電荷耦合檢測器/Charge-Coupled Devices
電荷耦合檢測器/Charge-Coupled Devices (CCD)
1970年,美國貝爾(Bell)實驗室取得了電荷耦合器件(CCD)的專利。CCD的基本結構是由彼此非常靠近的一系列MOS電容組成的。CCD的基本功能就是電荷的產生、存儲和轉移。
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一、電荷的產生
如圖4.1.1,在光的照射下,由于光電效應,產生了電荷(這里是電子,在CID講解中,大家會看到光生空穴;電子是負電荷,空穴可以看成正電荷),隨著光的持續照射,電荷越積越多。
二、電荷的存儲
CCD的每個感光元件相當于一個電容。產生的電荷就存儲在MOS電容中。
如圖4.1.2,柵極可以看作電容的一極, 二氧化硅為電容的介質,高摻雜的P型硅為電容的另一 極,想想平行板電容器,這個就好理解了。
三、電荷的轉移
圖4.1.3中有幾個MOS電容呢?比較圖4.1.2看看。
有三個黃框框A,B,C(每個黃框框就是圖4.1.2中的柵極),就有三個MOS電容。如上面所說“CCD的基本結構是由彼此非常靠近的一系列MOS電容組成的。”
圖4.1.3中, 在光輻射的作用下,中間的黃框框下積累了電荷。如果三根綠線上同時施加有合適電壓和相位的方波信號(圖4.1.4,只是這個波形,實際相位是不同的),就可以把B黃框下的電荷轉移到其他黃框框下,從而實現電荷的轉移。
如圖4.1.3,在方波信號的驅動下,柵極B下的電荷,轉移到柵極C下,然后轉變為電壓信號,通過模擬/數字信號轉換器,變為用0和1表示的數字信號,送到信號處理電路處理。
如果光輻射同時照射A,B,C三個黃框框,那在A,B,C三個黃框框下都積累了電荷,那怎么讀取這三處電荷呢? 顯然,可以先把C下的電荷移走,然后B -->C , 再 A --> B --> C,這樣要消耗一定的時間,如果你還沒能移走A,B,C下的電荷,光能量改變了,那我們這次檢測就失敗了,所以,有時,我們會覺得CCD轉換速度不夠快。
假設我們有一個使用CCD作為檢測器的分光光度計,這個CCD檢測器只有3個感光單元,如果3個感光單元的間距合適,就可以同時記錄從光柵色散來的3個波長的光能量。如果我們的CCD的感光單元再多些的話,我們就可以記錄更多波長的光能量了。這就是光譜直讀的原理。
一、CCD的分類CCD分為線型和面型兩類。
以圖2.3.1 這樣的CCD 結構為例,線型和面型如圖2.3.5.
注:上圖中的每個黃框代表一個MOS電容即感光單元。
我們上面解釋原理的CCD,就是有3個檢測單元的線型CCD。
在分光光度計中,由于光柵色散的光譜是線性排列的一個個譜線,只要線性的CCD就夠了,而且面型CCD的控制更加復雜,延時時間相應的也更長,所以,在分光光度計中一般都是使用的線型CCD。
二、CCD檢測器的“木桶原理”
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如圖4.1.6中:
木桶 ------- MOS電容(CCD上的感光單元) 。
雨滴 ------- 每一個雨滴可以理解為光輻射的一個光子。
木桶中的雨水量 ---- MOS電容中存儲的電荷。
量筒 ------ 相當于圖4.1.3中的信號處理電路。
輸出傳送帶 ----- 可以理解為圖4.1.3中的電荷轉換電路和模數轉換電路。
1,2,3編號 ----- 水平傳送帶的編號。
1,2,3號傳送帶的驅動力 ------ 相當于圖4.1.3中綠線上施加的方波信號。
想像一個場景: 假如1,2,3號傳送帶上的12個木桶每個占據我們一個省份,今天我們全國下了一場大雨,一個個木桶中都存了不少的雨水。為了分析這12個省份的降水量分布圖,我們通過驅動1,2,3號傳送帶把1,2,3號傳送帶上最右邊的3個木桶移到輸出傳動帶上,然后停止驅動1,2,3號傳動帶。如圖4.1.6,輸出傳送帶上已傳好了3個木桶,接下來,我們驅動輸出傳送帶,并使3個木桶中的水逐個倒入量筒中,并記錄下來。然后,再驅動1,2,3號上移到最右邊的3個木桶,使它們到輸出傳動帶上。如此循環我們就可以量取這12個木桶中的雨量,12個省份的雨水分布圖就一目了然。
顯然,什么時候驅動(方波信號的有無)1,2,3號傳動帶和輸出傳動帶,和驅動它們的順序(方波信號的相位)是有要求的,不然木桶就要打架了。這就是上面所說,驅動三根綠線的方波信號,要有合適的電壓和相位。
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