60年代和70年代充满了辉煌的发现，发明和技术（尤其是存储技术）的进步。当时的主要发现之一是Willard Boyle和George Smith，他们探索了金属氧化物半导体（MOS）技术在半导体“气泡”存储器开发中的应用。
研究小组发现，电荷可以存储在一个微型MOS电容器上，该电容器可以通过这种方式连接，以使电荷可以从一个电容器移动到另一个电容器。这一发现导致了电荷耦合器件（CCD）的发明，电荷耦合器件（CCD）最初设计用于存储应用，但现在已成为高级成像系统的重要组件。
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将其解释为信息（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，CCD的部署应用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，可以将电荷控制设备定义为包含链接或耦合的电荷存储元件（电容仓）阵列的集成电路，其设计方式是在外部电路的控制下，将电荷存储在每个电容器中可以移至相邻的电容器。金属氧化物半导体电容器（MOS电容器）通常用于CCD中，并且通过向MOS结构的顶板施加外部电压，可以将电荷（电子（e-）或空穴（h +））存储在结果潜在。然后，可以通过施加到顶板（栅极）的数字脉冲将这些电荷从一个电容器转移到另一个电容器，并可以将它们逐行传输到串行输出寄存器。
电荷耦合器件的工作
CCD的操作涉及三个阶段，并且由于最近最流行的应用是成像，因此最好将这些阶段与成像进行解释。这三个阶段包括：
- 收费/收费
- 充电计时
- 电量测量
充电感应/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应/沉积的方法取决于应用。在成像中，CCD由分成小区域（像素）的大量光敏材料组成，并用于构建感兴趣场景的图像。当投向现场的光在CCD上反射时，落入由一个像素定义的区域内的光子将转换为一个（或多个）电子，其数量与电子的强度成正比。每个像素上的电子场景，以便当CCD移出时，可以测量每个像素中的电子数量，并且可以重建场景。
下图显示了通过CCD的非常简化的横截面。
从上面的图像可以看出，像素是由CCD上方电极的位置定义的。这样，如果将正电压施加到电极上，则正电势将吸引靠近电极下方区域的所有带负电的电子。另外，任何带正电的空穴将从电极周围区域排斥，这将导致“势阱”的发展，在该势阱中，入射光子产生的所有电子将被存储。
随着更多的光落在CCD上，“势阱”变得更强，并吸引了更多的电子，直到获得“全阱容量”（可以存储在一个像素下的电子数量）。为了确保捕获正确的图像，例如在相机中使用快门以定时的方式控制照明，以便填充势阱，但不会超过其能力，因为这可能会适得其反。
充电计时：
CCD制造中使用的MOS拓扑限制了可以在芯片上完成的信号调节和处理的数量。因此，通常需要将电荷移出到外部处理电路中进行处理。
CCD一行中的每个像素通常装有3个电极，如下图所示：
电极之一用于创建势阱用于电荷存储，而另两个电极用于计时输出电荷。
假设如下图所示，在一个电极下收集了电荷：
为了将电荷从CCD中计时出来，将IØ3保持高电平会产生一个新的势阱，这迫使电荷在IØ2和IØ3之间共享，如下图所示。
接下来，将IØ2设为低电平，这会导致电荷完全转移到电极IØ3。
通过使IØ1为高电平来确保输出时钟继续进行，以确保IØ1和IØ3之间共享电荷，最后使IØ3为低电平，从而使电荷在IØ1电极下完全转移。
根据CCD中电极的排列/方向，此过程将继续进行，电荷将沿列向下或跨行移动，直到到达最后一行为止，通常称为读出寄存器。
电量测量：
在读出寄存器的末尾，使用一个连接的放大器电路来测量每个电荷的值，并将其转换为电压，每个电子的典型转换因子约为5-10µV。在成像应用中，基于CCD的相机将带有CCD芯片以及其他一些相关的电子设备，但最重要的是放大器，放大器通过将电荷转换为电压有助于将像素数字化为可以由软件处理的形式，获得捕获的图像。
CCD的特性
描述CCD的性能/质量/等级所使用的一些属性是：
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会被检测到并转化为电荷。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通常具有从约400 nm（蓝色）到约1050 nm（红外）的宽波长范围，峰值灵敏度在700 nm左右。但是，可以使用诸如背面细化之类的工艺来扩展CCD的波长范围。
3.动态范围：
CCD的动态范围是指可以存储在势阱中的最小电子数量和最大电子数量。在典型的CCD中，最大电子数量通常约为150,000，而在大多数情况下，最小值实际上可能少于一个电子。动态范围的概念可能会在成像方面得到更好的解释。就像我们前面提到的，当光落在CCD上时，光子被转换成电子并被吸入势阱，势阱在某个点变得饱和。由光子转换产生的电子数量通常取决于光源的强度，因此，动态范围也用于描述可通过CCD成像的最亮光源与最暗光源之间的范围。
4.线性度：
在选择CCD时，一个重要的考虑因素通常是其在宽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％），则出于线性考虑，如果它检测到10000个光子，则有望产生10000个电子。CCD线性度的价值在于降低了用于称量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节。
5.电源：
根据不同的应用，功率是任何设备的重要考虑因素，而使用低功率组件通常是明智的选择。这是CCD带来的应用之一。尽管其周围的电路可能会消耗大量功率，但CCD本身是低功率的，典型功耗值约为50 mW。
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特性之一就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。它是电子与电压转换过程的乘积，并且是估计CCD动态范围的重要因素。
CCD的应用
电荷耦合器件可在不同领域找到应用，其中包括：
1.生命科学：
基于CCD的探测器和相机被用于生命科学和医学领域的各种成像应用和系统中。该领域的应用过于广泛，无法每一个都提及，但是一些特定的例子包括：可以对细胞进行图像增强并具有对比增强功能；可以收集掺有荧光团的图像样本（导致样本发荧光）。 ），并在先进的X射线断层扫描系统中使用，以对骨骼结构和软组织样本成像。
2.光学显微镜：
尽管生命科学领域的应用包括在显微镜中的使用，但重要的是要注意显微镜应用并不限于生命科学领域。各种类型的光学显微镜也用于其他有效领域，例如；纳米技术工程，食品科学和化学。
在大多数显微镜应用中，由于低噪声比，高灵敏度，高空间分辨率和快速样品成像而使用CCD，这对于分析在微观水平上发生的反应很重要。
3.天文学：
在显微镜下，CCD用于成像微小的元素，但在天文学中，CCD用于聚焦大型物体和远距离物体的图像。天文学是CCD的最早应用之一，范围广泛的物体（包括恒星，行星，流星等）都已使用基于CCD的系统成像。
4.商用相机：
低成本CCD图像传感器用于商业相机。由于商业相机的低成本要求，与天文学和生命科学相比，CCD通常具有较低的质量和性能。