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，能感應光線，并將影像轉變成數字信號。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。CCD 廣泛應用在數字攝影、天文學，尤其是攝影測量學(photometry)、光學與頻譜望遠鏡，和高速攝影技術如幸運成像。

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用是成像，因此最好結合成像來解釋這些階段。這三個階段包括：

電荷感應/收集

充電計時

電荷測量

電荷感應/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/沉積方法取決于應用。在成像中，CCD由大量光敏材料組成，這些光敏材料分成小區域(像素)，用于構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域內的光子將被轉換為一個(或多個)電子，其數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域排斥，這將導致“勢阱”的形成，其中所有由入射光子產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拓撲結構限制了可以在芯片上完成的信號調節和處理量。因此，通常需要將電荷輸出到完成處理的外部調節電路。

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建用于電荷存儲的勢阱，而另外兩個用于計時電荷。

假設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，這導致電荷完全轉移到電極IØ3。

時鐘輸出過程通過將IØ1設為高電平繼續進行，以確保電荷在IØ1和IØ3之間共享，最后將IØ3設為低電平以使電荷在IØ1電極下完全移動。

根據CCD中電極的排列/方向，此過程將繼續，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。