领域，制造出第一只商用 CCD 成像器件，这开辟了 CCD 在工业领域的道路。80 年代后期，CCD 在大多数视频应用中取代了电子管。进入 90 年代后，CCD 应用于分辨成像，广泛应用于专业电子照相、空间探测、X 射线成像及其他科研领域。

市场应用的结果证明 CCD 是科学领域的一项重大技术变革。它在被忽视数十年之后，能获得 2009 年的诺贝尔奖可谓实至名归。

变革不停

但是，科学技术的进步一刻也不曾停止。1998 年，CMOS 图像传感器（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Image Sensor，CIS）诞生了。CMOS 的光电信息转换功能与 CCD 的基本相似，区别就在于这两种传感器的光电转换后信息传送的方式不同。CMOS 具有读取信息的方式简单、输出信息速率快、耗电少 (仅为 CCD 芯片的 1/10 左右)、体积小、重量轻、集成度高、价格低等特点。从 2008 年开始，各大厂商都开始逐渐把背照式 CMOS 使用在不同的数码相机产品上。从此，CMOS 图像传感器迅速发展。

科技不断发展，相信在未来的某一天，一定会有更多种类的传感器出现，这也只是时间的问题，到那时我们回望过去，看看我们曾经经历过的胶片时代、CCD 时代和 CMOS 时代，一定会由衷的感叹科技日新月异的飞速发展。

参考文献

• https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2009/summary/

• 张汝京. 半导体产业背后的故事 [M]. 清华大学出版社， 2013.

• 董艺婷. 摄影技术的发展及对当代社会的作用研究 [D].哈尔滨师范大学，2016.

• Smith, G. E. (2009). "The invention and early history of the CCD." Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 607(1): 1-6.

• https://www.microscopyu.com/digital-imaging/introduction-to-charge-coupled-devices-ccds

• https://www.mega-9.com/tech/tech-45.html

• https://specinstcameras.com/what-is-a-ccd/

• 王庆有. 图像传感器应用技术 [M]. 电子工业出版社， 2019.

• https://www.docin.com/p-505990925.html

• http://dc.yesky.com/88/31913588all.shtml