电荷耦合器件的工作原理及特性应用

作者：Emmanuel Odunlade

60年代和70年代充满了辉煌的发现、发明和技术进步，尤其是内存技术。威拉德·博伊尔和乔治·史密斯在探索金属氧化物半导体（MOS）技术在半导体“气泡”存储器开发中的应用时取得了当时的一项重要发现。

研究小组发现，电荷可以存储在一个微型MOS电容器上，该电容器的连接方式可以使电荷从一个电容器转移到另一个电容器。这一发现导致了电荷耦合器件（CCD）的发明，该器件最初设计用于服务于内存应用，但现在已成为先进成像系统的重要组成部分。

CCD（电荷耦合器件）是一种高度灵敏的光子检测器，用于将电荷从器件内部移动到可以被解释或处理为信息（例如转换为数字值）的区域。

在今天的文章中，我们将研究CCD的工作原理、部署它们的应用程序以及它们与其他技术的比较优势。

什么是电荷耦合器件？

简单来说，电荷控制器件可以定义为包含一系列链接或耦合的电荷存储元件（电容仓）的集成电路，其设计方式是在外部电路的控制下，存储在每个电容器中的电荷可以移动到相邻的电容器。金属氧化物半导体电容器（MOS电容器）通常用于CCD，通过向MOS结构的顶板施加外部电压，可以将电荷（电子（e-）或空穴（h+））存储在生成的潜在的。然后，这些电荷可以通过施加到顶板（栅极）的数字脉冲从一个电容器转移到另一个电容器，并且可以逐行传输到串行输出寄存器。

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。

电荷测量：

在读出寄存器的末端，连接的放大器电路用于测量每个电荷的值并将其转换为电压，典型转换因子约为每个电子5-10µV。在成像应用中，基于CCD的相机将配备CCD芯片以及其他一些相关电子设备，但最重要的是放大器，它通过将电荷转换为电压有助于将像素数字化为可由软件处理的形式，获取捕获的图像。

CCD的特性

用于描述CCD的性能/质量/等级的一些属性是：

1.量子效率：

量子效率是指CCD获取/存储电荷的效率。

在成像中，并非所有落在像素平面上的光子都被检测到并转换为电荷。成功检测和转换的照片百分比称为量子效率。最好的CCD可以实现大约80%的QE。就上下文而言，人眼的量子效率约为20%。

2.波长范围：

CCD通常具有较宽的波长范围，从约400nm（蓝色）到约1050nm（红外线），峰值灵敏度约为700nm。然而，背面减薄等工艺可用于扩展CCD的波长范围。

3.动态范围：

CCD的动态范围是指可以存储在势阱中的最小和最大电子数。在典型的CCD中，最大电子数通常约为150，000，而在大多数情况下，最小值实际上可能少于一个电子。用成像术语可以更好地解释动态范围的概念。就像我们之前提到的，当光线落在CCD上时，光子会转化为电子并被吸入势阱中，势阱在某个点变得饱和。光子转换产生的电子数量通常取决于源的强度，因此，动态范围也用于描述CCD可以成像的最亮和最暗可能源之间的范围。

4.线性：

选择CCD时的一个重要考虑因素通常是它在很宽的输入范围内线性响应的能力。例如，在成像中，如果CCD检测到100个光子并将其转换为100个电子（例如，假设QE为100%），那么出于线性原因，如果它检测到10000个光子，则预计会产生10000个电子。CCD中线性的价值在于降低了用于称重和放大信号的处理技术的复杂性。如果CCD是线性的，则需要较少量的信号调节。

5、电源：

根据应用的不同，功率是任何设备的重要考虑因素，使用低功率组件通常是一个明智的决定。这是CCD为应用程序带来的东西之一。虽然它们周围的电路可能会消耗大量功率，但CCD本身是低功率的，典型消耗值约为50mW。

6.噪音：

像所有模拟设备一样，CCD易受噪声影响，因此，评估其性能和容量的主要属性之一是它们如何处理噪声。CCD中遇到的最终噪声元素是读出噪声。它是电子对电压转换过程的产物，是估计CCD动态范围的一个因素。

CCD的应用

电荷耦合器件可在不同领域找到应用，包括：

1.生命科学：

基于CCD的探测器和相机用于生命科学和医学领域的各种成像应用和系统。该领域的应用非常广泛，无法一一列举，但一些具体的例子包括拍摄应用了对比增强的细胞图像的能力，收集掺杂了荧光团的图像样本的能力（这会导致样本发出荧光））并用于先进的X射线断层扫描系统，以对骨骼结构和软组织样本进行成像。

2.光学显微镜：

虽然生命科学领域的应用包括在显微镜中的应用，但需要注意的是，显微镜应用不仅限于生命科学领域。各种类型的光学显微镜被用于其他有说服力的领域，如；纳米技术工程、食品科学和化学。

在大多数显微镜应用中，使用CCD是因为它具有低噪声比、高灵敏度、高空间分辨率和快速样品成像，这对于分析微观水平上发生的反应非常重要。

3.天文学：

在显微镜中，CCD用于对微小元素进行成像，但在天文学中，它用于聚焦大型和遥远物体的图像。天文学是CCD最早的应用之一，恒星、行星、流星等物体都已使用基于CCD的系统进行成像。

4.商用相机：

低成本CCD图像传感器用于商业相机。由于商用相机的低成本要求，与天文学和生命科学中使用的CCD相比，CCD的质量和性能通常较低。