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
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。
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。
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。
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。
（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。
（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。
(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。
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。
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。
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。
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
本文来自微信公众号：中科院半导体所 （ID：bdtdsj），作者：书羽
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