电荷耦合器件是什么?电荷耦合器件的工作

电荷耦合器件是什么?

电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)是一种集成电路，上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD 广泛应用在数字摄影、天文学，尤其是摄影测量学(photometry)、光学与频谱望远镜，和高速摄影技术如幸运成像。

电荷耦合器件的工作

CCD的运行涉及三个阶段，由于最近最流行的应用是成像，因此最好结合成像来解释这些阶段。这三个阶段包括：

电荷感应/收集

充电计时

电荷测量

电荷感应/收集/存储：

如上所述，CCD由电荷存储元件组成，存储元件的类型和电荷感应/沉积方法取决于应用。在成像中，CCD由大量光敏材料组成，这些光敏材料分成小区域(像素)，用于构建感兴趣场景的图像。当投射在场景中的光在CCD上反射时，落入由其中一个像素定义的区域内的光子将被转换为一个(或多个)电子，其数量与像素的强度成正比。每个像素的场景，这样当CCD退出时，可以测量每个像素中的电子数量，并且可以重建场景。

下图显示了一个非常简化的CCD横截面。

从上图中可以看出，像素是由CCD上方的电极位置定义的。这样，如果向电极施加正电压，正电位将吸引靠近电极下方区域的所有带负电的电子。此外，任何带正电的空穴都将被电极周围的区域排斥，这将导致“势阱”的形成，其中所有由入射光子产生的电子都将被储存起来。

随着更多光落在CCD上，“势阱”变得更强并吸引更多电子，直到达到“全阱容量”(一个像素下可以存储的电子数量)。为了确保捕获正确的图像，例如在相机中使用快门以定时方式控制照明，以便填充势阱但不超过其容量，因为这可能会适得其反。

充电时钟输出：

CCD制造中使用的MOS拓扑结构限制了可以在芯片上完成的信号调节和处理量。因此，通常需要将电荷输出到完成处理的外部调节电路。

CCD行中的每个像素通常配备3个电极，如下图所示：

其中一个电极用于创建用于电荷存储的势阱，而另外两个用于计时电荷。

假设在其中一个电极下收集了电荷，如下图所示：

为了将电荷从CCD中排出，将IØ3保持在高电平会产生一个新的势阱，这会迫使IØ2和IØ3之间共享电荷，如下图所示。

接下来，IØ2被拉低，这导致电荷完全转移到电极IØ3。

时钟输出过程通过将IØ1设为高电平继续进行，以确保电荷在IØ1和IØ3之间共享，最后将IØ3设为低电平以使电荷在IØ1电极下完全移动。

根据CCD中电极的排列/方向，此过程将继续，电荷将沿列向下或跨行移动，直到到达最后一行，通常称为读出寄存器。