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Sandbox Physics
控制电流与光的材料

材料 · 测量 · 解释

CCD 成像:先搬运电荷,再读出信号

时钟驱动的电荷阱,怎样把曝光变成电图像?

  1. 把吸收的光变成电荷

  2. 把电荷包存进势阱

  3. 按时钟逐步送往输出

  4. 逐包放大并数字化

收光、电荷转移和电读出,会分别带来不同损失与噪声。

1969 年的构想是按时钟移动电荷

Boyle 和 Smith 于 1969 年提出电荷耦合器件,最初考虑存储。相邻栅极的电压改变势阱形状,推动已存电荷移动,不必让每个像素单独配放大器。

用于成像时,再把这一搬运机制与光生电荷结合。后续传感器发展才做成实用相机,2009 年授奖表彰 CCD 发明。

来源:[1][2]

曝光与读出是不同阶段

曝光时,像素收集吸收光子产生的电子,也混入暗电荷。读出时,时钟序列把电荷包移过相邻势阱和串行寄存器,送往放大器;像素顺序由这套序列保存。

来源:[1]

很小的转移误差也会积累

陷阱会拖住电子,使亮电荷包后面留下拖尾。每次转移即使很高效,许多次以后误差仍会积累。放大器加入的读出噪声,与搬运途中丢失或延迟的电荷是两回事。

来源:[1]

新 Lab 跟着电荷包走到放大器

CCD Lab 显示分相栅极和电荷搬运,再比较存入的电荷包与读出样本。合成转移和噪声参数让读者分开研究两个阶段;镜头聚焦沿用已有相机光学路线。

来源:[1][3]

来源与阅读说明

  1. 2009 Nobel scientific background: semiconductor image sensors

    时钟驱动的电荷转移、串行读出、量子效率和噪声是成像的不同环节。

  2. Boyle: interview about the 1969 CCD idea

    本人回忆;区分最初存储构想与后来的成像发展。

  3. Nobel Prize in Physics 2009: official award

    核对获奖归属与年份。原始观测或理论论文往往早得多。

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