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(jié)構(gòu)是由彼此非?？拷囊幌盗蠱OS電容組成的。CCD的基本功能就是電荷的產(chǎn)生、存儲和轉(zhuǎn)移。

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一、電荷的產(chǎn)生

如圖4.1.1，在光的照射下，由于光電效應(yīng)，產(chǎn)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(xù)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(chǎn)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(zhì)，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)是由彼此非?？拷囊幌盗蠱OS電容組成的?！?br>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(zhuǎn)移到其他黃框框下，從而實現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移。

如圖4.1.3，在方波信號的驅(qū)動下，柵極B下的電荷，轉(zhuǎn)移到柵極C下，然后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，通過模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器，變?yōu)橛?和1表示的數(shù)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(zhuǎn)換速度不夠快。

假設(shè)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(jié)構(gòu)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(fù)雜，延時時間相應(yīng)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(zhuǎn)換電路和模數(shù)轉(zhuǎn)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(qū)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(jù)我們一個省份，今天我們?nèi)珖铝艘粓龃笥?，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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(huán)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(qū)動（方波信號的有無）1，2，3號傳動帶和輸出傳動帶，和驅(qū)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(qū)動三根綠線的方波信號，要有合適的電壓和相位。