電荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD），又稱CCD圖像傳感器，是一種大規模集成電路光電器件，是在MOS集成電路技術基礎上發展起來的新型半導體傳感器。CCD圖像傳感器集成度高、功耗小，而且具有量子效率高、電荷傳遞性優異、噪聲低等優點，已在天文觀測、工業生產、機器人視覺和數碼相機等領域廣泛應用，尤其是在光學遙測技術、光學與頻譜望遠鏡，以及高速攝影技術如幸運成像中表現突出。
1969年10月，美國貝爾實驗室的科學家威拉德·博伊爾（W. S. Boyle）和喬治·史密斯（G. E. Smith）發明了CCD技術。當時貝爾實驗室正在發展視頻電話和半導體氣泡式存儲器，將這兩種新技術結合后，他們得出一種設備，并命名為“電荷‘氣泡’組件”（Charge"Bubble"Devices）。此后，世界各國大力投入進行研究，CCD圖像傳感器得到了迅猛發展。20世紀70年代初，多家公司陸續開展研究，該階段驅動CCD圖像傳感器發展的主要是天文觀測及航天技術。20世紀80年代開始，CCD圖像傳感器逐漸取代了攝像機中的電子管，CCD圖像傳感器逐漸成為主流的成像技術。到20世紀80年代后期，CCD圖像傳感器應用于相機中開始了迅猛的發展，同時以高清電視節目的出現為契機，推動了CCD圖像傳感器的高分辨率化。進入20世紀90年代后，CCD被大量用于分辨成像，廣泛應用在專業電子照相、空間探測、X射線成像及其他科研領域，20世紀90年代末，CMOS圖像傳感技術趨于成熟，逐漸占領了部分圖像傳感器市場。
進入21世紀后，世界各國仍在CCD工藝技術和應用開發方面投入了大量的人力物力，開展了眾多的研究。但在不久之后，應用CMOS圖像傳感器的相機異軍突起，很快便取代了CCD相機在數碼相機中的主導地位。2008年開始，各大廠商都開始逐漸把背照式CMOS使用在不同的數碼相機產品上，從此，CMOS圖像傳感器迅速發展，CCD在數碼相機上的應用逐漸被CMOS取代。截至2019年，CMOS圖像傳感器已取得了迅猛的增長，在民用消費電子市場中也迅速取代了CCD，市場份額已超過99%。盡管如此，CCD圖像傳感器因其獨特的優點，使其可以捕捉到微弱的信號，能夠提供十分優質的低干擾圖像，仍然在天文觀測、信號檢測、廣播電視、工業監控和測量等領域得到廣泛應用。
發展歷程
起源
1969年10月，基于磁包存儲器的概念以及硅光電二極管的發展，美國貝爾實驗室的科學家威拉德·博伊爾（W. S. Boyle）和喬治·史密斯（G. E. Smith）發明了CCD技術。當時貝爾實驗室正在發展視頻電話和半導體氣泡式存儲器，將這兩種新技術結合后，他們得出一種設備，并命名為"電荷'氣泡'組件"（Charge"Bubble"Devices）。但隨即發現光電效應能使此種組件表面產生電荷，而組成數字視頻。CCD是具備儲存信號電荷后傳輸功能的重要技術，與其同時發明的BBD（Bucket brigade device）也有相似的功能，然而，由于CCD在信號電荷傳輸方面更加完善，尤其適用于圖像傳感器，因此很快就超過了BBD并成為主流。CCD的問世給人們的生活帶來了極大的方便，博伊爾和史密斯也因此在2006年獲得了Charles Stark Draper獎章，以表彰他們對CCD發展的貢獻，并在2009年的10月獲得了諾貝爾物理學獎。
1970年，美國貝爾實驗室成功研制了世界上第一只CCD圖像傳感器。1971年，該實驗室研究員已能用簡單的線性設備捕捉視頻，CCD就此誕生。隨后，包括快捷半導體（蘇州）有限公司（Fairchild 半導體，仙童半導體）、RCA（Radio Corporation of America）以及德州儀器（Texas Instruments）在內的幾家公司陸續開展研究。其中飛兆半導體的產品率先上市，于1974年發表500單元的線性設備和100x100像素的平面設備。
持續發展
最開始驅動CCD圖像傳感器發展的主要是天文觀測及航天技術。美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）規劃的兩個重大項目：大型太空望遠鏡項目（哈勃空間望遠鏡，1965年）以及噴氣推進實驗室為行星成像任務開發固態探測器的項目（1972年），都正好需要CCD技術。1973年，仙童公司首先發布了第一款像素為100×100的商用CCD圖像傳感器，并于一年后安裝在直徑為8英寸的天文望遠鏡上，拍攝了第一張由CCD采集的天文圖片。在這之后，1974年，美國率先研制出了面陣CCD圖像傳感器，同年，吉爾·阿米里奧博士（Gil Amelio）成功設計了CCD的生產線，批量生產的可能性使CCD迅速商業化。
20世紀80年代開始，CCD圖像傳感器逐漸取代了攝像機中的電子管，其中，日本索尼（Sony）于該時期首次推出了具有光電轉換能力的CCD相機，這款CCD相機的分辨率較高，可以直接獲取圖像信息。1981年，使用MOS型圖像傳感器的攝影機出現，緊接著在1982年，使用CCD圖像傳感器的產品也隨之登場，經過激烈的競爭，CCD圖像傳感器逐漸成為主流的成像技術，正式實用化后，許多基本技術也陸續開發出來，包括如何提高畫質、拓展圖像大小等。到20世紀80年代后期，隨著人們對高分辨率和高畫質需求的日益增加，CCD圖像傳感器應用于相機中開始了迅猛的發展，同時，以高清電視節目的出現為契機，推動了CCD圖像傳感器的高分辨率化，也出現了16:9廣角的CCD圖像傳感器。結合應用需要，CCD圖像傳感器曝光控制技術中的電子快門，電子式手震校正技術等重要技術也陸續被提出并普及應用。
進入20世紀90年代后，CCD被大量用于分辨成像，廣泛應用于專業電子照相、空間探測、X射線成像及其他科研領域，百萬級像素的高分辨率CCD相機、用以提高靜止圖像分辨率的蜂窩式CCD相繼問世，CCD正在向以更小的單位面積，更高地成像質量的方向迅速發展。20世紀90年代中期，索尼通過技術改良對CCD上植入了微小鏡片，制造出了Super HAD CCD，CCD感光性增強，提升了成像質量，德國的Vision Components公司也生產了一批體積小、集成度高的CCD工業相機，該相機具有動態范圍小和響應速度快等特點。隨后，索尼公司又分別于1998年、1999年和2003年推出了New Structure CCD、Exview HAD CCD和4 Colour Super HAD CCD，進一步地提高了CCD圖像傳感器的品質。日本的富士公司則致力于研制 Super CCD，1999 年，富士生產出了第一代 Super CCD，采用獨特的八角形光電二極管和蜂窩狀的像素排列方式，改善了CCD圖像傳感器存在的低靈敏度、信噪比等問題，使其具有更廣泛的動態范圍。20世紀90年代末，CMOS（Complementary Metal 氧化物 半導體）圖像傳感技術趨于成熟，逐漸占領了部分圖像傳感市場。
應用現狀
進入21世紀后，隨著數碼相機、手機、航空航天的飛速發展，世界各國在CCD工藝技術和應用開發方面投入了大量的人力物力，開展了眾多的研究。在研究如何使CCD圖像傳感器尺寸縮小、高度集成于便攜設備的同時，也在考慮擴大光敏面、提高靈敏度，保證在弱光環境下得到的圖片或影像依舊有較高的質量，從而拓寬CCD應用范圍的上下限等。在該階段，CCD成像技術的研制主要以美國、日本、德國、加拿大等國家為主，索尼、三星電子、安森美、德州儀器、Dalsa等公司擁有全球CCD圖像傳感器市場的主要份額。彼時，CCD相機是數碼相機中的主流，可好景不長，應用CMOS圖像傳感器的相機在進入21世紀后異軍突起，很快便取代了CCD相機在數碼相機中的主導地位。
新發展起來的CMOS的光電信息轉換功能與CCD的基本相似，區別就在于這兩種傳感器的光電轉換后信息傳送的方式不同。CMOS具有讀取信息的方式簡單、輸出信息速率快、耗電少（僅為CCD芯片的1/10左右）、體積小、重量輕、集成度高、價格低等特點。2008年開始，各大廠商都開始逐漸把背照式CMOS使用在不同的數碼相機產品上，從此，CMOS圖像傳感器迅速發展，CCD在數碼相機上的應用逐漸被CMOS取代。截至2019年，CMOS圖像傳感器已取得了迅猛的增長，在民用消費電子市場中也迅速取代了CCD，市場份額已超過99%。盡管如此，由于CCD圖像傳感器具有量子效率高、電荷傳遞性優異、噪聲低、像素小等優點，使其可以捕捉到微弱的信號，能夠提供十分優質的低干擾圖像，仍然在天文觀測、信號檢測、廣播電視、工業監控和測量等領域得到了廣泛的應用。同時，CCD對紅外線的敏感度較高，若未加裝紅外線濾鏡，可能會拍到遙控器發出的紅外線。
常用分類方式
按像素結構分類
CCD圖像傳感器按照像元排列方式的不同，可以分為線陣列CCD圖像傳感器和面陣列CCD圖像傳感器兩種類型。
線陣列CCD：線陣CCD圖像傳感器由排成直線的MOS光敏元陣列、轉移柵和讀出移位存器三部分組成。光敏元陣列曝光一段時間后，把光信號轉化為電荷信號，再通過轉移柵的控制，將一幀圖像所對應的電荷包從光敏區轉移到移位寄存器中，最后移位寄存器在驅動時鐘的作用下，將各光敏元的電荷信號按位輸出獲得所需要的光電信息。線陣CCD用于高分辨率的靜態照相，它每次只拍攝圖象的一條線，通過載體的推進完成一幅圖像的拍攝，這種CCD精度高，但是速度慢，無法用來拍攝移動的物體，主要用在傳真、掃描儀、照相偵查衛星等，還可進一步分為單通道線型CCD和雙通道線型CCD。
面陣列CCD：線陣CCD圖像傳感器只能在一個方向上實現電子自掃描，為獲得二維圖像，人們研制出了在兩個方向上都能實現電子自掃的面陣CCD圖像傳感器，面陣CCD圖像傳感器由感光區、信號存儲區和輸出轉移部分組成，并有行間轉移式、 幀轉移式和全幀式等多種結構形式。面陣CCD的象元排列為一個平面，它包含若干行和列的結合，由于其一次能完成一幅圖像的拍攝特性，主要應用于數碼相機和攝像機中。
按溝道類型分類
CCD按照電荷轉移溝道可分為表面溝道電荷耦合器件（surface Charge Coupled Device，SCCD）和體內溝道電荷耦合器件（Body Charge Coupled Device，BCCD）兩種類型。
表面溝道CCD：表面溝道CCD是一種傳統的CCD結構，其中轉移溝道位于器件的表面。它的優點是制作工藝相對簡單，成本較低，信號處理容量大，適用于需要處理大量信號的應用。但由于界面態的存在，轉移效率和精度相對較低，適用于低速和低精度要求的應用場景，一般在像元數目較少的情況下采用。
體內溝道CCD（埋溝CCD）：體內溝道CCD是一種改進的CCD結構，通過離子注入和外延技術，在氧化層下的半導體表面附近設置一淺n層，將轉移溝道置于遠離界面的體內，克服了界面態對信號電荷轉移的影響，提高了轉移效率和精度，同時降低了噪聲水平，適用于低光照環境下的應用需求，但其容量相對較小，可以應用于像元數目較多的器件。
其他分類方式
除此之外，CCD圖像傳感器還有一些其他分類方式，如按光譜分類，可分為可見光CCD、紅外CCD、X射線CCD和紫外光CCD，其中可見光CCD又由黑白CCD、彩色CCD和微光CCD構成；如按照受光方式分類，CCD可分為正面光照式（正照式）和背面光照式（背照式）兩種。
常見應用領域
數碼相機領域
在數碼相機領域，CCD圖像傳感器是最常用的傳感器之一，其能將光學信號轉換成能被計算機存取的數字信號，使攝影測量真正進入全數字攝影測量時代。在數碼相機中，CCD圖像傳感器通常被安裝在相機的前端，以捕捉通過鏡頭進入的光線，一旦光線被傳感器捕捉到，它們就會被轉換成數字信號，并傳送到相機的圖像處理器中進行處理和壓縮。CCD圖像傳感器在數碼相機中的應用優勢包括高分辨率、高靈敏度、低噪聲、低成本等，該器件通過逐級傳輸電荷生成連續電信號，支持拜爾濾鏡或3CCD系統實現彩色成像，其光效率可達70%（能捕捉到70%的入射光），優于傳統軟片的2%。采用CCD數碼相機進行攝影測量不僅可以提高影像獲取、存儲以及處理效率，而且減少了基于軟片攝影測量的相片沖洗、壓平誤差，提高了作業精度，在數碼相機領域發揮著重要作用。
天文觀測領域
科學級CCD在天文觀測領域的應用具有重要意義，其具有的高量子效率使得天文觀測能夠探測到更暗的星體，而寬光譜響應范圍有利于對不同波長的天體進行觀測。此外，CCD在天文學方面有一種奇妙的應用方式，能使固定式的望遠鏡發揮有如帶追蹤望遠鏡的功能。方法是讓CCD上電荷讀取和移動的方向與天體運行方向一致，速度也同步。此外，科學級CCD的低讀出噪聲和高分辨率提供了優越的圖像質量和細節捕捉能力，并且通過拼接技術，還可以擴展成具有極高分辨率的CCD陣列，其實時處理能力也幫助提高了觀測效率，為現代天文學的研究和發展帶來了革命性的進展。
工業生產領域
CCD圖像傳感器在工業生產領域的應用很廣泛，它具有高分辨率、高靈敏度、較寬的動態范圍和可視化檢測能力等優勢，尤其適用于自動控制、自動檢測和圖像識別技術，可以實現精準的測量和快速的缺陷檢測。通過結合自動化技術和圖像處理算法，CCD圖像傳感器能夠提高工業生產的效率和質量水平。同時，CCD工業內窺鏡的電視攝像系統可以在難以直接觀察的區域提供清晰、明亮且放大的圖像，幫助檢查人員進行精確的檢查和判斷，在工業質量控制、測試及維護中正確地識別裂縫、應力、焊接整體性及腐蝕等缺陷，確保產品的一致性，實現高效的質量控制。
機器人視覺領域
機器人視覺中廣泛采用的非接觸的固態陣列探測器是CCD器件，利用CCD器件制成固態攝像機用于工業機器人的視覺系統中，作為機器人的視覺，可監控機器人的運行。機器視覺系統中的CCD圖像傳感器通過光學鏡頭感應并聚焦反射光線，將信號數字化后傳輸到計算機，由視覺算法對數據進行處理，并將結果顯示在人機交互上，同時傳送給機器人控制系統。該系統可以實現自動傳送、物體識別、位置確定和取向分析等功能，使機器人能夠跟蹤和抓取物體，并將其送往指定地點，這種自動化應用可以提高生產效率和質量，減少人力成本。
組成結構
CCD是一種由光敏單元、轉移結構、輸出結構組成的金屬氧化物半導體（Metal 氧化物 半導體，MOS）集成電路器件，其基本功能是以電荷作為信號，進行電荷的存儲和電荷的轉移。其中，光敏單元是CCD中注入信號電荷和存儲信號電荷的部分；轉移結構的基本單元是MOS結構，它的作用是將存儲的信號電荷進行轉移；輸出結構是將信號電荷以電壓或者電流的形式輸出的部分。MOS電容器（光敏元）是構成CCD的最基本單元，CCD即是在半導體硅平面上制作成百上千個光敏元，一個光敏元又稱作一個像素，光敏元在半導體硅平面上按線陣或面陣有規則地排列。
在P型或N型硅基體上生長一層很薄（約1200?）的二氧化硅作為絕緣層，再在二氧化硅薄層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅形成電極，稱為柵極。柵極和P型（或N型）硅村底形成了規則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管構成了CCD電荷耦合器件芯片，其中每一個MOS電容器實際上就是一個光敏元件。因為它們靠的很近，所以它們之間可以發生耦合，這樣，被注入的電荷就可以有控制地從一個電容移位到另外一個電容，這樣的轉移過程，實際上是電荷耦合的過程，所以CCD被稱作是電荷耦合器件。
工作原理
CCD作為一種半導體器件，能夠把光學影像信號轉化為數字信號。CCD上有許多排列整齊的MOS電容，能感應光線、儲存信號并將影像轉變成數字信號，經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給相鄰的圖像處理器來形成圖像，其基本工作過程主要是信號電荷的產生（光電轉換）、存儲、轉移和檢測（輸出）。
電荷產生
在CCD中，電荷注入的方式可分為光注入和電注入兩類，應用較廣的是光注入。當MOS器件受到入射光的輻照時，會在半導體區域通過光電效應產生大量的光生電子，隨后電子會與陸續到來的光子進行能量交換，當自由電子吸收了足夠的能量后會向高能級躍遷，進而形成電子-空穴對，外加電場驅使下，電子空穴對將分別向電極兩端移動，產生光生電荷，同時根據半導體區域的摻雜分布可知，電子存儲于半導體的N型區域，空穴存儲于半導體的P型區域。
電荷儲存
半導體材料中信號電荷的載流子可以是帶正電的空穴，也可以是帶負電的導帶自由電子。一般來講，CCD圖像傳感器利用的信號電荷載流子為帶負電的電子具有被正向電壓（高電勢）?所吸引的性質。因此可以在像素結構內，采用制造出高于周圍電勢的高電勢阱的方法來存儲光電轉換得到的信號電荷，直到傳感器完成電荷的轉移動作。
以表面溝道型MOS電容器為例，由金屬材料構成的表面電極被施加了正電壓，由硅材料構成的半導體基板的底部接地。受此電壓的影響，半導體基板表面中位于金屬電極下部區域的電勢將增高?；灞砻娴脑摳唠妱輩^域被周圍的低電勢區域包圍，從而形成了可以存儲帶負電電子的電勢阱。由于半導體基板與金屬表面電極之間存在絕緣層（多為氧化物，又稱氧化物層），經過光電轉換產生的信號電荷無法流向金屬表面電極，從而存儲在該電勢阱內。
電荷轉移和檢測
CCD工作過程的第三步是信號電荷的轉移，就是將所收集起來的信號電荷從一個像元轉移到下一個像元，直到全部電荷輸出完成，該部分是由一系列緊密排列的MOS電容器構成。加在MOS電容器上的電壓越高，產生的電子勢阱越深，即MOS電容器能存儲的電荷量更大；當一排MOS電容器上加不同大小的脈沖電壓時，各MOS電容器形成的電子勢阱深度各不相同。MOS電容的間距足夠小，相鄰MOS電容的勢阱會相互耦合，通過控制柵上的信號，電荷將由淺勢阱向深勢阱轉移。
電荷檢測的作用主要是將CCD最后一個轉移柵下勢阱中的信號電荷傳給一個電荷放大器，并被轉化為電壓信號，送給后續電路處理。根據輸出方式的不同，可以分為電流與電壓兩大類，而電壓類中又可分為浮置擴散放大器（Floating Diffusion Amplifier，FDA）與浮置柵極放大器（Floating Gate Amplifier，FGA）兩種方式，比較常用的是浮置擴散放大器讀出。
CCD和CMOS的區別
CCD（Charge-Coupled Device）和CMOS（Complementary Metal-氧化物半導體）是兩種不同類型的圖像傳感器，它們在相機和攝像設備中扮演著關鍵的角色，CMOS和CCD在工作原理、電路結構、數據輸出速度、耗電量、噪聲特性等方面都有著一定的差異。
作為圖像傳感器領域的兩大不同陣營，CMOS圖像傳感器和CCD圖像傳感器在性能表現上有各自的優缺點，下表給出了其部分性能的比較。
性能指標
CCD圖像傳感器具有多個性能指標，包括像素數、幀率、靶面尺寸、感光度、電子快門和信噪比等，其中像素數和靶面尺寸是最重要的指標之一。
像素數：像素數表示CCD圖像傳感器上感光元件的數量。可以將攝像機拍攝的畫面看作由許多小點組成，每個點即為一個像素，更多的像素數意味著更清晰的畫面。因此，理論上CCD圖像傳感器的像素數越多，畫面的清晰度就會越高。然而，增加像素數也會導致制造成本上升和成品率下降。
幀率：幀率代表單位時間內記錄或播放的圖片數量。當連續播放一系列圖片時，會產生動畫效果。根據人類的視覺系統，當幀率超過15幀/秒時，人眼基本無法察覺到圖片的跳躍；達到24~30幀/秒時，閃爍現象基本不可察覺。每秒的幀率表示圖像傳感器在處理圖像時每秒能夠更新的次數，高幀率可以得到更流暢、更逼真的視覺體驗。
靶面尺寸：靶面尺寸指的是圖像傳感器感光部分的大小，通常用英寸（in，1in=2.54cm）來表示，類似于電視機，常見的表示方式是對角線長度，如1/3in。靶面尺寸越大，通光量越大，而靶面尺寸越小，則更容易獲得更大的景深。例如，1/2in可以有較大的通光量，而1/4in則更容易獲得較大的景深。
感光度：感光度反映了CCD和相關電子電路對入射光強弱的感應能力。感光度越高，感光面對光的敏感度就越高，快門速度也越快，這在拍攝運動車輛、夜間監控等場景中尤為重要。
信噪比：信噪比是指信號電壓與噪聲電壓的比值，通常以分貝（dB）為單位表示。攝像機通常在AGC關閉時給出信噪比數值，因為當AGC開啟時，會提升小信號，導致噪聲電平也相應增加。一般來說，信噪比的典型取值范圍在45~55dB之間。如果信噪比為50dB，圖像可能有少量噪聲，但整體質量良好；若為60dB，則圖像質量優秀，幾乎沒有噪聲。信噪比越高，表明對噪聲的控制效果越好。
參考資料 >
CCD圖像傳感器——顛覆人類記錄影像的方式.中科院物理所.2023-12-06
CCD相機、CD光盤……這些紅極一時的數碼產品有了“接班人”.今日頭條.2023-12-06
CMOS圖像傳感器市場飛速增長 產業鏈公司望持續受益.今日頭條.2023-08-15
CCD傳感器用途.電工學習網.2023-12-06