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2024年6月12日发(作者：)
从诺贝尔奖看CCD的前世今生
熊巍
两位美
凭借着在发明电荷藕合器件图像传感器(charged-coupled device)所做出的贡献，
国科学家维拉·博伊尔（Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（George E. Smith）获得了2009
年的诺贝尔物理学奖。
而我们所熟悉的CCD这个词，更多来自于我们常用的数码产品上，人们把数码相机或
是数码摄像机感光的元器件称为CCD。但就是这么一个不起眼的芯片，却建立在巨大的研发
投入和无数科学家的心血上，而从诞生起它也有40年的不平凡历史了。
在CCD被发明之前，除了利用胶片来记录影像，电视摄像机大都使用摄像管。但是各
种类型的摄像管有很多与生俱来的弊病，在成像质量上，小型化等方面难以满足人们的要求，
毕竟大多数人都不乐于扛着一个“大家伙”拍东西，于是固态影像传感器的需求应运而生，
而CCD就是其中之一。
视像管Vidicon_tube（摄像管的一种）
讲到 CCD的诞生，要提到一位大名鼎鼎的科学家，也就是20世纪最伟大的科学家爱因
斯坦。他成功的解释了光电效应并获得了1921年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦提出了光量
子假说，即光是由一个个光量子组成的，光的能量是不连续的，每个光量子的能量要达到一
定数值，才能从金属表面打出电子来。这解释了光电效应，同时给CCD提供了理论上的铺
垫。爱因斯坦构建了光与电的桥梁，而后来CCD的发明，正是应用了光电效应理论的结果。
单单有了理论基础是不够的，科学家们所遇到的难题是如何在很短的时间内，将传感器
每一个点上因为光照产生变化的大量电信号采集和辨别出来。在当时那个时期，博伊尔和
史密斯都在贝尔实验室工作。
两位科学家从同时在贝尔实验
室研究的影像电话（picture phone）
和半导体气泡式记忆体
（semiconductor bubble memory）
得到启发，把这两种技术结合了起来，
得到了CCD的雏形，这种装置被他
们称做电荷气泡元件。一开始这种元
件是作为存储设备来使用的，但很快
他们想到如果采集的不是简单的电
荷，而是由光由光电效应所产生的，
那岂不是能记录下影像信号？
鲍伊尔和史密斯 这种设想确立了他们的研究方
向，终于在1969年10月17日，他们成功的概括了CCD的基本结构，定义了运行
原理，并给出了包括电路在内的完整设计。
CCD使用密排的MOS电容阵列，利用势阱捕获电子的工作方式。这种MOS结构是在一
块P型或者N型单晶硅上扩展一层二氧化硅，然后再在上面扩散一层射类似光电二极管的
PN结而来的。PN结用于接收光子辐射。在MOS电容阵列的外围扩散不同的绝缘层和沟道，
就形成了密布在单晶硅上的CCD单元。当然组成完整的CCD 集成电路还包括电源与引线。
当光线射入的时候，基于光电
效应，如果光子的能量处于带隙
时，光子通不过晶体，被晶体的
电子吸收。如果拍摄的场景够明
亮，而能量大于CCD单元材料带
隙的光子会被半导体吸收，激发
出光生电子孔穴对。光生多子通
过半导体衬底流走，光生少子却
被表面的深耗尽状态MOS阵列下
P-si--- P型单晶硅 Sio2--- 二氧化硅 G--- MOS门 所形成的一系列势阱（简单来说
势阱形容了MOS存储电荷的能力）俘获并收集起来。这些势阱相互间非常靠近却又互相隔
离，在势阱中积累的光生少子数量上与入射光学图像相应位置的光照大小成正比，这就相当
于感应了该位置的亮度。通过这种方式，光学图像
在CCD的感光单元上被分解为一个个不不等的电
荷包，每个电荷包所描述的就是每个点的亮度信息。
一开始的CCD性能并不出色，因为CCD只感应亮
度信息，而不感应色彩信息，早期的CCD都是记
录黑白灰度图像的，分辨率只有不到1万像素。同
时CCD使用这种间隔栅格化而非胶片模拟连续的
感应方式容易产生摩尔纹。
人们很快认识到了CCD在影像领域的巨大领
域，立刻开展商用化。在1973年第一枚商用CCD 1972年CCD所记录的‘S’ 64像素
由Fairchild Imaging发布，像素为100X100。之后一年，这枚CCD被使用在了一支8英
寸直径的天文望远镜上，并获得了第一张由CCD生成的天文照片。1974年，吉尔阿米李
奥博士设计出CCD的生产线，批量生产变为可能。之后CCD迅速商业化，1975年第一台
CCD平板扫描仪由科斯维尔公司生产发布。
第一枚商用CCD 当时拍摄得到的天文图像
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