電荷耦合器件的工作原理及特性應(yīng)用

60年代和70年代充滿了輝煌的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明和技術(shù)進(jìn)步，尤其是內(nèi)存技術(shù)。威拉德·博伊爾和喬治·史密斯在探索金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）技術(shù)在半導(dǎo)體“氣泡”存儲器開發(fā)中的應(yīng)用時取得了當(dāng)時的一項重要發(fā)現(xiàn)。

研究小組發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)移到另一個電容器。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了電荷耦合器件（CCD）的發(fā)明，該器件最初設(shè)計用于服務(wù)于內(nèi)存應(yīng)用，但現(xiàn)在已成為先進(jìn)成像系統(tǒng)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(nèi)部移動到可以被解釋或處理為信息（例如轉(zhuǎn)換為數(shù)字值）的區(qū)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(yīng)用程序以及它們與其他技術(shù)的比較優(yōu)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(shè)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(dǎo)體電容器（MOS電容器）通常用于CCD，通過向MOS結(jié)構(gòu)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(shù)字脈沖從一個電容器轉(zhuǎn)移到另一個電容器，并且可以逐行傳輸?shù)酱休敵?a href="http://ttokpm.com/tags/寄存器/" target="_blank">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(yīng)用是成像，因此最好結(jié)合成像來解釋這些階段。這三個階段包括：

電荷感應(yīng)/收集

充電計時

電荷測量

電荷感應(yīng)/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(yīng)/沉積方法取決于應(yīng)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(qū)域（像素），用于構(gòu)建感興趣場景的圖像。當(dāng)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(qū)域內(nèi)的光子將被轉(zhuǎn)換為一個（或多個）電子，其數(shù)量與像素的強(qiáng)度成正比。每個像素的場景，這樣當(dāng)CCD退出時，可以測量每個像素中的電子數(shù)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(qū)域的所有帶負(fù)電的電子。此外，任何帶正電的空穴都將被電極周圍的區(qū)域排斥，這將導(dǎo)致“勢阱”的形成，其中所有由入射光子產(chǎn)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(qiáng)并吸引更多電子，直到達(dá)到“全阱容量”（一個像素下可以存儲的電子數(shù)量）。為了確保捕獲正確的圖像，例如在相機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)限制了可以在芯片上完成的信號調(diào)節(jié)和處理量。因此，通常需要將電荷輸出到完成處理的外部調(diào)節(jié)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(chuàng)建用于電荷存儲的勢阱，而另外兩個用于計時電荷。

假設(shè)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(chǎn)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(dǎo)致電荷完全轉(zhuǎn)移到電極I?3。

時鐘輸出過程通過將I?1設(shè)為高電平繼續(xù)進(jìn)行，以確保電荷在I?1和I?3之間共享，最后將I?3設(shè)為低電平以使電荷在I?1電極下完全移動。

根據(jù)CCD中電極的排列/方向，此過程將繼續(xù)，電荷將沿列向下或跨行移動，直到到達(dá)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(zhuǎn)換為電壓，典型轉(zhuǎn)換因子約為每個電子5-10μV。在成像應(yīng)用中，基于CCD的相機(jī)將配備CCD芯片以及其他一些相關(guān)電子設(shè)備，但最重要的是放大器，它通過將電荷轉(zhuǎn)換為電壓有助于將像素數(shù)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(zhì)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(zhuǎn)換為電荷。成功檢測和轉(zhuǎn)換的照片百分比稱為量子效率。最好的CCD可以實現(xiàn)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(lán)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(kuò)展CCD的波長范圍。

3.動態(tài)范圍：

CCD的動態(tài)范圍是指可以存儲在勢阱中的最小和最大電子數(shù)。在典型的CCD中，最大電子數(shù)通常約為150，000，而在大多數(shù)情況下，最小值實際上可能少于一個電子。用成像術(shù)語可以更好地解釋動態(tài)范圍的概念。就像我們之前提到的，當(dāng)光線落在CCD上時，光子會轉(zhuǎn)化為電子并被吸入勢阱中，勢阱在某個點變得飽和。光子轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電子數(shù)量通常取決于源的強(qiáng)度，因此，動態(tài)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(nèi)線性響應(yīng)的能力。例如，在成像中，如果CCD檢測到100個光子并將其轉(zhuǎn)換為100個電子（例如，假設(shè)QE為100%），那么出于線性原因，如果它檢測到10000個光子，則預(yù)計會產(chǎn)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(shù)的復(fù)雜性。如果CCD是線性的，則需要較少量的信號調(diào)節(jié)。

5、電源：

根據(jù)應(yīng)用的不同，功率是任何設(shè)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(yīng)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(shè)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?nèi)绾翁幚碓肼?。CCD中遇到的最終噪聲元素是讀出噪聲。它是電子對電壓轉(zhuǎn)換過程的產(chǎn)物，是估計CCD動態(tài)范圍的一個因素。

CCD的應(yīng)用

電荷耦合器件可在不同領(lǐng)域找到應(yīng)用，包括：

1.生命科學(xué)：

基于CCD的探測器和相機(jī)用于生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的各種成像應(yīng)用和系統(tǒng)。該領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，無法一一列舉，但一些具體的例子包括拍攝應(yīng)用了對比增強(qiáng)的細(xì)胞圖像的能力，收集摻雜了熒光團(tuán)的圖像樣本的能力（這會導(dǎo)致樣本發(fā)出熒光））并用于先進(jìn)的X射線斷層掃描系統(tǒng)，以對骨骼結(jié)構(gòu)和軟組織樣本進(jìn)行成像。

2.光學(xué)顯微鏡：

雖然生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用包括在顯微鏡中的應(yīng)用，但需要注意的是，顯微鏡應(yīng)用不僅限于生命科學(xué)領(lǐng)域。各種類型的光學(xué)顯微鏡被用于其他有說服力的領(lǐng)域，如；納米技術(shù)工程、食品科學(xué)和化學(xué)。

在大多數(shù)顯微鏡應(yīng)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(fā)生的反應(yīng)非常重要。

3.天文學(xué)：

在顯微鏡中，CCD用于對微小元素進(jìn)行成像，但在天文學(xué)中，它用于聚焦大型和遙遠(yuǎn)物體的圖像。天文學(xué)是CCD最早的應(yīng)用之一，恒星、行星、流星等物體都已使用基于CCD的系統(tǒng)進(jìn)行成像。

4.商用相機(jī)：

低成本CCD圖像傳感器用于商業(yè)相機(jī)。由于商用相機(jī)的低成本要求，與天文學(xué)和生命科學(xué)中使用的CCD相比，CCD的質(zhì)量和性能通常較低。