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title: "CCD 成像：先搬运电荷，再读出信号"
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last_modified: "2026-10-23"
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[控制电流与光的材料](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/#devices)

材料 · 测量 · 解释

# CCD 成像：先搬运电荷，再读出信号

时钟驱动的电荷阱，怎样把曝光变成电图像？

Sandbox Physics · 2026-10-23

诺奖贡献：2009-2

1. 把吸收的光变成电荷
2. 把电荷包存进势阱
3. 按时钟逐步送往输出
4. 逐包放大并数字化

收光、电荷转移和电读出，会分别带来不同损失与噪声。

## 1969 年的构想是按时钟移动电荷

Boyle 和 Smith 于 1969 年提出电荷耦合器件，最初考虑存储。相邻栅极的电压改变势阱形状，推动已存电荷移动，不必让每个像素单独配放大器。

用于成像时，再把这一搬运机制与光生电荷结合。后续传感器发展才做成实用相机，2009 年授奖表彰 CCD 发明。

来源：[1] [2]

## 曝光与读出是不同阶段

曝光时，像素收集吸收光子产生的电子，也混入暗电荷。读出时，时钟序列把电荷包移过相邻势阱和串行寄存器，送往放大器；像素顺序由这套序列保存。

来源：[1]

## 很小的转移误差也会积累

陷阱会拖住电子，使亮电荷包后面留下拖尾。每次转移即使很高效，许多次以后误差仍会积累。放大器加入的读出噪声，与搬运途中丢失或延迟的电荷是两回事。

来源：[1]

## 新 Lab 跟着电荷包走到放大器

CCD Lab 显示分相栅极和电荷搬运，再比较存入的电荷包与读出样本。合成转移和噪声参数让读者分开研究两个阶段；镜头聚焦沿用已有相机光学路线。

来源：[1] [3]

接着探索物理

## 动手试相关模型

### [CCD 电荷转移](https://sandboxphysics.com/zh/labs/ccd-charge-transfer/)

跟随电荷包穿过时钟驱动的栅极，直到输出放大器。

转移模型没有相机镜头，也不复刻厂商图像传感器。

## 来源与阅读说明

1. [2009 Nobel scientific background: semiconductor image sensors](https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2009-1.pdf)

   时钟驱动的电荷转移、串行读出、量子效率和噪声是成像的不同环节。

2. [Boyle: interview about the 1969 CCD idea](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2009/boyle/interview/)

   本人回忆；区分最初存储构想与后来的成像发展。

3. [Nobel Prize in Physics 2009: official award](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2009/summary/)

   核对获奖归属与年份。原始观测或理论论文往往早得多。

[凝聚态：从材料读到证据](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/) [热电子发射：热表面怎样给电流设上限](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/thermionic-emission/) [第一只晶体管：小输入怎样控制大电流](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/transistor-point-contact/) [Esaki 隧道二极管：电压升高，电流为何反降](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/esaki-tunnel-diode/) [异质结构：界面怎样变成器件的控制手段](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/semiconductor-heterostructures/) [集成电路：把一个电路做进同一块材料](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/integrated-circuit/) [巨磁阻：磁化方向怎样改变电阻](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/giant-magnetoresistance/) [石墨烯：薄片怎样成为可测的电子系统](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/graphene-field-effect/) [蓝 LED：宽带隙只是起点](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/blue-led/)