電荷耦合器件是什么?

電荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)是一種集成電路，上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。經(jīng)由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。CCD 廣泛應(yīng)用在數(shù)字攝影、天文學(xué)，尤其是攝影測量學(xué)(photometry)、光學(xué)與頻譜望遠鏡，和高速攝影技術(shù)如幸運成像。

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(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(shù)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(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IØ3保持在高電平會產(chǎn)生一個新的勢阱，這會迫使IØ2和IØ3之間共享電荷，如下圖所示。

接下來，IØ2被拉低，這導(dǎo)致電荷完全轉(zhuǎn)移到電極IØ3。

時鐘輸出過程通過將IØ1設(shè)為高電平繼續(xù)進行，以確保電荷在IØ1和IØ3之間共享，最后將IØ3設(shè)為低電平以使電荷在IØ1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，直到到達最后一行，通常稱為讀出寄存器。