电荷耦合检测器/Charge-Coupled Devices

电荷耦合检测器/Charge-Coupled Devices (CCD)

1970年，美国贝尔(Bell)实验室取得了电荷耦合器件（CCD）的专利。CCD的基本结构是由彼此非常靠近的一系列MOS电容组成的。CCD的基本功能就是电荷的产生、存储和转移。

一、电荷的产生

如图4.1.1，在光的照射下，由于光电效应，产生了电荷（这里是电子，在CID讲解中，大家会看到光生空穴；电子是负电荷，空穴可以看成正电荷），随着光的持续照射，电荷越积越多。

二、电荷的存储
CCD的每个感光元件相当于一个电容。产生的电荷就存储在MOS电容中。

如图4.1.2，栅极可以看作电容的一极， 二氧化硅为电容的介质，高掺杂的P型硅为电容的另一 极，想想平行板电容器，这个就好理解了。

三、电荷的转移

图4.1.3中有几个MOS电容呢？比较图4.1.2看看。

有三个黄框框A,B,C（每个黄框框就是图4.1.2中的栅极），就有三个MOS电容。如上面所说“CCD的基本结构是由彼此非常靠近的一系列MOS电容组成的。”
图4.1.3中， 在光辐射的作用下，中间的黄框框下积累了电荷。如果三根绿线上同时施加有合适电压和相位的方波信号(图4.1.4，只是这个波形，实际相位是不同的)，就可以把B黄框下的电荷转移到其他黄框框下，从而实现电荷的转移。

如图4.1.3，在方波信号的驱动下，栅极B下的电荷，转移到栅极C下，然后转变为电压信号，通过模拟/数字信号转换器，变为用0和1表示的数字信号，送到信号处理电路处理。

如果光辐射同时照射A,B,C三个黄框框，那在A,B,C三个黄框框下都积累了电荷，那怎么读取这三处电荷呢？ 显然，可以先把C下的电荷移走，然后B -->C , 再 A --> B --> C，这样要消耗一定的时间，如果你还没能移走A,B,C下的电荷，光能量改变了，那我们这次检测就失败了，所以，有时，我们会觉得CCD转换速度不够快。

假设我们有一个使用CCD作为检测器的分光光度计，这个CCD检测器只有3个感光单元，如果3个感光单元的间距合适，就可以同时记录从光栅色散来的3个波长的光能量。如果我们的CCD的感光单元再多些的话，我们就可以记录更多波长的光能量了。这就是光谱直读的原理。

一、CCD的分类CCD分为线型和面型两类。
以图2.3.1 这样的CCD 结构为例，线型和面型如图2.3.5.

注：上图中的每个黄框代表一个MOS电容即感光单元。

我们上面解释原理的CCD，就是有3个检测单元的线型CCD。
在分光光度计中，由于光栅色散的光谱是线性排列的一个个谱线，只要线性的CCD就够了，而且面型CCD的控制更加复杂，延时时间相应的也更长，所以，在分光光度计中一般都是使用的线型CCD。

二、CCD检测器的“木桶原理”
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如图4.1.6中：
木桶 ------- MOS电容（CCD上的感光单元） 。
雨滴 ------- 每一个雨滴可以理解为光辐射的一个光子。
木桶中的雨水量 ---- MOS电容中存储的电荷。
量筒 ------ 相当于图4.1.3中的信号处理电路。
输出传送带 ----- 可以理解为图4.1.3中的电荷转换电路和模数转换电路。
1，2，3编号 ----- 水平传送带的编号。
1，2，3号传送带的驱动力 ------ 相当于图4.1.3中绿线上施加的方波信号。

想像一个场景： 假如1，2，3号传送带上的12个木桶每个占据我们一个省份，今天我们全国下了一场大雨，一个个木桶中都存了不少的雨水。为了分析这12个省份的降水量分布图，我们通过驱动1，2，3号传送带把1，2，3号传送带上最右边的3个木桶移到输出传动带上，然后停止驱动1，2，3号传动带。如图4.1.6，输出传送带上已传好了3个木桶，接下来，我们驱动输出传送带，并使3个木桶中的水逐个倒入量筒中，并记录下来。然后，再驱动1，2，3号上移到最右边的3个木桶，使它们到输出传动带上。如此循环我们就可以量取这12个木桶中的雨量，12个省份的雨水分布图就一目了然。
显然，什么时候驱动（方波信号的有无）1，2，3号传动带和输出传动带，和驱动它们的顺序（方波信号的相位）是有要求的，不然木桶就要打架了。这就是上面所说，驱动三根绿线的方波信号，要有合适的电压和相位。