20世纪60年代和70年代充满了辉煌的发现、发明和技术进步，尤其是记忆技术。威拉德博伊尔和乔治史密斯在探索金属氧化物半导体(MOS)技术在半导体发展中的应用时，有了一个重要发现泡泡记忆。
研究小组发现，电荷可以存储在微型MOS电容器上，这种电容器的连接方式使得电荷可以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，CCD最初是为存储应用服务的，但现在它已经成为高级成像系统的重要组成部分。
CCD(电荷耦合器件)是一种高灵敏度的光子探测器，用于将电荷从设备内部移动到可以解释或处理为信息(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？
简而言之，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(电容器仓)的集成电路，其设计方式使得存储在每个电容器中的电荷可以在外部电路的控制下移动到相邻的电容器。金属氧化物半导体电容(MOS电容)常用于CCD。通过向MOS结构的顶板施加外部电压，电荷(电子(e-)或空穴(h))可以存储在产生的电势中。然后，这些电荷可以通过施加于顶板(栅极)的数字脉冲从一个电容转移到另一个电容，并可以逐行转移到串行输出寄存器。
电荷耦合器件的操作
CCD的操作包括三个阶段。由于最近最热门的应用是成像，所以最好结合成像来解释这几个阶段。这三个阶段包括：
电荷感应/收集
充电时间
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，并且存储元件的类型和电荷感测/沉积方法取决于应用。在成像方面，CCD由大量感光材料组成，这些感光材料被分成小区域(像素)，用于构建有趣场景的图像。当投射到场景上的光在CCD上反射时，落在由其中一个像素定义的区域中的光子将被转换成一个(或多个)电子，电子的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，可以测量每个像素的电子数，重建场景。
下图显示了一个非常简化的CCD横截面。
从上图可以看出，像素是由CCD上方电极的位置定义的。这样，如果向电极施加正电压，正电势将吸引电极下方区域附近所有带负电的电子。此外，任何带正电荷的空穴都会被电极周围的区域排斥，这将导致形成一个势阱其中将存储由入射光子产生的所有电子。
随着更多的光落在CCD上。势阱变得更强并吸引更多的电子，直到满井产能达到了(一个像素下可以存储的电子数)。例如，为了确保捕捉到正确的图像，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拓扑结构限制了芯片上可以完成的信号调理和处理量。因此，通常需要将电荷输出到完成处理的外部调整电路。
CCD行中的每个像素通常配备3个电极，如下图所示：
一个电极用于创建电荷存储的势阱，而另外两个电极用于定时充电。
假设电荷在其中一个电极下被收集，如下图所示：
为了从CCD释放电荷，将i3保持在高电平会产生一个新的势阱，迫使I2和i3共享电荷，如下图所示。
接下来，I2被拉低，这使得电荷完全转移到电极i3。
时钟输出过程继续，将i1设为高电平，以确保i1和i3共享电荷，最后将i3设为低电平，使电荷完全在i1电极下移动。
根据CCD中电极的排列/方向，这一过程将继续，电荷将向下或穿过列移动，直到到达最后一行，这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。典型的转换因子是每个电子大约5-10V。在成像应用中，基于CCD的相机将配备CCD芯片和其他相关的电子设备，但最重要的是一个放大器，它可以通过将电荷转换为电压，帮助将像素数字化为软件可以处理的形式，并获得拍摄的图像。
CCD的特性
用于描述CCD性能/质量/等级的一些属性有：
1.量子效率：
量子效率是指CCD的电荷获取/存储效率。
在成像中，并不是所有落在像素平面上的光子都被检测到并转换成电荷。成功检测和转换的照片的百分比称为量子效率。最好的CCD可以达到80%左右的QE。就上下文而言，人眼的量子效率约为20%。
2.波长范围：
一般CCD的波长范围很宽，从400nm左右(蓝光)到1050nm左右(红外)，峰值灵敏度在700nm左右。然而，可以使用诸如背面减薄之类的工艺来扩展CCD的波长范围。
3.动态范围：
CCD的动态范围是指一个势阱中可以存储的最小和最大电子数。在典型的CCD中，电子的最大数量通常约为150，000，但在大多数情况下，最小值实际上可能小于一个电子。成像术语可以更好地解释动态范围的概念。我们之前提到过，当光落在CCD上时，光子会转化为电子，被吸入势阱，势阱在某一点会变得饱和。光子转换产生的电子数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能量源之间的范围。
4.线性度：
选择CCD时，一个重要的考虑因素通常是它在宽输入范围内的线性响应能力。比如成像，如果CCD探测到100个光子，转换成100个电子(比如假设QE是100%)，那么出于线性原因，如果探测到10000个光子，预计会产生10000个电子。CCD中等线性度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，则需要较少的信号调理。
5、电源：
根据应用的不同，功率对于任何设备都是一个重要的考虑因素，使用低功耗器件通常是一个明智的决定。这是CCD给应用带来的东西之一。虽然它们周围的电路可能会消耗大量的功率，但CCD本身是低功耗的，典型的消耗值在50mW左右。
6.噪音：
像所有模拟器件一样，CCD容易受到噪声的影响。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中遇到的最后一个噪声元素是读出噪声。它是电子-电压转换过程的产物，也是估计CCD动态范围的一个因素。
CCD的应用
CCD可应用于不同领域，包括：
1.生命科学：
基于CCD的检测器和照相机用于生命科学和医学领域的各种成像应用和系统中。这一领域的应用范围太广，无法一一列举，但一些具体的例子包括拍摄对比度增强的细胞图像的能力，收集掺有荧光团(这将导致样品发荧光)的图像样品的能力，以及在先进的X射线断层成像系统中使用它们对骨骼结构和软组织样品进行成像的能力。
2.光学显微镜：
虽然在生命科学中的应用包括在显微镜中的应用，但是需要注意的是，显微镜的应用并不局限于生命科学。各种类型的光学显微镜用于其他令人信服的领域，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是因为其低噪声比、高灵敏度、高空间分辨率和快速样品成像，这对分析微观水平的反应非常重要。
3.天文学：
在显微镜中，CCD用于微小元素的成像，但在天文学中，它用于聚焦大而远的物体的图像。这是CCD在天文学中最早的应用之一。基于CCD的系统已经对恒星、行星、流星和其他物体进行了成像。
4.商用摄像机：
商用相机采用低成本CCD图像传感器。由于商业相机的低成本要求，CCD的质量和性能通常低于天文学和生命科学中使用的CCD。
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