60年代和70年代充滿了輝煌的發現、發明和技術進步，尤其是內存技術。威拉德·博伊爾和喬治·史密斯在探索金屬氧化物半導體（MOS）技術在半導體“氣泡”存儲器開發中的應用時取得了當時的一項重要發現。

研究小組發現，電荷可以存儲在一個微型MOS電容器上，該電容器的連接方式可以使電荷從一個電容器轉移到另一個電容器。這一發現導致了電荷耦合器件（CCD）的發明，該器件最初設計用于服務于內存應用，但現在已成為先進成像系統的重要組成部分。

CCD（電荷耦合器件）是一種高度靈敏的光子檢測器，用于將電荷從器件內部移動到可以被解釋或處理為信息（例如轉換為數字值）的區域。

在今天的文章中，我們將研究CCD的工作原理、部署它們的應用程序以及它們與其他技術的比較優勢。

什么是電荷耦合器件？

簡單來說，電荷控制器件可以定義為包含一系列鏈接或耦合的電荷存儲元件（電容倉）的集成電路，其設計方式是在外部電路的控制下，存儲在每個電容器中的電荷可以移動到相鄰的電容器。金屬氧化物半導體電容器（MOS電容器）通常用于CCD，通過向MOS結構的頂板施加外部電壓，可以將電荷（電子（e-）或空穴（h+））存儲在生成的潛在的。然后，這些電荷可以通過施加到頂板（柵極）的數字脈沖從一個電容器轉移到另一個電容器，并且可以逐行傳輸到串行輸出寄存器。

電荷耦合器件的工作

CCD的運行涉及三個階段，由于最近最流行的應用是成像，因此最好結合成像來解釋這些階段。這三個階段包括：

電荷感應/收集

充電計時

電荷測量

電荷感應/收集/存儲：

如上所述，CCD由電荷存儲元件組成，存儲元件的類型和電荷感應/沉積方法取決于應用。在成像中，CCD由大量光敏材料組成，這些光敏材料分成小區域（像素），用于構建感興趣場景的圖像。當投射在場景中的光在CCD上反射時，落入由其中一個像素定義的區域內的光子將被轉換為一個（或多個）電子，其數量與像素的強度成正比。每個像素的場景，這樣當CCD退出時，可以測量每個像素中的電子數量，并且可以重建場景。

下圖顯示了一個非常簡化的CCD橫截面。

從上圖中可以看出，像素是由CCD上方的電極位置定義的。這樣，如果向電極施加正電壓，正電位將吸引靠近電極下方區域的所有帶負電的電子。此外，任何帶正電的空穴都將被電極周圍的區域排斥，這將導致“勢阱”的形成，其中所有由入射光子產生的電子都將被儲存起來。

隨著更多光落在CCD上，“勢阱”變得更強并吸引更多電子，直到達到“全阱容量”（一個像素下可以存儲的電子數量）。為了確保捕獲正確的圖像，例如在相機中使用快門以定時方式控制照明，以便填充勢阱但不超過其容量，因為這可能會適得其反。

充電時鐘輸出：

CCD制造中使用的MOS拓撲結構限制了可以在芯片上完成的信號調節和處理量。因此，通常需要將電荷輸出到完成處理的外部調節電路。

CCD行中的每個像素通常配備3個電極，如下圖所示：

其中一個電極用于創建用于電荷存儲的勢阱，而另外兩個用于計時電荷。

假設在其中一個電極下收集了電荷，如下圖所示：

為了將電荷從CCD中排出，將I?3保持在高電平會產生一個新的勢阱，這會迫使I?2和I?3之間共享電荷，如下圖所示。

接下來，I?2被拉低，這導致電荷完全轉移到電極I?3。

時鐘輸出過程通過將I?1設為高電平繼續進行，以確保電荷在I?1和I?3之間共享，最后將I?3設為低電平以使電荷在I?1電極下完全移動。

根據CCD中電極的排列/方向，此過程將繼續，電荷將沿列向下或跨行移動，直到到達最后一行，通常稱為讀出寄存器。

電荷測量：

在讀出寄存器的末端，連接的放大器電路用于測量每個電荷的值并將其轉換為電壓，典型轉換因子約為每個電子5-10μV。在成像應用中，基于CCD的相機將配備CCD芯片以及其他一些相關電子設備，但最重要的是放大器，它通過將電荷轉換為電壓有助于將像素數字化為可由軟件處理的形式，獲取捕獲的圖像。

CCD的特性

用于描述CCD的性能/質量/等級的一些屬性是：

1.量子效率：

量子效率是指CCD獲取/存儲電荷的效率。

在成像中，并非所有落在像素平面上的光子都被檢測到并轉換為電荷。成功檢測和轉換的照片百分比稱為量子效率。最好的CCD可以實現大約80%的QE。就上下文而言，人眼的量子效率約為20%。

2.波長范圍：

CCD通常具有較寬的波長范圍，從約400nm（藍色）到約1050nm（紅外線），峰值靈敏度約為700nm。然而，背面減薄等工藝可用于擴展CCD的波長范圍。

3.動態范圍：

CCD的動態范圍是指可以存儲在勢阱中的最小和最大電子數。在典型的CCD中，最大電子數通常約為150，000，而在大多數情況下，最小值實際上可能少于一個電子。用成像術語可以更好地解釋動態范圍的概念。就像我們之前提到的，當光線落在CCD上時，光子會轉化為電子并被吸入勢阱中，勢阱在某個點變得飽和。光子轉換產生的電子數量通常取決于源的強度，因此，動態范圍也用于描述CCD可以成像的最亮和最暗可能源之間的范圍。

4.線性：

選擇CCD時的一個重要考慮因素通常是它在很寬的輸入范圍內線性響應的能力。例如，在成像中，如果CCD檢測到100個光子并將其轉換為100個電子（例如，假設QE為100%），那么出于線性原因，如果它檢測到10000個光子，則預計會產生10000個電子。CCD中線性的價值在于降低了用于稱重和放大信號的處理技術的復雜性。如果CCD是線性的，則需要較少量的信號調節。

5、電源：

根據應用的不同，功率是任何設備的重要考慮因素，使用低功率組件通常是一個明智的決定。這是CCD為應用程序帶來的東西之一。雖然它們周圍的電路可能會消耗大量功率，但CCD本身是低功率的，典型消耗值約為50mW。

6.噪音：

像所有模擬設備一樣，CCD易受噪聲影響，因此，評估其性能和容量的主要屬性之一是它們如何處理噪聲。CCD中遇到的最終噪聲元素是讀出噪聲。它是電子對電壓轉換過程的產物，是估計CCD動態范圍的一個因素。

CCD的應用

電荷耦合器件可在不同領域找到應用，包括：

1.生命科學：

基于CCD的探測器和相機用于生命科學和醫學領域的各種成像應用和系統。該領域的應用非常廣泛，無法一一列舉，但一些具體的例子包括拍攝應用了對比增強的細胞圖像的能力，收集摻雜了熒光團的圖像樣本的能力（這會導致樣本發出熒光））并用于先進的X射線斷層掃描系統，以對骨骼結構和軟組織樣本進行成像。

2.光學顯微鏡：

雖然生命科學領域的應用包括在顯微鏡中的應用，但需要注意的是，顯微鏡應用不僅限于生命科學領域。各種類型的光學顯微鏡被用于其他有說服力的領域，如；納米技術工程、食品科學和化學。

在大多數顯微鏡應用中，使用CCD是因為它具有低噪聲比、高靈敏度、高空間分辨率和快速樣品成像，這對于分析微觀水平上發生的反應非常重要。

3.天文學：

在顯微鏡中，CCD用于對微小元素進行成像，但在天文學中，它用于聚焦大型和遙遠物體的圖像。天文學是CCD最早的應用之一，恒星、行星、流星等物體都已使用基于CCD的系統進行成像。

4.商用相機：

低成本CCD圖像傳感器用于商業相機。由于商用相機的低成本要求，與天文學和生命科學中使用的CCD相比，CCD的質量和性能通常較低。