梵月科技-工程部

CCD是採「取樣」（sample）的方法，將光能轉換為電能。它的基本輸出稱作像素（pixel或photosite）。這是由金屬氧化半導體（MOS）受到光線的照射而產生電子和電洞（如圖1所示），在最上層的導電閘施以正電後，電子會集中在SiO2和Si之間。如果將這些會儲存電子的MOS以陣列（array）的方式排列，如圖2所示，當L1被施以正電壓時，L2和L3為零電壓時，電子會集中在G1閘下。當掃瞄（scan）訊號到達L2時，L1仍保持Vg，L3仍為零，此時電子平均分佈在G1和G2下方（如圖2(C)）。之後，重設訊號到達，會使L1恢復為零，電子就集中在G2下方。直到掃瞄訊號到達L3，G1閘下的電子由左至右經由MOS電容傳導，最後抵達輸出端，再經影像顯示系統（image display system），將此G1輸出的類比訊號轉換為數位訊號在螢幕上形成一個像素。在掃瞄訊號到達L3後，重設訊號隨後會將L3恢復為零，G3下的電子全 部會抵達輸出端。之後，新的週期開始，掃瞄訊號又回到L1。 

上述這種方法稱作「三階段法」（three-phase），因為電子要到達輸出端必須經過三階段： 

L1=Vg, L2=0, L3=0
L1=Vg, L2-Vg, L3=0
L1=0, L2=Vg, L3=0

這種方法有個大缺點，就是當Gi電子在傳輸時，其他閘都不可感光，否則，產生的像素將失真。解決的方法有兩種，如圖3(a)所示，在每一行（row）CCD陣列下，加入一行CCD，這加入的CCD被特殊材料封裝，可以不感光。所以當Gi下的電子形成時，可以立即被傳導到第二行的CCD陣列下，這第二行CCD陣列因此被稱作「傳輸記錄器」（transport register），當下一個新影像形成時，傳輸記錄器內的電子會依序抵達「讀出記錄器」（readout register），新影像（光能）被轉換為電能儲存在第一行CCD陣列的同時，輸出螢幕上已顯示出上一影像的畫面。這種方法叫作「訊框傳送」（frame transfer），它的缺點是由於第二行CCD陣列（傳輸記錄器）的存在，使行距加大，CCD感光效果因此減低，致使解析度（resolution）降低。另一種2D陣列的CCD光感測器是「線間傳送」（interline transfer），如圖3(b)所示，將 第二CCD陣列加在第一CCD陣列右方（而非下方），如此將使CCD長度增加。它的操作功能和訊框傳送相同，而且解析度比較高，但是，因為傳送長度加長，所以，傳輸時間較長。不管採用上述的「三階段法」或「訊框傳送法」或「線間傳送法」，都必須經過大量的傳送單元，且這些傳送過程都會造成電荷數減少。所以，如何避免或減少電荷數降損已是現今CCD製造廠的最大課題。 

計算電荷在傳送過程的損失是叫作「電荷傳送效率」（charge transfer efficiency）以ηct符號代表（ETA是η的英文發音）。其表示方法為經m次傳送，原有電荷數已降至（ηct）m。如果要使像素訊號忠實地呈現物像原貌，則電荷傳送效率必須等於1。當然1是理想值，目前最先進的技術已可以使電荷傳送效率提高到0.999999，這效果是在MOS晶圓（wafer）結晶階段，儘可能去蕪存菁達到的。假設1024x1024 CCD陣列，其電荷傳送效率是0.9999（10000個電荷之中，只有1個損耗），使用三階段法，則其總傳送單元數為3×2048（因為三階段法是採1D陣列，所以需2倍的陣列長度），而傳送後的總電荷數將降至（0.9999）6144或0.54。