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光谱仪用CCD介绍

2011-12-26 17:32:45 来源：卓立汉光

CCD，是英文Charge Coupled Device 即电荷耦合器件的缩写，它是在MOS晶体管电荷存储器的基础上发展起来的，*突出的特点是以电荷作为信号，而不是以电流或电压作为信号的。

在P型或N型硅单晶的衬底上生长一层厚度约为120~150nm的SiO2层，然后按一定次序沉积m行n列个金属电极或多晶硅电极作为栅极，栅极间隙约2.5μm，于是每个电极与其下方的SiO2和半导体间构成了一个MOS结构，这种结构再加上输入、输出结构就构成了m×n位CCD（m＞1，n≥1）；当n=1时，CCD器件被称为线阵CCD；当n＞1时,则为面阵CCD。
CCD按受光方式分为前感光和背感光两种。前感光CCD由于正面布置着很多电极，光经电极反射和散射，不仅使得响应度大大减低（量子效率通常低于50%），也因为多次反射产品的干涉效应使光谱响应曲线出现马鞍形的起伏；背感光CCD由于避免了上述问题，因而响应度大大提高，量子效率可达到80%以上。（如图示）

● CCD的重要性能参数：
◆ 量子效率
    量子效率是表征CCD芯片对不同波长的光信号的光电转换本领的高低，是CCD的一个重要参数。
◆ 动态范围
    一般定义动态范围是满阱容量与噪声的比值。增大动态范围的途径是降低暗电流和噪声，如采用制冷型CCD，或选择量子效率更高、像素尺寸更大的CCD。
◆ 噪声
        CCD的噪声包含信号噪声、读出噪声和热噪声。
1、信号噪声是指信号的随机噪声。
2、读出噪声是电荷转移时产生的噪声，它发生在每次电荷转移过程中，因此与读取的速度有关，读取速度越快，读出噪声也越高。
3、热噪声是温度引起的噪声，温度越低，热噪声越小。
◆ 分辨率
    面阵CCD的分辨率一般是指空间分辨率，它主要取决于CCD芯片的象元数和像素大小。
当CCD与光谱仪配合使用来进行光谱摄制时，其光谱分辨率则与光谱仪的光学色散能力以及CCD芯片的像素大小都有关系。
◆ 线性度
    线性度是表征CCD芯片中的不同像元对同一波长的输入信号，其输出信号强度与输入信号强度成比例变化的一致性。
◆ 读出速度（帧数）
    读出速度是用来表征单位时间内处理数据速度的快慢的参数。读出速度越快，单位时间内获得的信息越多；但同时要注意，读出速度越快，读出噪声越高。
◆ 制冷方式
       CCD的制冷方式主要有半导体（TE）制冷和液氮制冷。