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title: "CCD：追踪电荷的接力互动实验｜Sandbox Physics"
description: "CCD 的电荷转移不完整时，亮点为什么会拖尾？每次时钟没能送走的电子，会在后续时钟进入后面的样本，亮点就拖出了尾巴。永久俘获会减少总信号，放大器噪声则在转移结束后给读数加上随机起伏。"
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last_modified: "2026-10-24"
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C-X2 · 从像素到读出放大器

# CCD：追踪电荷的接力

**CCD 的电荷转移不完整时，亮点为什么会拖尾？** 每次时钟没能送走的电子，会在后续时钟进入后面的样本，亮点就拖出了尾巴。永久俘获会减少总信号，放大器噪声则在转移结束后给读数加上随机起伏。

看三相时钟怎样把电荷推向读出放大器。把初始曝光和数字化输出放在一起，分清延迟电荷、俘获损失与读出噪声。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

这个合成模型只有十六个串行单元，初始曝光为固定双峰电荷分布。每个时钟把指定比例的电荷送向放大器，其余留到后续时钟；还可让一部分电荷被永久俘获。读出噪声为独立高斯放大器噪声，以电子数计。动画回放实际存下来的各单元状态。栅极时序为示意，不求解静电势，也不计算陷阱释放、暗电流、溢出、满阱饱和与光子散粒噪声。低效转移被刻意放大，科学 CCD 的单次转移效率可高于百分之九十九点九九。层厚和电荷云均作示意放大。

合成数据采集

## 放大器读出的样本流

默认记录

> 合成采集样本的交互图。

已存放大器样本

完整转移参考

虚线参考按反向单元顺序读出初始电荷。采集样本包含转移延迟、俘获与放大器噪声。

诺奖 · 凝聚态与电子器件

## 原来的实验究竟证明了什么？

沿着装置、观测和解释去读历史证据。每篇文章都会说明这个教学模型能解释哪一步。

[阅读历史证据](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/ccd-charge-transfer/) [查看六条阅读路径](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/)

物理教程

## 电荷怎样一步步走到放大器

**背景** CCD 把曝光存成势阱里的电子，再用时钟栅极把电荷送到公共读出放大器。

**为什么值得理解** 光学成像很清楚，读出结果仍可能拖尾。先追踪电子去了哪里，才能分清是光学模糊还是电荷转移。

先抓重点

- **核心问题**: CCD 的电荷转移不完整时，亮点为什么会拖尾？
- **一句话直觉**: 延迟电荷晚到，永久俘获的电荷则不会在本次读出中抵达放大器。

### 核心数学模型

#### 一个时钟后单元内的电荷

$$
q_j^{(k+1)}=(1-\ell)\left[(1-\eta)q_j^{(k)}+\eta q_{j-1}^{(k)}\right]
$$

左侧单元提供进入的电荷。最左单元没有电荷流入，最右单元把电荷送到放大器。

#### 电子数要加得回来

$$
Q_{\rm initial}=Q_{\rm collected}+Q_{\rm deferred}+Q_{\rm trapped}
$$

这个等式比较加读出噪声之前的电荷。有限次读出结束后，仍留在阵列里的尾部单独保留。

#### 放大器的读数

$$
y_k=q_{{\rm out},k}+\epsilon_k,\qquad \epsilon_k\sim\mathcal N(0,\sigma_r^2)
$$

扣掉电子学基线后，微弱样本可以因噪声而变成负数。这不会创造或消灭转移中的电子。

### 常见难点

#### 拖尾也能守恒

**容易误解** 主峰少掉的电子都消失了。

**正确理解** 延迟电荷可能进入后续样本，也可能在有限次读出结束时仍留在阵列。只有明确设置的永久俘获部分离开了可移动电荷。

#### 低效率被刻意放大

**容易误解** 科学 CCD 的单次转移效率通常只有百分之八十。

**正确理解** 真实科学 CCD 的单次效率可高于百分之九十九点九九。低效预设把延迟放大，才能在十六个单元里看清拖尾。

### 动手实验

1. 01

   #### 看一次干净的读出

   选择“干净转移”，沿亮电荷包追到放大器，再比较两个峰和输出样本。

   **你会看到：** 离放大器最近的像素先读出。转移几乎完整时，输出按反向空间顺序保留初始双峰。

2. 02

   #### 让一部分电荷晚到

   选择“明显拖尾”，观察后面的读出时钟。

   **你会看到：** 每个单元留下的电子会在后续样本中出现。拖尾和动画使用同一组存储状态。

3. 03

   #### 区分噪声和电荷损失

   比较“微弱曝光”与“电荷被俘获”，并导出样本。

   **你会看到：** 读出噪声围绕转移信号起伏；俘获会减少已读出电荷，并计入单独的俘获读数。

物理结论

读出会改变信号形状，也会加入噪声。检查守恒时，要把还留在单元内和被俘获的电子一起数上。

场、流体与物质 · 入门路径

## 从电场到电子显微镜

先看懂电场、学会操控带电粒子，再算出电子的波长，用电子束观察晶体和表面。

[从这里开始 → **看见电场** 在偶极子周围移动探针，看电场是不是总指向电势地形的下坡方向。 观察 · 8 分钟](https://sandboxphysics.com/zh/labs/electric-field/)

1. [1 看见电场](https://sandboxphysics.com/zh/labs/electric-field/)
2. [2 电荷在场中转弯](https://sandboxphysics.com/zh/labs/charged-particle/)
3. [3 电子波长与加速电压](https://sandboxphysics.com/zh/labs/electron-wavelength/)
4. [4 电子衍射与倒空间](https://sandboxphysics.com/zh/labs/electron-diffraction/)
5. [5 TEM 明场、暗场与选区衍射](https://sandboxphysics.com/zh/labs/tem-mode-selector/)
6. [6 SEM 二次电子表面形貌](https://sandboxphysics.com/zh/labs/sem-topography/)

[查看完整路径 →](https://sandboxphysics.com/zh/topics/fields-and-matter/#starter-path)