第一章 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。
第一节 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。