电荷耦合器件

电荷耦合器件（charge-coupled device，CCD)是一种用于探测光的硅片，由时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化，实现存储和传递电荷信息的固态电子器件。

简介

传统的固态电子器件，信息的存在和表示方式，通常是用电流或电压。而在CCD中，则是用电荷，因此CCD对信息的表达，具有更高的灵敏度。固体成像、信息处理和大容量存储器是CCD的三大主要用途。各种线阵、面阵传感器已成功地用于天文、遥感、传真、摄像等领域。CCD信号处理兼有数字和模拟两种信号处理技术的长处，在中等精度的雷达和通信系统中得到广泛的应用。CCD还可用作大容量串行存储器，其存取时间、系统容量和制造成本都介于半导体存储器和磁盘、磁鼓存储器之间。

原理

1969年，美国贝尔实验室的W.S.博伊尔和G.E.史密斯在探索磁泡器件的电模拟过程中，产生了电荷耦合器件的原理设想，并在实验中得到验证。他们提出，紧密排列在半导体绝缘表面上的电容器，可用来储存和转移电荷。初期的CCD存储和转移信号电荷的势阱都位于硅-二氧化硅界面处,即所谓表面沟道CCD。1972年D.康首先设想了多数载流子CCD形式,在此基础上人们研制出体沟道CCD和“蠕动”型CCD的新结构,有效地改善了CCD的性能。1973年美国仙童公司制成CCD摄像传感器，CCD遂从实验室进入工业生产的实用阶段。

CCD的雏形是在N型或 P型硅衬底上生长一层二氧化硅薄层，再在二氧化硅层上淀积并光刻腐蚀出金属电极，这些规则排列的金属-氧化物-半导体电容器阵列和适当的输入、输出电路就构成基本的 CCD移位寄存器。对金属栅电极施加时钟脉冲，在对应栅电极下的半导体内就形成可储存少数载流子的势阱。可用光注入或电注入的方法将信号电荷输入势阱。然后周期性地改变时钟脉冲的相位和幅度，势阱深度则随时间相应地变化，从而使注入的信号电荷在半导体内作定向传输。CCD 输出是通过反相偏置PN结收集电荷，然后放大、复位，以离散信号输出。

电荷转移效率是 CCD最重要的性能参数之一，用每次转移时被转移的电荷量和总电荷量的百分比表示。转移效率限制了CCD的最大转移级数。

体沟道CCD的电荷转移机理和表面沟道CCD略有不同。体沟道CCD又称为埋沟CCD。所谓体沟道即用来存储和转移信号电荷的沟道是在离开半导体表面有一定距离的体内形成。体沟道 CCD的时钟频率可高达几百兆赫，而通常的表面沟道CCD只几兆赫。

固体成像、信号处理和大容量存储器是 CCD的三大主要用途。各种线阵、面阵像感器已成功地用于天文、遥感、传真、卡片阅读、光测试和电视摄像等领域，微光CCD和红外CCD在航遥空感、热成像等军事应用中显示出很大的作用。CCD 信号处理兼有数字和模拟两种信号处理技术的长处，在中等精度的雷达和通信系统中得到广泛应用。

国内情况

中国于1975年研制出32位 CCD移位寄存器。中国的CCD研制工作主要集中于 CCD成像和信号处理。CCD摄像器在航空摄像、遥控、工业自动化等部门已获应用。CCD模拟延迟线和抽头延迟线在雷达和通信设备更新中发挥了重要作用。

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