CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合器件，可以称为CCD图像传感器。
（一）CCD器件的结构
CCD的基本结构是在P型或N型半导体硅衬底上生长一层约100nm厚的二氧化硅（SiO2）绝缘层，再在绝缘层上依一定排列方式沉积一组金属铝电极（栅极G），构成金属—氧化物—半导体结构的有序阵列，如图3-9所示。
图3-9 CCD的基本结构
CCD的基本单元：一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器（简称MOS结构）。CCD线阵：由多个像素（一个MOS单元称为一个像素）组成。
在金属铝电极上加电压以前，P型半导体中空穴（多数载流子）为均匀排列，加上正电压时，在电极和硅衬底之间产生电场，使多数载流子（空穴）向衬底移去，使电极下的硅衬底区域形成一个没有空穴的带负电的区域，称为耗尽区（耗尽层），由于电子在这里势能最小，故称为电子势阱。电子势阱的深线与附加电压有关，电压越高，耗尽层越厚，电子势阱越深，吸收的电子越多，如图3-10所示，图中Uth为阈值电压。
图3-10 栅极电压与耗尽区
CCD单元能够存储电荷包，其存储能力可通过调节UG而加以控制，如图3-11所示。
图3-11 栅极电压与势阱深度
（二）CCD器件的工作过程
1.信号电荷的注入
一个CCD摄像器件的感光面上有几十万个铝电极，对应几十万个像素和势阱。当景物在感光面上成像时，光敏材料受光照射后激发产生电子空穴对，空穴被排斥后，电子则作为反映光的载体——电荷包被收集、注入势阱中，完成光电转换过程。势阱中电荷包内电荷数量的多少与对应像素的亮度和积累的时间成正比。
2.信号电荷的转移
图3-12 二相时钟驱动
势阱内电荷包是通过相邻MOS单元结构上VG的变化来实现的。相邻的VG所加的有规律的脉冲电压，称之为时钟驱动。利用势阱内电荷包有向势阱更深处移动的特性，有规律的改变驱动电压的高低，可使电荷包按要求转移。
通常有二相时钟驱动、三相时钟驱动和四相时钟驱动等方式。
二相时钟驱动如图3-12所示。
每个电极有两个厚度不同的绝缘层，在同一电压下，左边绝缘层厚的部分其势阱浅，右边绝缘层薄的部分其势阱深，如果有电荷存储，都会存储在势阱深的地方。每两个电极为一个像素，其驱动时钟为相位差180°的二相时钟脉冲。
在信号电荷积累期间（t1前），V1为高电位，V2为0电位，电荷存储在电极1、3、……右边的深势阱内。在t1～t2时间内，V2的电位逐渐升高，V1的电位逐渐降低，在电极1、3、……下的电荷只能向右转移到2、4、……电极的深势阱内，因为电极1、3、……左边的势阱始终比右边浅。t2～t3为保持期。在t3～t4时间内，V2的电位逐渐降低，V1的电位逐渐升高，电荷向右转移到1、3、……电极的深势阱内，移动了一个像素的距离。
二相时钟驱动的优点是时钟脉冲形成电路简单，电荷包转移速度快；缺点是势阱内可存储的电荷量较少，且不能做到双向转移。
三相时钟驱动如图3-13所示。
图3-13中，相邻的电极每三个为一组（对应一个像素），三个电极分别加上三相时钟V1、V2、V3，它们的相位各差120°（即1/3T）。在t1～t2时间，V1为高电压，V2、V3为低电压，称为电荷积累期，电荷都存储在电极1下面。在t2～t3时间，V2变为高电位，V1逐渐变为低电压，电荷转移到电极2下面。在t3～t4时间，电荷保持在电极2下面。在t4～t5时间，V3变为高电压，V2逐渐变为低电压，电荷转移到电极3下面。在t5～t6时间，电荷保持在电极3下面。在t6～t7时间，V1变为高电压，V3逐渐变为低电压，电荷转移到下一组（下一个像素）的电极1下面，重复t1～t7的过程，实现了电荷转移。t1～t7为时钟重复周期，每经过一个时钟周期，电荷转移了一个像素位置。
三相时钟驱动的优点是改变驱动脉冲相位就可以改变转移方向，能实现双向转移。
图3-13 三相时钟驱动
图3-14 四相时钟驱动
为了让每个CCD单元一场读出一次，并实现隔行扫描，CCD器件通常在输出奇数场信号时，将一帧中的第一行和第二行合并作为奇数场的第一行输出，将第三行和第四行合并作为奇数场的第二行输出，……，以此类推；在输出偶数场信号时，将第二行和第三行合并作为偶数场的第一行输出，将第四行和第五行合并作为偶数场的第二行输出，……，以此类推。四相时钟驱动可以完成隔行扫描的信号输出。
四相时钟驱动如图3-14所示。
为简单起见，图中只画出一列中的几个像素，垂直方向每两个电极为一个像素。
在电荷积累期间，V1、V3为高电位，V2、V4为低电位，电荷包在1、3的势阱里。当奇数场开始电荷转移时，在V1、V2、V3、V4的控制下，转移过程如下（以第三、第四行为例）。
V1、V2、V3为中电位，1、3电极下的电荷平分在1、2、3电极下，完成第三、四行合并。(www.xing528.com)
V2、V3为高电位，V1、V4为低电位，合并的电荷转移到2、3电极下。
V2、V3、V4为中电位，电荷平分在2、3、4电极下。
V3、V4为高电位，V1、V2为低电位，电荷转移到3、4电极下。
V3、V4、V1为中电位，V2为低电位，电荷平分在3、4、1电极下。
V4、V1为高电位，V2、V3为低电位，电荷转移到4、1电极下。
V4、V1、V2为中电位，电荷平分在4、1、2电极下。
V1、V2为高电位，V3、V4为低电位，电荷转移到下一个像素1、2电极下，完成第三、四行合并和第一行转移。
同样，在四相时钟驱动下也可完成偶数场的信号输出，只是在开始电荷转移时，相位和奇数场差180°而已。
可见，CCD器件不仅可以完成光电转换，而且也相当于是数字电路中的移位寄存器，但它转移的不是“0”或“1”，而是电荷数量不等的模拟信号。
CCD感光单元电荷积累的时间有场积累（我国标清为20ms）和帧积累（我国标清为40ms）两种。在帧积累方式中，每个感光单元的电荷一帧读出一次，奇数场时只有奇数行感光单元的电荷转移出去形成奇数场信号，偶数场时只有偶数行感光单元的电荷转移出去形成偶数场信号；在场积累方式中，每个感光单元的电荷一场读出一次，它在四相时钟驱动下完成相邻行电荷的合并，实现隔行扫描。显然，帧积累的垂直分解力高，但由于电荷积累时间长（相当于照相机快门时间过长一样），在拍摄活动图像时会变模糊（惰性增大），适合于拍摄静止图像。不过，在帧积累的基础上配合1/50s（20ms）的电子快门，就能解决惰性问题。场积累需将相邻两行的电荷合并，结果使垂直分解力下降，但不需电子快门配合就能减小惰性，提高活动图像的清晰度。
3.信号电荷的输出
每个像素下面势阱内的电荷包转移后，需要按顺序向外电路输出，并转换成信号电流或电压，再由外电路放大或处理。
电荷包转移到最后一个MOS单元结构后，常用反偏二极管CCD输出，如图3-15所示。
图3-15 信号电荷的输出
图中，在电荷转移的最后一个电极V3之后由集成电路工艺生成一个输出栅OG，在其后对二氧化硅绝缘层再开一个窗口，并向窗口表面下浸入N材料，使P型材料衬底间构成一个反偏二极管，作为输出二极管。输出栅上加的电压VOG为恒定值，等于时钟脉冲电压高低电平的平均值；反偏二极管上加的电压V+比较高，故其耗尽层比较厚。当V3电极处于高电平而电荷包转移到其势阱内后，下一个时钟脉冲使V3变成低电平而VOG高于V3，所以电荷包转移到OG电极下的势阱内。又因OG电极旁有更深的反偏二极管势阱存在，故其电荷包立即通过OG下的通道流入二极管的深势阱中。进入二极管的电子电荷都通过电容C流入电源V+，使电容C瞬间充电，充电量大小与瞬间电荷包的电量成比例，从而在电容C下端输出一个负脉冲，脉冲幅度正比于相应像素上的光通量，光通量愈大，负脉冲也愈大。图3-15中输出端输出的是负极性、离散的图像信号脉冲。在输出每个负脉冲后，复位开关S闭合，这时电容C立刻释放掉充进的电荷，即输出电位跳变到V+位，以便接受下一个电荷包再充电。电容C下端的输出电压直接连接至该CCD硅片内的一个MOS场效应管栅极上，以将输出电压进行放大。复位开关S也是一个MOS场效应管，工作在通断状态，可称为复位管。输出栅OG实际上起到了将V3电极与二极管隔离开的缓冲作用。
（三）CCD器件的主要类型
目前CCD摄像机中采用的CCD器件有三种类型：行间转移式（IT）CCD、帧转移式（FT）CCD和帧行间转移式（FIT）CCD。
下面分别介绍。
1.行间转移式（IT）CCD
行间转移式（IT）CCD结构如图3-16所示。图中表示具有n=6行×4列=24个感光单元的阵列结构，每列右侧有遮光的垂直移位寄存器，最后一行下面有遮光的水平移位寄存器，它们都被制作在同一个硅衬底上。
图3-16 行间转移式（IT）CCD结构
工作原理：在每一场正程期间，感光部分使景像按像素数n进行分解，产生电荷积累，形成n个电荷包；场消隐期间，在转移栅极的控制下，各像素的电荷迅速转移到旁边的垂直移位寄存器单元中，转移时间为1μs。随后，景物光线又在各像素上产生光电效应，在下一场时间内再次继续积累电荷，到下一个场消隐期间又向旁边的垂直移位寄存器转移，如此不断重复。与此同时，在场正程内积累电荷期间，在其中每一行的行消隐期间垂直移位寄存器内的各电荷包均同时向下移动一个单元，最下面一列的电荷包即进入水平移位寄存器；在接着的行正程期间，水平移位寄存器在时钟脉冲控制下将一行电荷包一个个向外移出，形成一行图像信号，在接着的行正程期间，水平移位寄存器又输出一行图像信号，如此不断重复。可见，CCD中电荷包的输出也是按行、场规律进行的。
2.帧转移式（FT）CCD
帧转移式CCD分三部分：成像部分（感光部分）、存储部分（遮光部分）、读出寄存器（水平移位寄存器、遮光），制作在同一硅片上，如图3-17所示。
工作原理：在每一场正程期间，成像部分将景像按像素数n进行分解和电荷积累，形成n个电荷包。在场消隐期间，成像部分存储的各电荷包在时钟作用下全部迅速地转移到存储部分，存储部分有与成像部分同样数目的存储单元数，一一对应地接收转移过来的电荷包。在下一个场正程中，存储部分的各电荷包像行间转移式CCD中垂直移存器一样转移电荷包，即每个行逆程转移一个单元，最下面一行电荷包进入水平移存器。随后，行正程中水平移存器输出一行图像信号，如此重复。在存储部分转移电荷包的同时，成像部分在下一场期间积累新电荷包。
图3-17 帧转移式（FT）CCD结构
图3-18 帧行间转移式（FIT）CCD结构
3.帧行间转移式（FIT）CCD
将行间转移式CCD和帧转移式CCD的优点结合起来，就构成了帧行间转移式CCD，从而克服了它们的缺点：行间转移式CCD在高亮点处有垂直拖道，帧转移式CCD需要一个机械快门，如图3-18所示。
工作原理：在场消隐期间感光处的电荷包在瞬间转移入垂直移存器，而后又很快转移入存储部分；在场正程期间，像行间转移式CCD一样，感光后重新积累电荷包，又像帧转移式一样从水平移存器一行行输出信号。由于电荷包从感光单元中转移到遮光的垂直移存器极为迅速，仅约1μs，因此不需要机械快门，从垂直移存器转移到存储部分，在很短时间内完成，故不会出现高亮点垂直拖道。
为了提高活动图像的清晰度，在CCD摄像机中，设置了电子快门，同照相机快门一样，用来控制电荷积累的时间。现在CCD摄像机的电子快门一般有七种速度：关（时间最长）、1/50s、1/100s、1/250s、1/500s、1/1000s、1/2000s。
注意：使用电子快门会影响摄像机的灵敏度，只在高照度下才用，快门时间越短，需要景物的照度越高。
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