电荷耦合器件CCD的发展史和工作原理

电荷耦合器件（Charge-coupled Device，CCD）归属于集成电路，排列整齐许多电容，能感应光线，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它相邻的电容。CCD广泛应用在数字摄影、天文学，尤其是摄影测量学（photometry）、光学与频谱望远镜，和高速摄影技术如星云成像。

CCD技术发展史

CCD是于1969年由美国贝尔实验室的威拉德·博伊尔（Willard Sterling Boyle）和乔治·史密斯（George Elwood Smith）所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式存储器。将这两种新技术结合起来后，博伊尔和史密斯得出一种设备，他们命名为“电荷‘气泡’组件”（Charge "Bubble" Devices）。

这种设备的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来作为记忆设备，当时只能从寄存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种组件表面产生电荷，而组成数字图像。

1971年，贝尔实验室的研究员已能用简单的线性设备捕捉影像，CCD就此诞生。有几家公司接续此发明，着手进行研究，包括飞兆半导体、美国无线电公司和德州仪器。其中飞兆半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性设备和100x100像素的平面设备。

2006年元月，博伊尔和史密斯获颁电机电子工程师学会颁发的Charles Stark Draper奖章，以表彰他们对CCD发展的贡献。2009年10月两人荣获诺贝尔物理奖（和高锟同一届拿到诺奖）。

CCD的工作原理

在栅电极（G）中，施加正电压会产生势阱（黄），并把电荷包（电子，蓝）收集于其中。只需按正确的顺序施加正电压，就可以传导电荷包。 在一个用于感光的CCD中，有一个光敏区域（硅的外延层），和一个由移位寄存器制成的传感区域（狭义上的CCD）。 图像通过透镜投影在一列电容上（光敏区域），导致每一个电容都积累一定的电荷，而电荷的数量则正比于该处的入射光强。用于线扫描相机的一维电容阵列，每次可以扫描一单层的电容；而用于摄像机和一般相机的二维电容阵列，则可以扫描投射在焦平面上的图像。一旦电容阵列曝光，一个控制回路将会使每个电容把自己的电荷传给相邻的下一个电容（传感区域）。而阵列中最后一个电容里的电荷，则将传给一个电荷放大器，并被转化为电压信号。通过重复这个过程，控制回路可以把整个阵列中的电荷转化为一系列的电压信号。在数字电路中，会将这些信号采样、数字化，通常会存储起来；而在模拟电路中，会将它们处理成一个连续的模拟信号（例如把电荷放大器的输出信号输给一个低通滤波器）。

审核编辑：郭婷