电荷耦合器件 2009年10月6日，斯德哥尔摩---- 对于数码相机来说，这是一个历史性的时刻。他们的百叶窗打开了几分之一秒，抓住了委员会，把他们梦寐以求的诺贝尔奖授予了发明电子眼的人。如果不是威拉德 · 博伊尔和乔治 · 史密斯的搭档可能会在光敏胶片上模糊光线，然后在黑暗的房间里用栏杆干燥。早在1969年，波义耳和史密斯就发明了电荷耦合器件并预测了其应用，从而开辟了固态器件成像和存储应用的领域。
图1: 电荷耦合器件图像 虽然 Boyle 和 Smith 发明了将光转换为电信号的方法，但如果不是， Albert Einstein 整个研究不可能完成对光电效应的开创性解释。爱因斯坦解释了材料如何吸收入射辐射，最终从表面电子爆炸。波义耳和史密斯研究了这种光的入射是如何引起电子扰动的，以及如何利用它。他们成功地做到了这一点，他们将一些电容器组合成一个构成数字图像像像素的阵列。 最初命名为充电气泡设备，记录了移位寄存器和线性成像设备的操作。它基于类似 bucket-brige Devices 电荷沿着半导体表面从一个电容器转移到另一个电容器。贝尔实验室于1970年成功建造了第一台固态摄像机。1971年迈克尔 · f · 汤姆塞特和贝尔实验室的其他研究人员成功地使用了线阵 CCD 拍摄了图像。此后，德州仪器、飞兆半导体、索尼等多个半导体专业开始投资 CCD 技术。最早的商用 CCD 1974年飞兆公司制造的设备之一，当时是1000 x 大约有500个像素设备 CCD 阵列。基于1976年的第一台 CCD 的间谍卫星 KH-11 KENNAN 卫星发射升空。到1983年，天文望远镜中的 ccd 也开始取代照相底片。像柯达这样的公司从1985年开始生产 CCD 的专业相机，但是到了1995年，高性价比的高分辨率 CCD 相机开始充斥市场。 CCD 可视为电荷转移器件的子集。这些都是基于金属氧化物半导体(MOS)电容器。CCD 采用表面沟和埋沟 MOS 电容器有两种类型，但由于这两种类型的电容器没有氧化物-半导体界面表面不均匀的问题，主要由埋沟电容器制成。注入离子 p 在衬底上形成一个薄的衬底 n 型埋沟。二氧化硅绝缘层生长 n 为了完成电容器，使用区域顶部 CVD 在绝缘二氧化硅顶部放置金属栅或多晶硅栅。将一柱的电荷包与其它柱的电荷包隔离，将热生长的氧化物通道止点平行放置在通道上。
MOS 电容的图像 但是，如果一个 CCD 单元传输电荷只是其他任何东西 MOS 电容器。它对光敏的附加特性使 CCD 独一无二。光子的反应是通过在衬底上生长的掺杂硅的外延层。当光子进入半导体表面时，它们移动电子产生与光照射到半导体表面成正比的电荷。 CCD 单元具有以下四种功能：
- 接收电荷从数组中上方的单元格。
- 保留电力一段时间，不要损失太多。
- 以数组的形式将电荷传递给下面的单元格。 要素及工作范围 主要挑战是宣读这些指控。根据使用的时钟类型，采用多种分组、两相、三相、四相等方案，将电荷包单元通过桶旅传输到单元，保护各分组的完整性。考虑到三相方案，每个社区将有三条控制导线，每条导线将连接到时钟的一个阶段。这些导线控制电势陷阱的高度，沿导线推拉电荷包。对于三阶段方案，每个像素包含一个存储器和两个栅极。每个存储门连接到相同的相位，每个势垒门连接到自己的相位时钟。当第二个栅极进入高电位，第一个栅极进入低电位时，电荷包从一个区域移动到下一个区域。如下图所示。
图3: CCD 中电荷顺序运动的图形 试图使用 CCD 作为存储器件的设备。但不久之后，其他技术被取代，然后 CCD 该设备主要用于扫描、显微镜和摄影。一维数组用于平板扫描仪，每次扫描一行数据，然后读取数据。机械地将数组移动到整个页面上，以创建二维扫描图像。二维数组用于一次捕获整个场景，然后将电荷转移到输出。
图4: 一维数组图像 架构 为了实现 CCD 阵列读出采用三种结构：
图5: 全帧 CCD 结构示意图
- 全帧读出: 整个 CCD 阵列是一个积极的领域。该装置采用机械快门机构，防止光线到达元件，避免电荷沿垂直 ccd 平行传输，然后使用水平 ccd 连续移出时出现擦痕。这个过程很耗时。
图6: 图形图像表示/图表示帧转移 CCD 结构 架构控制 2. 帧转移: 一半的相邻阵列区域用于曝光，另一半不透明。电荷在很短的时间内从有效区域转移到不透明区域，然后从那里读取。这个过程比全帧读取更快，因为在从不透明区域读取电荷的过程中，活动区域可以用来捕获新图像。它还具有减少电荷转移时的污染和光污染的优点。然而，使用双硅面积有一个缺点。 3. 线间传输: 在这种类型的架构中，每个像素都有一个活动区。电荷迅速从光敏光电二极管转移到相邻的垂直 ccd 单元。使用转移周期来隐藏整个图像，使模板速度非常高，模糊度最小。这也有增加硅区的缺点，但现代进步试图通过使用微透明区域的方向，以提高阵列的量子效率。微透镜的使用增加了填充因子，约90% 其他架构没有妥协的速度。 工作 CCD 设备的主要性能参数是速度、灵敏度、分辨率和成本。然而，结构的选择取决于设备的应用程序。虽然天文学需要最大限度地捕捉光线，但价格很少受到限制，建筑全帧读取 CCD 使用设备。但对于快门速度和成本最重要的傻瓜相机来说，线间结构是最受欢迎的。 CCD 阵列只对亮度和颜色敏感。因此，滤波器用于获取彩色图像。彩色图像可以使用拜耳图案或3ccd 用分色镜获得。
图8: 再现拜耳模式的图像 拜耳图案是放置在成像阵列上的特殊颜色网格。人眼对绿色最敏感，四分之二的网格有绿色滤镜。其余由蓝色和红色组成 RGB 颜色模式。数字信号处理器从相邻像素的值中插入两个缺失的颜色。虽然拜耳模式简单便宜，但丢弃信息的图像分辨率是妥协的。此外，光强拜耳模式在使用地点突然变化时创建人工产品。有些相机也可能使用不同的颜色模式来生成颜色。在特定应用中，微扫描技术可以提高分辨率。 二向色分光棱镜将图像分为红色、绿色和蓝色，然后分别射入三个 ccd 在设备上。这比拜耳面具提供了更高的量子效率，因为大多数光被传感器捕获，而不是被面具的中间层吸收。这些设备已用于专业的视频摄像头。 一个 CCD 设备，虽然所有的好特性，但它必须提供太多的缺点。沿着一排多像素耦合的电荷会导致相当大的电荷损失，从而导致衰落。快门控制不正确，或光子过亮 CCD 元件，导致电荷泄漏到相邻像素，导致晕花。
图9: 分色分束棱镜工作图 此外，如果光子在电荷传输过程中由于不正确的时钟锁定而撞击传感器，就会发生以涂片形式的数据丢失。CCD 工作温度的函数通常是设备的灵敏度。随着温度的升高，温度的升高而增加，从而降低了灵敏度。基于每个电子设备，噪声是固有的 CCD 由于光子噪声、暗噪声或读噪声或其组合，信噪比可能会衰减。然而，在这一领域的深入研究取得了积极的成果和许多改进变种的发展。像电子倍增 CCD (emccd)这种装置增加了电影的倍增益，有助于实现单光子探测的灵敏度，而不影响 CCD 在降低成本的同时，结构的分辨率或效率。这些特征是其他典型的昂贵电子轰击 CCD 图像增强器和 CCD 设备。 CCD 成像技术与 CMOS 成像技术 CCD 成像技术与 CMOS 成像技术之间存在着不可分割的竞争。电荷耦合器件(CCD)和 CMOS 成像器件(CMOS)只发明了几年。但由于当时可用制造技术的优越成果，ccd 成为主导。CMOS 该技术侧重于均匀性和较小的特征尺寸，直到20世纪90年代才出现，光刻技术足够先进，可以支持较小的特征尺寸。在此之后，CMOS 从那时起，两种技术都在争夺市场主导地位。众所周知，CCD 传感器可以提供最好的图像质量， CMOS 成像机在芯片上提供了更多的功能和更具吸引力的功能，如更低的功耗，这使得它们在移动电话相机等领域更受欢迎。两者可以在各个方面进行比较，并根据应用程序的要求做出正确的决定。
因为在手机和傻瓜相机中 CMOS 传感器在市场上越来越受欢迎 CCD 市场份额迅速下降，甚至主要用于佳能和索尼 CCD 现在产品行业的骨干也转向了 CMOS 成像器。预计到2014年，超过95% 相机市场将转向 CMOS 传感器。然而，仍然存在并将继续占主导地位，这将继续依赖于 CCD 哈勃空间望远镜天文台是传感器、科学研究和天文学家的最大例子。所以，当 CCD 当光线从地球上消失时，我们仍然需要一个 CCD 观察外界。
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