电荷耦合器件（CCD）是数字成像的一项主要技术，并已应用于天文摄影，光谱仪和干涉仪中。该技术可以进行光检测，并广泛用于需要高质量图像数据的专业，医学和科学应用中的图像感测中，例如数码相机和有源像素传感器。基于CCD的探测器可使科学家在给定的实验条件下记录最佳的数据。
什么是电荷耦合器件？
CCD是一种电荷耦合器件。它本质上是一个印在硅表面上的集成电路，形成称为像素的光敏元件。它们可以数字方式捕获光子以生成样品图像，并且基本上是掺杂了硅晶片，并印有光敏区域以捕获光子。
这些光敏区域基于金属氧化物半导体（MOS）结构，其中MOS电容器是最基本的构建模块。这些电容器中的每一个都充当光电二极管，而光电二极管又充当像素。
这些p掺杂的金属MOS电容器在发生图像捕获时被偏置在反转阈值以上。这允许在半导体-氧化物界面处将入射的光子转换成电子。然后使用CCD读取这些电荷。
MOS技术是由Mohamed M Atalla和Dawon Kahng在1959年在贝尔实验室开发的。到1960年代后期，贝尔实验室的Willard Boyle和George E Smith通过连续创建一系列MOS电容器并逐步提高电压来实现CCD.一一沿着。
他们的目的是沿着半导体表面将电荷从一个存储电容器转移到另一个。他们因这项工作而获得2009年诺贝尔物理学奖，并且是贝尔实验室的众多诺贝尔奖获得者之一。
CCD如何工作
CCD通过使信号在设备内各级之间“移动”一次来移动电荷。电荷在设备中的电容性“仓”之间转移，例如，可以通过将电荷转换为数字值来操纵电荷。
它的第一个实验应用是在图像传感器技术中，其中耗尽型MOS检测器被用作光电检测器。在用于捕获图像的CCD中，图像通过透镜投射到电容器区域上，该电容器区域是由硅外延层组成的光敏区域。这导致每个电容器在该位置积累与光强度成比例的电荷。
传输区（从技术上讲是CCD）是由移位寄存器组成的。一旦阵列暴露在图像中，控制电路就会使每个电容器将其内容传输到其邻居（用作移位寄存器）。阵列中的最后一个电容器将其电荷卸载到电荷放大器中，电荷放大器将其转换为电压。
CCD在晶体学中的应用
晶体学是一门实验科学，它确定晶体固体中原子的排列。例如，X射线晶体学可以解析大型生物分子（如蛋白质）的结构。该方法取决于对被光束瞄准的样品的衍射图样的分析，无论是X射线，电子还是中子（后者称为电子或中子衍射）。
通常，CCD检测器允许用户在记录曝光的几秒钟内检查所获取的衍射图像。典型的基于CCD的X射线检测器具有薄的荧光屏，可将X射线转换为可见光。它通过透镜，图像增强器和/或光纤耦合到记录光信号的CCD.这些基本组件有几种配置，区别在于区别了基于CCD的不同检测器。
该技术可用于高分辨率数据收集，酶复合物的差异傅立叶分析，使用多个同构置换和多个波长异常衍射定相实验的新结构的求解。
对于X射线晶体学，使用描述检测器和实验的表达式来证明基于CCD的检测器的性能。检测器由相同模块的阵列组成，每个模块包含一个磷光体X射线到光的转换器，一个光纤锥度（通常用于最大化检测器的灵敏度和读出速度）和一个CCD.
该性能按探测量子效率（DQE）和动态范围（DR）以及四个附加表达式进行分类：实验性侦探量子效率（XDQE）；实验性侦探收集效率（XDCE）；和实验动态范围（XDR）。
这些附加表达式提供了一种在检测器的设计中包括实验约束的方法，例如要求对布拉格峰进行积分以达到最大精度，并有效地收集高分辨率的数据。
CCD检测器已成为确定X射线衍射结构的常规工具，它们在X射线实验室中越来越多地使用，并且也越来越多地用于高压研究中。
基于CCD的探测器的优势
CCD图像传感器之所以占主导地位，主要是因为它们可以利，用现有的制造技术提供更优质的图像。在性能和便利性方面，基于CCD的检测器优于胶片和存储磷光体成像板。他们还可以比其他方法更快地收集数据，并提供更快的读取速度。其他优点包括更低的噪声和更高的效率；改进点扩散功能；空间失真可忽略不计，等等。