基于半导体技术的像传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，感器数字化影像不仅是颠覆的方科学分析的重要工具，也深入每个人的人类日常生活维纳德 • 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，记录电荷耦合元件，影像或称为ccd图像传感器）而获得当年的像传诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖委员会主席约瑟夫·诺德格伦（joseph nordgren）在宣布该奖项的感器新闻发布会上说：“当今社会的记录影像的方式完全基于ccd的研究。” “这项研究的颠覆的方实际意义是巨大的……它改变了我们的生活，不仅在科学领域，人类而且在整个社会领域。记录”
胶片时代
在1975年数码相机发明以前，影像人们记录影像的像传方式是使用胶片。它的感器工作过程可以概述为：光线经过照相机镜头，然后由快门的颠覆的方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。胶片摄影需要经过复杂的处理才能得到影像
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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芯片结构
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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。两种ccd产品
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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。cmos取代ccd
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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
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不代表中科院物理所立场
来源：中科院半导体所
编辑：荔枝果冻
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