電荷藕合器件(CCD)
隨著數位相機、手機相機的興起，圖像感測器正逐漸成為半導體產品中最耀眼的明星之一，而在圖像感測器中，日商所獨占的CCD感測器與百家爭鳴的CMOS感測器都在盡力克服自身的缺點，希望成為市場上的主流技術。
電荷藕合器件CCD與CMOS感測器技術簡介
CCD與CMOS感測器是當前被普遍採用的兩種圖像感測器，兩者都是利用感光二極體(photodiode)進行光電轉換，將圖像轉換為數字數據，而其主要差異是數字數據傳送的方式不同。造成這種差異的原因在於：CCD的特殊工藝可保證數據在傳送時不會失真，因此各個象素的數據可匯聚至邊緣再進行放大處理；而CMOS工藝的數據在傳送距離較長時會產生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個象素的數據。CCD與CMOS感測器的結構如圖1所示。
CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合組件）使用一種高感光度的半導體材料製成，能把光線轉變成電荷，通過模數轉換器晶片轉換成數位訊號，數位訊號經過壓縮以後由相機內部的閃速存儲器或內置硬碟卡保存，因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機，並藉助於計算機的處理手段，根據需要和想像來修改圖像。
CCD由許多感光單位組成，當CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。它就像傳統相機的底片一樣的感光系統，是感應光線的電路裝置，你可以將它想像成一顆顆微小的感應粒子，鋪滿在光學鏡頭後方，當光線與圖像從鏡頭透過、投射到CCD表面時，CCD就會產生電流，將感應到的內容轉換成數碼資料儲存起來。CCD像素數目越多、單一像素尺寸越大，收集到的圖像就會越清晰。因此，儘管CCD數目並不是決定圖像品質的唯一重點，我們仍然可以把它當成相機等級的重要判準之一。目前掃描機、攝錄放一體機、數位照相機多數配備CCD。
CCD經過長達35年的發展，大致的形狀和運作方式都已經定型。CCD 的組成主要是由一個類似馬賽克的格線、聚光鏡片以及墊於最底下的電子線路矩陣所組成。目前有能力生產 CCD 的公司分別為：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本廠商。
CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體組件）和CCD一樣同為在數位相機中可記錄光線變化的半導體。CMOS的製造技術和一般計算機晶片沒什麼差別，主要是利用矽和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶–電） 和 P（帶+電）級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理晶片紀錄和解讀成影像。然而，CMOS的缺點就是太容易出現噪點， 這主要是因為早期的設計使CMOS在處理快速變化的影像時，由於電流變化過於頻繁而會產生過熱的現象。
CMOS（左）和CCD（右）兩種規格的材料製作的攝像頭如圖3所示。
電荷藕合器件CCD的基本工作原理
CCD是由一系列排得很緊密的MOS電容器組成。它的突出特點是以電荷作為信號，實現電荷的存儲和電荷的轉移。因此，CCD工作過程的主要問題是信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測。以下將分別從這幾個方面討論CCD器件的基本工作原理。
（1）MOS電容器
CCD是一種固態檢測器，由多個光敏像元組成，其中每一個光敏像元就是一個MOS（金屬—氧化物—半導體）電容器。但工作原理與MOS電晶體不同。
CCD中的MOS電容器的形成方法是這樣的：在P型或N型單晶矽的襯底上用氧化的辦法生成一層厚度約為100～150NM的SIO2絕緣層，再在SIO2表面按一定層次蒸鍍一金屬電極或多晶矽電極，在襯底和電極間加上一個偏置電壓（柵極電壓），即形成了一個MOS電容器（如圖4所示）。
電荷藕合器件CCD一般是以P型矽為襯底，在這種P型矽襯底中，多數載流子是空穴，少數載流子是電子。在電極施加柵極電壓VG之前，空穴的分布是均勻的，當電極相對於襯底施加正柵壓VG時，在電極下的空穴被排斥，產生耗盡層，當柵壓繼續增加，耗盡層將進一步向半導體內延伸，這一耗盡層對於帶負電荷的電子而言是一個勢能特別低的區域，因此也叫做“勢阱”。
在耗盡狀態時，耗盡區電子和空穴濃度與受主濃度相比是可以忽略不計的，但如正柵壓VG進一步增加，接口上的電子濃度將隨著表面勢成指數地增長，而表面勢又是隨耗盡層寬度成平方率增加的。這樣隨著表面電勢的進一步增加，在接口上的電子層形成反型層。
電子-內部結構模型圖 而一旦出現反型層，MOS就認為處於反型狀態（如圖4所示）。顯然，反型層中電子的增加和因柵壓的增加的正電荷相平衡，因此耗盡層的寬度幾乎不變。反型層的電子來自耗盡層的電子—空穴對的熱產生過程。對於經過很好處理的半導體材料，這種產生過程是非常緩慢的。因此在加有直流電壓的金屬板上迭加小的交流信號時，反型層中電子數目不會因迭有交流信號而變化。
（2）電荷存儲
當一束光投射到MOS電容器上時，光子透過金屬電極和氧化層，進入SI襯底，襯底每吸收一個光子，就會產生一個電子—空穴對，其中的電子被吸引到電荷反型區存儲。從而表明了CCD存儲電荷的功能。一個CCD檢測像元的電荷存儲容量決定於反型區的大小，而反型區的大小又取決於電極的大小、柵極電壓、絕緣層的材料和厚度、半導體材料的導電性和厚度等一些因素。
電荷藕合器件圖5表示了SI-SIO2的表面電勢VS與存儲電荷QS的關係。曲線的直線性好，說明兩者之間有良好的反比例線性關係，這種線性關係很容易用半導體物理中“勢阱”的概念來描述。電子所以被加有柵極電壓VG的MOS結構吸引到SI-SIO2的交接面處，是因為那裡的勢能最低。在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度”與電極電壓的關係恰如表面勢VS與電荷QS的線性關係，如圖6(A)所示。圖6(B)為反型層電荷填充勢阱時，表面勢收縮。當反型層電荷足夠多，使勢阱被填滿時，如圖6(C)所示，此時表面勢下降到不再束縛多餘的電子，電子將產生“溢出”現象。
電荷藕合器件（3）電荷轉移
為了便於理解在CCD中勢阱電荷如何從一個位置移到另一個位置，取CCD中四個彼此靠得很近的電極來觀察，見圖7。
電荷藕合器件假定開始時有一些電荷存儲在偏壓為10V的第二個電極下面的深勢阱里，其它電極上均加有大於域值電壓的較低電壓（例如2V）。設圖7（A）為零時刻（初始時刻），過T1時刻後，各電極上的電壓變為如圖7（B）所示，第二個電極仍保持為10V，第三個電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個電極靠得很緊（間隔只有幾微米），他們各自的對應勢阱將合併在一起。原來在第二個電極下的電荷變為這兩個電極下的勢阱所共有，如圖7（B）和7（C）所示。若此後電極上的電壓變為圖7（D）所示，第二個電極電壓由10V變為2V，第三個電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉移到第三個電極下面的勢阱中，如圖7（E）。由此可見，深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。
通過將一定規則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導體表面按一定方向移動。通常把CCD電極分為幾組，每一組稱為一相，並施加同樣的時鐘脈衝。CCD的內部結構決定了使其正常工作所需的相數。圖7所示的結構需要三相時鐘脈衝，其波形圖如圖7（F）所示，這樣的CCD稱為三相CCD。三相CCD的電荷耦合（傳輸）方式必須在三相交迭脈衝的作用下才能以一定的方向，逐個單元的轉移。另外必須強調指出的是，CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個電極下轉移到相鄰電極下。這對於圖7所示的電極結構是一個關鍵問題。如果電極間隙比較大，兩相鄰電極間的勢阱將被勢壘隔開，不能合併，電荷也不能從一個電極向另一個電極轉移。CCD便不能在外部時鐘脈衝的作用下正常工作。
（4） 電荷的注入和檢測
CCD中的信號電荷可以通過光注入和電注入兩種方式得到。光注入就是當光照射CCD矽片時，在柵極附近的半導體體內產生電子—空穴對，其多數載流子被柵極電壓排開，少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。而所謂電注入，就是CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行採樣，將信號電壓或電流轉換為信號電荷。在此僅討論與本課題有關的光注入法。
CCD利用光電轉換功能將投射到CCD上面的光學圖像轉換為電信號“圖像”，即電荷量與當地照度大致成正比的大小不等的電荷包空間分布，然後利用移位元元暫存功能將這些電荷包“自掃描”到同一個輸出端，形成幅度不等的實時脈衝序列。其中光電轉換功能的物理基礎是半導體的光吸收。當電磁輻射投射到半導體上面時，電磁輻射一部分被反射，另一部分透射，其餘部分被半導體吸收。所謂半導體光吸收，就是電子吸收光子並從一個能態躍遷到另一個較高能級的過程。我們這裡將要涉及到的是價帶電子越過禁帶到導帶的躍遷，和局域雜質或缺陷周圍的束縛電子（或空穴）到導帶（獲價帶）的躍遷。他們分別稱為本徵吸收和非本徵吸收。CCD利用處於表面深耗盡狀態的一系列MOS電容器（稱為感光單元或光敏單元）收集光產生的少數載流子。這些收集勢阱是相互隔離的。由此可見，光轉換成電的過程實際上還包括對空間連續的光強分布進行空間上分離的採樣過程。
另外，襯底每吸收一個光子，反型區中就多一個電子，這種光子數目與存儲電荷的定量關係正是CCD檢測器用於對光信號作定量分析的依據。
轉移到CCD輸出端的信號電荷在輸出電路上實現電荷/電壓（電流）的線性變換，稱之為電荷檢測。從套用角度對電荷檢測提出的要求是檢測的線性、檢測的增益和檢測引起的噪聲。針對不同的使用要求，有幾種常用的檢測電路，如柵電容電荷積分器、差動電路積分器以及帶浮置柵和分布浮置柵放大器的輸出電路。這裡就不一一敘述了。
CCD的光譜分析特性
（1）電荷轉移效率（CTE）
CCD以電荷作為信號，所以電荷信號的轉移效率就成為其最重要的性能之一。把一次轉移之後，到達下一個勢阱中的電荷與原來勢阱中的電荷之比稱為電荷轉移效率。好的CCD具有極高的電荷轉移效率，一般可達0.999995，所以電荷在多次轉移過程中的損失可以忽略不計。例如，一個有2048像元的CCD，其信號電荷的總的電荷轉移效率為0.9999952048，即0.9898，損失率只有約0.1%。
（2）量子效率（QE）
電荷藕合器件圖8比較了典型的PMT（光電倍增管）、PDA（光電二極體數組）、CID（電荷注入器件）和CCD的量子效率。可見，CCD的量子效率大大優於PDA和CID，在400～700NM波段優於PMT。但是，不同廠商製造的CCD在幾何尺寸、製造方法、材料上有所不同，結果它們的QE差別較大。如有的CCD只在350～900NM波段的QE達10% 以上，有的CCD在200～1000NM波段都有很高的量子效率。造成QE下降的主要原因是CCD結構中的多晶矽電極或絕緣層把光子吸收了，尤其是對紫外部分的光吸收較多，這部分光子不產生光生電荷。許多線陣CCD對紫外光的回響較差就是這個原因。採用化學蝕刻將矽片減薄和背部照射方式，可以減少由吸收導致的量子效率損失。背部照射減薄的CCD在真空紫外區的工作極限可達1000。
（3）暗電流
CCD在低溫工作時，暗電流非常低，暗電流是由熱生電荷載流子引起的，冷卻會使熱生電荷的生成速率大為降低。但是CCD的冷卻溫度不能太低，因為光生電荷從各檢測元遷移到放大器的輸出節點的能力隨溫度的下降而降低。製冷到150°K的CCD暗電流小於0.001個電子╱檢測元╱秒。
（4）動態範圍
電荷藕合器件動態範圍DR的定義為：
其中VSAT為飽和輸出電壓，VDRK為有效像元的平均暗電流輸出電壓。在正常工作條件下，CCD檢測器的所有像元經歷同時曝光，式（3.1）表示的是單個檢測像元的動態範圍，即簡單動態範圍。CCD的簡單動態範圍非常大，寬達10個數量級。以7500?的紅光光子為例，CCD可在1毫秒積分時間內對光強達每秒5×109個光子的光束回應。可以對每秒7×10-2個光子的光源回應。而且在整個動態範圍回響內，都能保持線性回響。這一特性對光譜的定量分析具有特別的意義。
但在一些光譜分析中，如AES（原子發射光譜）中，實際的動態範圍達不到那么大的值。一種擴展CCD動態範圍的方法是根據光的強弱改變每次測量的積分時間。強信號採用短的積分時間，弱信號採用長的積分時間。這種方法測量強信號旁的弱信號非常不利，存在BLOOMING（溢出）的問題，特別是對於AES。通過改進CCD製作工藝生產出來的性能優秀的CCD已在不同程度上解決了這個問題。
CCD的種類
面陣CCD的結構一般有3種。第一種是幀轉性CCD。它由上、下兩部分組成，上半部分是集中了像素的光敏區域，下半部分是被遮光而集中垂直暫存器的存儲區域。其優點是結構較簡單並容易增加像素數，缺點是CCD尺寸較大，易產生垂直拖影。第二種是行間轉移性CCD。它是目前CCD的主流產品，它們是像素群和垂直暫存器在同一平面上，其特點是在1個單片上，價格低，並容易獲得良好的攝影特性。第三種是幀行間轉移性CCD。它是第一種和第二種的複合型，結構複雜，但能大幅度減少垂直拖影並容易實現可變速電子快門等優點
CCD 尺寸
說到CCD的尺寸，其實是說感光器件的面積大小，這裡就包括了CCD和CMOS。感光器件的面積越大，也即CCD/CMOS面積越大，捕獲的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。CCD/CMOS是數位相機用來感光成像的部件，相當於光學傳統相機中的膠捲。
電荷藕合器件CCD上感光組件的表面具有儲存電荷的能力，並以矩陣的方式排列。當其表面感受到光線時，會將電荷反應在組件上，整個CCD上的所有感光組件所產生的信號，就構成了一個完整的畫面。
如果分解CCD，你會發現CCD的結構為三層，第一層是“微型鏡頭”，第二層是“分色濾色片”以及第三層“感光層”。
第一層:微型鏡頭
我們知道，數位相機成像的關鍵是在於其感光層，為了擴展CCD的採光率，必須擴展單一像素的受光面積。但是提高採光率的辦法也容易使畫質下降。這一層“微型鏡頭”就等於在感光層前面加上一副眼鏡。因此感光面積不再因為感測器的開口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來決定。
第二層:分色濾色片
CCD的第二層是“分色濾色片”，目前有兩種分色方式，一是RGB原色分色法，另一個則是CMYK補色分色法這兩種方法各有優缺點。首先，我們先了解一下兩種分色法的概念，RGB即三原色分色法，幾乎所有人類眼鏡可以識別的顏色，都可以通過紅、綠和藍來組成，而RGB三個字母分別就是Red, Green和Blue，這說明RGB分色法是通過這三個通道的顏色調節而成。再說CMYK，這是由四個通道的顏色配合而成，他們分別是青（C）、洋紅(M)、黃(Y)、黑(K)。在印刷業中，CMYK更為適用，但其調節出來的顏色不及RGB的多。
原色CCD的優勢在於畫質銳利，色彩真實，但缺點則是噪聲問題。因此，大家可以注意，一般採用原色CCD的數位相機，在ISO感光度上多半不會超過400。相對的，補色CCD多了一個Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細，但卻犧牲了部分影像的解析度，而在ISO值上，補色CCD可以容忍較高的感光度，一般都可設定在800以上
第三層：感光層
CCD的第三層是“感光片”，這層主要是負責將穿過濾色層的光源轉換成電子信號，並將信號傳送到影像處理晶片，將影像還原。
傳統的照相機膠捲尺寸為35mm，35mm為膠捲的寬度（包括齒孔部分），35mm膠捲的感光面積為36 x 24mm。換算到數位相機，對角長度約接近35mm的，CCD/CMOS尺寸越大。在單眼數位相機中，很多都擁有接近35mm的CCD/CMOS尺寸，例如尼康德D100，CCD/CMOS尺寸面積達到23.7 x 15.6，比起消費級數位相機要大很多，而佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸為36 x 24mm，達到了35mm的面積，所以成像也相對較好。
現在市面上的消費級數位相機主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四種。CCD/CMOS尺寸越大，感光面積越大，成像效果越好。1/1.8英寸的300萬像素相機效果通常好於1/2.7英寸的400萬像素相機(後者的感光面積只有前者的55%)。而相同尺寸的CCD/CMOS像素增加固然是件好事，但這也會導致單個像素的感光面積縮小，有曝光不足的可能。但如果在增加CCD/CMOS像素的同時想維持現有的圖像質量，就必須在至少維持單個像素麵積不減小的基礎上增大CCD/CMOS的總面積。目前更大尺寸CCD/CMOS加工製造比較困難，成本也非常高。因此，CCD/CMOS尺寸較大的數位相機，價格也較高。感光器件的大小直接影響數位相機的體積重量。超薄、超輕的數位相機一般CCD/CMOS尺寸也小，而越專業的數位相機，CCD/CMOS尺寸也越大。
CCD與CMOS感測器的差異
由於數據傳送方式不同，因此CCD與CMOS感測器在效能與套用上也有諸多差異，這些差異包括：
(1) 靈敏度差異：由於CMOS感測器的每個象素由四個電晶體與一個感光二極體構成(含放大器與A/D轉換電路)，使得每個象素的感光區域遠小於象素本身的表面積，因此在象素尺寸相同的情況下，CMOS感測器的靈敏度要低於CCD感測器。
(2) 成本差異：由於CMOS感測器採用一般半導體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到感測器晶片中，因此可以節省外圍晶片的成本；除此之外，由於CCD採用電荷傳遞的方式傳送數據，只要其中有一個象素不能運行，就會導致一整排的數據不能傳送，因此控制CCD感測器的成品率比CMOS感測器困難許多，即使有經驗的廠商也很難在產品問世的半年內突破50%的水平，因此，CCD感測器的成本會高於CMOS感測器。
(3) 解析度差異： 如上所述，CMOS感測器的每個象素都比CCD感測器複雜，其象素尺寸很難達到CCD感測器的水平，因此，當我們比較相同尺寸的CCD與CMOS感測器時，CCD感測器的解析度通常會優於CMOS感測器的水平。例如，目前市面上CMOS感測器最高可達到210萬象素的水平(omnivision的OV2610，2002年6月推出)，其尺寸為1/2英寸，象素尺寸為4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸與OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但解析度卻能高達513萬象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。
(4) 噪聲差異：由於CMOS感測器的每個感光二極體都需搭配一個放大器，而放大器屬於模擬電路，很難讓每個放大器所得到的結果保持一致，因此與只有一個放大器放在晶片邊緣的CCD感測器相比，CMOS感測器的噪聲就會增加很多，影響圖像品質。
(5) 功耗差異：CMOS感測器的圖像採集方式為主動式，感光二極體所產生的電荷會直接由電晶體放大輸出，但CCD感測器為被動式採集，需外加電壓讓每個象素中的電荷移動，而此外加電壓通常需要達到12~18V；因此，CCD感測器除了在電源管理電路設計上的難度更高之外(需外加 power IC)，高驅動電壓更使其功耗遠高於CMOS感測器的水平。舉例來說，OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下運行，功耗僅為40mW；而致力於低功耗CCD感測器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等級的產品，其功耗卻仍保持在90mW以上，雖然該公司近期將推出35mW的新產品，但仍與CMOS感測器存在差距，且仍處於樣品階段。
綜上所述，CCD感測器在靈敏度、解析度、噪聲控制等方面都優於CMOS感測器，而CMOS感測器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。不過，隨著CCD與CMOS感測器技術的進步，兩者的差異有逐漸縮小的態勢，例如，CCD感測器一直在功耗上作改進，以套用於移動通信市場(這方面的代表業者為Sanyo)；CMOS感測器則在改善解析度與靈敏度方面的不足，以套用於更高端的圖像產品，我們可以從以下各主要廠商的產品規劃來看出一些端倪。
CCD技術的發展
隨著用戶的要求不斷提高，傳統的CCD技術已經沒有辦法滿足現在使用者對數字影像的需求。為了迎合用戶需求，占領市場，近幾年一些廠商又推出了幾種新的CCD技術：
（1）FULL FRAME CCD 與interline TRANSFER CCD
典型的消費級的數位相機，用的一般都是INTERLINE TRANSFER CCD。它的結構如下圖。把一塊半導體上集成製造出感光器件：光電二極體，和一些電路。每個單元呈整齊的矩陣式排列，多少行多少列。行數乘以列數就是這個CCD的象素數量。每個象素單元中（左下角的小圖），有大約30％的面積用來製造光電二極體（紅色部分）。在剩餘的可用面積中，會放置一個SHIFT REGISTER（紫色部分，轉移暫存器）。在接受一個指令後，光電二極體感受到的光強，會被放置在這個SHIFT REGISTER中並保持住。這是一個模似量。
電荷藕合器件下一步，就是把這每一個象素中的光強值，變成數字量，再由相機中的處理器組合成一幅數字圖像。首先並行時鐘啟動第一行；串列時鐘依次啟動第1、2、3……列。這樣第一行中和每個像素都被按順序送出CCD，進入A/D CONVERTER（模擬／數字轉換器，這種器件專門用來把模擬量轉換成數字量）。然後並行時鐘啟動第二行；串列時鐘依次啟動第1、2、3……列。這樣第一行中和每個像素都被按順序送出CCD，進入A/D CONVERTER。這樣依次下去，每一行每一列的像素都被有序的轉換成數位訊號。相機的處理器再把這些數字化的象素組合成一幅數字圖像。
每一個像素單元中的SHIFT REGISTER整齊的排成一列列的，把真正起感光作用的光電二極體夾在中間。所以這種器件被叫作：INTERLINE TRANSFER CCD。由於每個象素單元中，真正用於感光的面積只占30%左右，那么它的感光效率就比較低。所以在真正的成品中，會在每個象素單元的上面，再造一個MICROLENSES(微鏡)，在圖的左下角就是MICROLENSES的示意圖。光學鏡片在光電二極體的正上方，面積造得比較大，這樣就能把更多的入射光集中到光電二極體上，使等效的感光面積達到象素麵積的70%左右。
由於有SHIFT REGISTER的存在，INTERLINE TRANSFER CCD就不需要機械快門。用電信號指示SHIFT REGISTER把光電二極體的輸出信號保持住，就已經完成了採樣過程。這就是電子快門。SHIFT REGISTER的存在，也使INTERLINE TRANSFER CCD可以輸出視頻信號。我們在彩色液晶取景器上能夠看到活動的影像，也是SHIFT REGISTER的功勞。
KODAK專業產品中採用的CCD，是FULL FRAME TRANSFER。在每個像素單元中，有70%的面積用來製造光電二極體。整個像素的框內幾乎全是感光面積。不需要也沒辦法放置更大面積的MICROLENSES來提高它的採光量。它的讀出順序和INTERLINE TRANSFER CCD是一樣的。這種結構的好處是，可以得到儘量大的光電二極體，達到更好的成像質量。可以說，同樣的CCD面積，FULL FRAME肯定會有更好的性能。缺點：這種CCD不能輸入VIDEO圖像。不能用液晶顯示屏做取景器。必須以機械快門配合工作。並且機械快門限制它的最高快門速度。
NIKON D100採用的是全幀(FULL FRAME TRANSFER)CCD，與中間列傳輸(INTERLINE TRANSFER)CCD相比較，全幀傳輸CCD在感光器件中的每個光電二極體的有效像素的面積更大，從而可以捕捉到更多的影像數據。一般而言，全幀傳輸CCD能夠捕捉到的有效影像數據大約是中間列傳輸CCD的兩倍，從而具有更大的動態範圍、更低的噪聲和較高的灰級靈敏度等優點，從而改善了暗部和高光部分的細節表現。
（2）SUPER CCD
從上述的文章中我們可以了解，CCD的感光點排列是影響CCD感光範圍和動態能力的關鍵。早期的CCD都是井然有序的“耕田”狀。當CCD技術到了日本富士手中，工程師開始省思CCD一定要這樣排列嗎？為了兼具INTERLINE TRANSFER CCD的低成本設計，又要能兼顧FULL FRAME CCD的大感光面積，富士提出了一個跌破專家眼鏡的折衷方案SUPER CCD。SUPER CCD是目前市面上唯一使用蜂巢式結構的CCD，其藉助八邊形幾何構造和間斷排列，以INTERLINE TRANSFER CCD的方式為基本，爭取最大限度的CCD有效面積利用率。但，早先的技術讓通道過於擁擠，產生了不良的噪聲，時至今日SUPER CCD已經發展進入第三代，幾乎所有不良的缺點都已經改進。
2002年初，富士發布第三代Super CCD。2003年初，富士發布第四代Super CCD。（見下圖）。新一代的superccd有 Super CCD HR和 SR 兩種規格。Super CCD HR(High Resolution)強調富士專利科技在固定面積大小的CCD 晶片上解析度再提高。HR 技術能在1/1.7英吋的CCD上製造出663萬畫素的感光元素，搭配新一代的 HR 感光器的數字相機將可以輸出 1230萬紀錄畫素的照片（如同舊款300萬畫素 SuperCCD可以輸出 600萬畫素的效果一樣），這款 HR CCD 的輸出效果將可媲美 Fujifilm 現役旗艦級 S2PRO 的畫質效果。
另一款 Super CCD SR 則是全新CCD結構，如同 HR一樣，套用了新微細化技術的 CCD SR，可以在1/1.7英吋的CCD上做出 670萬畫素的元素（HR為 663萬）。所不同的是 SR 強調更高的動態範圍（ Dynamic Range)，號稱可達過去產品的4倍以上。造成這項差異的主要關鍵，在於 CCD SR 採用了有別以往的新型結構：SR整合了負責感光度高的S畫素(見圖：面積較大)以及能對一般動態範圍以外作用的R畫素(面積較小)。通過對這兩種不同畫素的運算整合，SuperCCD SR 將獲得比以往單一感光結構之CCD更高的感光度和更寬的動態範圍。 過去，單一架構的感光原件，對動態範圍以外，也就是高光 亮部分和暗色部分。因為，無法調整靈敏度去適應（必須兼顧中間範圍的顯示品質），忍痛損失這部分的細節。而傳統底片則可以藉由塗布較細的感色感光粒子來克服這樣的困擾，所以當數字影像與傳統影像相比時，動態範圍往往是傳統勝出的關鍵。富士的新技術顯然克服了當原件更密集時所產生的噪聲干擾，SR 的技術是利用 335萬S畫素和335萬R畫素整合為 670萬的表現，這種分工合作的方式，目前在業界還是首例。
電荷藕合器件2002年2月，美國Foveon公司發布多層感色CCD技術。在Foveon公司發表X3技術之前，一般CCD的結構是類似以蜂窩狀的濾色版（見下圖），下面墊上感光器，藉以判定入射的光線是RGB三原色的哪一種。
電荷藕合器件然而，蜂窩技術（美國又稱為馬賽克技術）的缺點在於：解析度無法提高，辯色能力差以及製作成本高昂。也因此，這些年來高階CCD的生產一直被日本所壟斷。新的X3技術讓電子科技成功的模仿“真實底片”的感色原理（見下圖），依光線的吸收波長逐層感色，對應蜂窩技術一個像素只能感應一個顏色的缺點，X3的同樣一個像素可以感應3種不同的顏色，大大提高了影像的品質與色彩表現。
電荷藕合器件X3還有一項特性，那就是支持更強悍的CCD運算技術VPS(Variable Pixel Aize)。透過“群組像素”的搭配（見下圖）。X3可以達到超高ISO值（必須消減解析度），高速VGA動畫錄像。比Super CCD更強悍的在於X3每一個像素都可以感應三個色彩值，就理論上來說X3的動畫拍攝在相同速度條件下，可能比SuperCCD III還來得更精緻。
電荷藕合器件4．SONY 四色感應 CCD
傳統的CCD為三原色矩陣新SONY CCD將淺綠色加入新一代的CCD不僅在省電及功率上做文章，對色彩的表現有了更多的著墨。日本SONY公司一改以往三色CCD的傳統，創新推出一個具備『新顏色』的四色過濾器CCD命名為ICX456。新增的E這個顏色是EMERALD 祖母綠！不同於以往三個原色 RGB，“E”這個顏色加強了對自然風景的解色能力，讓綠色這個層次能夠創造出更多的變化。套用的效果有點類似噴墨印表機加裝淡藍和洋紅這兩支淡色，以期能夠增強混色能力與效果，此外配合新色階的CCD，SONY 也開發了新圖像處理機，不僅有效的減少了30％的功率消耗，更加快了處理速度和綠色色階分析能力。
這項發明的特點在於傳統的數位照相機主要使用3原色過濾矩陣，對每一個光點（或稱畫素 PIXEL）產生 3種不同顏色的強度：紅色的(R),綠色(G)和藍(B)顏色數據，再將這些數據與彩色電視或監視器整合發色，形成我們所看到的影像。然而，根據實驗指出人類視覺系統對綠色的敏感度要高於其它紅色和藍色，這也使傳統的CCD矩陣對顏色的配比採取了紅、藍25％，綠色50％的現象。可是對顏色差別仍無法在這樣的配比中得到修正，起因則是人類的視覺比較接近模擬效果，而非切割成數字階層。為了讓風景的顏色更加逼真，SONY 這項技術有效的將深綠、淺綠分別導引取樣！對綠色的忠實再生有莫大的助益。
