อุปกรณ์ชาร์จคู่

อุปกรณ์ชาร์จคัปเปิล ( CCD ) คือวงจรรวม ที่มีตัวเก็บ ประจุแบบเชื่อมโยงหรือแบบมีคู่กันหลายตัวภายใต้การควบคุมของวงจรภายนอก ตัวเก็บประจุแต่ละตัวสามารถถ่ายโอนประจุไฟฟ้า ไปยังตัวเก็บประจุข้างเคียงได้ เซ็นเซอร์ CCD เป็นเทคโนโลยีหลักที่ใช้ในการถ่ายภาพดิจิทัล

ใน เซ็นเซอร์ภาพ CCD พิกเซลจะแสดงโดยตัวเก็บประจุโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์( MOS) ที่โดปด้วย p ตัวเก็บประจุ MOSเหล่านี้ซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของ CCD ^[1]จะได้รับค่าไบแอสเหนือเกณฑ์สำหรับการกลับด้านเมื่อเริ่มรับภาพ ทำให้สามารถแปลงโฟตอน ที่เข้ามา เป็นประจุอิเล็กตรอนที่อินเทอร์เฟซเซมิคอนดักเตอร์-ออกไซด์ จากนั้น CCD จะถูกใช้เพื่ออ่านประจุเหล่านี้

แม้ว่า CCD จะไม่ใช่เทคโนโลยีเดียวที่ใช้ตรวจจับแสงได้ แต่เซนเซอร์ภาพ CCD ยังคงใช้กันอย่างแพร่หลายในงานระดับมืออาชีพ ทางการแพทย์ และทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งจำเป็นต้องมีข้อมูลภาพที่มีคุณภาพสูง

ในแอปพลิเคชั่นที่มีความต้องการคุณภาพที่ไม่เข้มงวดมาก เช่นกล้องดิจิทัลสำหรับ ผู้บริโภคและมืออาชีพ มักใช้ เซนเซอร์พิกเซลแอ็ก ทีฟ หรือที่เรียกว่าเซนเซอร์ CMOS (เซนเซอร์ MOS เสริม)

อย่างไรก็ตาม ข้อได้เปรียบด้านคุณภาพขนาดใหญ่ที่ CCD มีในช่วงแรกได้ลดลงเมื่อเวลาผ่านไป และตั้งแต่ช่วงปลายทศวรรษปี 2010 เป็นต้นมา เซนเซอร์ CMOS ก็กลายเป็นเทคโนโลยีที่โดดเด่น โดยได้เข้ามาแทนที่เซนเซอร์ภาพ CCD เป็นส่วนใหญ่หรืออาจจะทั้งหมดเลยด้วยซ้ำ

พื้นฐานของ CCD คือ โครงสร้าง โลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOS) ^[2]โดยที่ตัวเก็บประจุ MOSเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของ CCD ^{[1] [3]}และ โครงสร้าง MOS ที่หมดลงซึ่งใช้เป็นเครื่องตรวจจับภาพในอุปกรณ์ CCD ในยุคแรก^{[2] [4]}

ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 Willard BoyleและGeorge E. Smithที่ Bell Labs ได้ทำการวิจัยเทคโนโลยี MOS ในขณะที่ทำงานเกี่ยวกับหน่วยความจำแบบฟองอากาศ ของสารกึ่งตัวนำ พวกเขาพบว่าประจุไฟฟ้านั้นเปรียบได้กับฟองอากาศแม่เหล็ก และสามารถเก็บไว้ในตัวเก็บประจุ MOS ขนาดเล็กได้ เนื่องจากการสร้างตัวเก็บประจุ MOS หลายๆ ตัวในแถวเดียวกันนั้นค่อนข้างตรงไปตรงมา พวกเขาจึงเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมกับตัวเก็บประจุเหล่านี้เพื่อให้ประจุสามารถเคลื่อนที่จากตัวหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่งได้^[3]สิ่งนี้ทำให้ Boyle และ Smith ประดิษฐ์อุปกรณ์จับคู่ประจุในปี 1969 พวกเขาได้คิดค้นสิ่งที่เรียกว่า "อุปกรณ์ฟองอากาศชาร์จ" ในสมุดบันทึกของพวกเขา^{[5] [6]}

เอกสารเริ่มต้นที่อธิบายแนวคิดในเดือนเมษายน พ.ศ. 2513 ระบุการใช้งานที่เป็นไปได้ ได้แก่หน่วยความจำเส้นหน่วงเวลา และอุปกรณ์สร้างภาพ^[7]อุปกรณ์นี้ยังสามารถใช้เป็นรีจิสเตอร์เลื่อนได้ด้วย สาระสำคัญของการออกแบบคือความสามารถในการถ่ายโอนประจุไปตามพื้นผิวของเซมิคอนดักเตอร์จากตัวเก็บประจุตัวหนึ่งไปยังตัวถัดไป แนวคิดนี้คล้ายคลึงกับอุปกรณ์บัคเก็ตบริเกด (BBD) ซึ่งได้รับการพัฒนาที่ห้องปฏิบัติการวิจัยฟิลิปส์ในช่วงปลายทศวรรษ 1960

อุปกรณ์ทดลองชิ้นแรกที่สาธิตหลักการดังกล่าวคือแผ่นโลหะสี่เหลี่ยมที่วางชิดกันบน พื้นผิว ซิลิกอนที่ถูกออกซิ ไดซ์ ซึ่งเข้าถึงด้วยไฟฟ้าด้วยพันธะลวด อุปกรณ์นี้ได้รับการสาธิตโดยGil Amelio , Michael Francis Tompsettและ George Smith ในเดือนเมษายน พ.ศ. 2513 ^[8]นี่เป็นการประยุกต์ใช้ CCD ใน เทคโนโลยี เซ็นเซอร์ภาพใน เชิงทดลองครั้งแรก และใช้โครงสร้าง MOS ที่ลดลงเป็นเครื่องตรวจจับภาพ^[2] สิทธิบัตรฉบับแรก( สิทธิบัตรสหรัฐอเมริกา 4,085,456 ) เกี่ยวกับการประยุกต์ใช้ CCD ในการถ่ายภาพได้รับมอบหมายให้กับ Tompsett ซึ่งยื่นคำขอดังกล่าวในปีพ.ศ. 2514 ^[9]

CCD ที่ใช้งานได้ตัวแรกที่ผลิตด้วย เทคโนโลยี วงจรรวมเป็นชิฟต์รีจิสเตอร์ 8 บิตแบบง่าย ๆ ซึ่งรายงานโดย Tompsett, Amelio และ Smith ในเดือนสิงหาคม 1970 ^[10]อุปกรณ์นี้มีวงจรอินพุตและเอาต์พุตและถูกใช้เพื่อสาธิตการใช้งานเป็นชิฟต์รีจิสเตอร์และเป็นอุปกรณ์ถ่ายภาพเชิงเส้นแปดพิกเซล แบบหยาบ ๆ การพัฒนาอุปกรณ์คืบหน้าอย่างรวดเร็ว ภายในปี 1971 นักวิจัยของ Bell ที่นำโดย Michael Tompsett สามารถจับภาพด้วยอุปกรณ์เชิงเส้นแบบง่าย ๆ ได้^[11] บริษัทหลายแห่งรวมถึงFairchild Semiconductor , RCAและTexas Instrumentsหยิบเอาสิ่งประดิษฐ์นี้มาใช้และเริ่มโครงการพัฒนา ความพยายามของ Fairchild ซึ่งนำโดย Gil Amelio อดีตนักวิจัยของ Bell เป็นรายแรกที่มีอุปกรณ์เชิงพาณิชย์ และภายในปี 1974 ก็มีอุปกรณ์เชิงเส้น 500 องค์ประกอบและอุปกรณ์ 2D 100 × 100 พิกเซล Peter Dillon นักวิทยาศาสตร์จาก Kodak Research Labs ได้ประดิษฐ์เซ็นเซอร์ภาพ CCD สีตัวแรกโดยการซ้อนอาร์เรย์ตัวกรองสีบน Interline CCD 100 x 100 พิกเซลของ Fairchild ในปีพ.ศ. 2518 ^[12] Steven Sassonวิศวกรไฟฟ้าที่ทำงานให้กับKodak Apparatus Division ได้ประดิษฐ์กล้องดิจิทัลนิ่ง โดยใช้ CCD 100 × 100ของ Fairchild ในปีพ.ศ. 2518 ^[13]

อุปกรณ์ CCD แบบถ่ายโอนระหว่างบรรทัด (ILT) ได้รับการเสนอโดย L. Walsh และ R. Dyck ที่ Fairchild ในปี 1973 เพื่อลดรอยเปื้อนและกำจัดชัตเตอร์เชิงกลเพื่อลดรอยเปื้อนจากแหล่งกำเนิดแสงที่สว่างมากขึ้น สถาปัตยกรรม CCD แบบถ่ายโอนระหว่างบรรทัดแบบเฟรม (FIT) ได้รับการพัฒนาโดย K. Horii, T. Kuroda และ T. Kunii ที่Matsushita (ปัจจุบันคือ Panasonic) ในปี 1981 ^[2]

ดาวเทียมสำรวจ KH-11 KENNENดวงแรกที่ติดตั้งอุปกรณ์อาร์เรย์แบบชาร์จคัปเปิล ( 800 × 800พิกเซล) ^{[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]}สำหรับการถ่ายภาพ ถูกส่งขึ้นสู่อวกาศในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2519 ^[14]ภายใต้การนำของKazuo IwamaบริษัทSonyได้เริ่มพัฒนา CCD ครั้งใหญ่ซึ่งต้องลงทุนจำนวนมาก ในที่สุด Sony ก็ผลิต CCD จำนวนมากสำหรับกล้องวิดีโอ ของตนได้สำเร็จ ก่อนหน้านี้ Iwama เสียชีวิตในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2525 ต่อมา ชิป CCD ถูกวางไว้บนหลุมศพของเขาเพื่อแสดงความยอมรับในผลงานของเขา^[15] กล้องวิดีโอ CCD สำหรับผู้บริโภคที่ผลิตจำนวนมากเครื่องแรกคือ CCD-G5 ออกจำหน่ายโดย Sony ในปี พ.ศ. 2526 โดยใช้ต้นแบบที่พัฒนาโดยYoshiaki Hagiwaraในปี พ.ศ. 2524 ^[16]

เซ็นเซอร์ CCD ในยุคแรกประสบปัญหาความล่าช้าของชัตเตอร์ซึ่งได้รับการแก้ไขเป็นส่วนใหญ่ด้วยการประดิษฐ์โฟโตไดโอดแบบติดหมุด (PPD) ^[2]ได้รับการประดิษฐ์ขึ้นโดยNobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki และ Yasuo Ishihara ที่NECในปี 1980 ^{[2] [17]}พวกเขาตระหนักว่าสามารถขจัดความล่าช้าได้หากสามารถถ่ายโอนพาหะสัญญาณจากโฟโตไดโอดไปยัง CCD ได้ ซึ่งนำไปสู่การประดิษฐ์โฟโตไดโอดแบบติดหมุด ซึ่งเป็นโครงสร้างโฟโตดีเทกเตอร์ที่มีค่าความล่าช้าต่ำ สัญญาณรบกวนต่ำประสิทธิภาพควอนตัมสูงและกระแสมืด ต่ำ ^[2] Teranishi และ Ishihara พร้อมด้วย A. Kohono, E. Oda และ K. Arai ได้รายงานต่อสาธารณะเป็นครั้งแรกในปี 1982 โดยมีการเพิ่มโครงสร้างป้องกันการบาน^{[2] [18]}โครงสร้างโฟโตดีเทกเตอร์ใหม่ที่คิดค้นขึ้นที่ NEC ได้รับชื่อว่า "พินเนดโฟโตไดโอด" (PPD) โดย BC Burkey ที่ Kodak ในปี 1984 ในปี 1987 PPD เริ่มถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์ CCD ส่วนใหญ่ กลายเป็นอุปกรณ์ประจำเครื่องในกล้องวิดีโออิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค และกล้องถ่ายภาพดิจิทัล นับ ตั้งแต่นั้นมา PPD ก็ถูกนำมาใช้ในเซ็นเซอร์ CCD เกือบทั้งหมดและเซ็นเซอร์ CMOSใน เวลาต่อมา ^[2]

ในเดือนมกราคม 2549 Boyle และ Smith ได้รับรางวัลCharles Stark Draper Prize จาก National Academy of Engineering ^[19]และในปี 2552 พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์^[20]สำหรับการประดิษฐ์แนวคิด CCD Michael Tompsett ได้รับรางวัลNational Medal of Technology and Innovation ประจำ ปี 2553 สำหรับผลงานบุกเบิกและเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ รวมถึงการออกแบบและพัฒนาเครื่องถ่ายภาพ CCD เครื่องแรก นอกจากนี้ เขายังได้รับรางวัลIEEE Edison Medal ประจำปี 2555 สำหรับ "ผลงานบุกเบิกด้านอุปกรณ์ถ่ายภาพ รวมถึงเครื่องถ่ายภาพ CCD กล้องถ่ายภาพ และเครื่องถ่ายภาพความร้อน"

ใน CCD ที่ใช้ในการจับภาพ จะมีบริเวณที่ทำงานด้วยแสง ( ชั้น อิพิแทกเซียลของซิลิกอน) และบริเวณการส่งที่ทำจากรีจิสเตอร์เลื่อน (หรือเรียกอีกอย่างว่า CCD)

ภาพจะถูกฉายผ่านเลนส์ลงบนอาร์เรย์ตัวเก็บประจุ (บริเวณที่ทำงานด้วยแสง) ทำให้ตัวเก็บประจุแต่ละตัวสะสมประจุไฟฟ้าตามสัดส่วนของ ความเข้ม ของแสงที่ตำแหน่งนั้น อาร์เรย์มิติเดียวที่ใช้ในกล้องสแกนเส้นจะจับภาพเพียงส่วนเดียว ในขณะที่อาร์เรย์สองมิติที่ใช้ในกล้องวิดีโอและกล้องถ่ายภาพนิ่งจะจับภาพสองมิติที่สอดคล้องกับฉากที่ฉายลงบนระนาบโฟกัสของเซ็นเซอร์ เมื่ออาร์เรย์ได้รับแสงจากภาพแล้ว วงจรควบคุมจะทำให้ตัวเก็บประจุแต่ละตัวถ่ายโอนเนื้อหาไปยังตัวเก็บประจุข้างเคียง (ทำงานเป็นตัวเลื่อน) ตัวเก็บประจุตัวสุดท้ายในอาร์เรย์จะถ่ายโอนประจุเข้าไปในเครื่องขยายประจุซึ่งจะแปลงประจุเป็นแรงดันไฟฟ้าเมื่อทำซ้ำขั้นตอนนี้ วงจรควบคุมจะแปลงเนื้อหาทั้งหมดของอาร์เรย์ในเซมิคอนดักเตอร์เป็นลำดับแรงดันไฟฟ้า ในอุปกรณ์ดิจิทัล แรงดันไฟฟ้าเหล่านี้จะถูกสุ่มตัวอย่าง ดิจิไทซ์ และโดยปกติจะเก็บไว้ในหน่วยความจำ ในอุปกรณ์แอนะล็อก (เช่น กล้องวิดีโอแอนะล็อก) สัญญาณเหล่านี้จะได้รับการประมวลผลเป็นสัญญาณแอนะล็อกอย่างต่อเนื่อง (เช่น โดยป้อนเอาต์พุตของเครื่องขยายประจุเข้าไปในตัวกรองโลว์พาส) จากนั้นจึงประมวลผลและป้อนไปยังวงจรอื่นเพื่อการส่ง บันทึก หรือการประมวลผลอื่น ๆ^[21]

ก่อนที่ตัวเก็บประจุ MOS จะได้รับแสง ตัวเก็บประจุจะถูกปรับให้ไบ อัส เข้าสู่บริเวณการพร่อง ใน CCD แบบ n-channel ซิลิกอนที่อยู่ใต้เกตไบอัสจะถูก เจือปน p เล็กน้อย หรือเป็นเนื้อเดียวกัน จากนั้นเกตจะถูกปรับให้ไบอัสที่ศักย์ไฟฟ้าบวก เหนือเกณฑ์สำหรับการกลับทิศอย่างแรง ซึ่งในที่สุดจะส่งผลให้เกิดการสร้างn- channel ใต้เกต เช่นเดียวกับในMOSFETอย่างไรก็ตาม ต้องใช้เวลาพอสมควรในการเข้าสู่สมดุลทางความร้อนนี้: นานถึงหลายชั่วโมงในกล้องวิทยาศาสตร์ระดับสูงที่ทำความเย็นที่อุณหภูมิต่ำ^[22]ในตอนแรก หลังจากปรับให้ไบอัส รูจะถูกผลักเข้าไปในพื้นผิวให้ไกล และไม่มีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่ที่หรือใกล้พื้นผิว ดังนั้น CCD จึงทำงานในสถานะที่ไม่สมดุล เรียกว่าการพร่องลึก^[23] จากนั้น เมื่อ สร้าง คู่อิเล็กตรอน-รูในบริเวณการพร่อง พวกมันจะถูกแยกจากกันด้วยสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะเคลื่อนตัวไปทางพื้นผิว และรูจะเคลื่อนตัวไปทางพื้นผิว สามารถระบุกระบวนการสร้างคู่ได้สี่กระบวนการ:

• การสร้างแสง ( มีประสิทธิภาพควอนตัมสูงถึง 95% )
• การเกิดขึ้นในบริเวณการหมดลง
• การสร้างที่พื้นผิวและ
• การสร้างในกลุ่มที่เป็นกลาง

กระบวนการสามขั้นตอนสุดท้ายนี้เรียกว่าการสร้างกระแสมืด และเพิ่มสัญญาณรบกวนให้กับภาพ ซึ่งอาจจำกัดเวลารวมที่ใช้ได้ทั้งหมด การสะสมอิเล็กตรอนที่หรือใกล้พื้นผิวสามารถดำเนินต่อไปได้จนกว่าการรวมภาพจะเสร็จสิ้นและเริ่มถ่ายโอนประจุ หรือจนกว่าจะถึงจุดสมดุลทางความร้อน ในกรณีนี้ กล่าวกันว่าหลุมเต็มแล้ว ความจุสูงสุดของแต่ละหลุมเรียกว่าความลึกของหลุม^[24]โดยทั่วไปประมาณ 10 ⁵อิเล็กตรอนต่อพิกเซล^[23]โดยปกติ CCD จะไวต่อรังสีไอออไนซ์และอนุภาคพลังงานสูงซึ่งทำให้เกิดสัญญาณรบกวนในเอาต์พุตของ CCD และจะต้องคำนึงถึงเรื่องนี้ในดาวเทียมที่ใช้ CCD ^{[25] [26]}

โดยทั่วไปแล้วบริเวณที่ไวต่อแสงของ CCD จะเป็น ชั้น เอพิแทกเซียลของซิลิกอน ซึ่งถูกเจือปนด้วย pเล็กน้อย(โดยปกติแล้วจะเป็นโบรอน ) และถูกปลูกบน วัสดุ พื้นผิวซึ่งมักจะเป็น p++ ในอุปกรณ์แบบฝังช่อง ซึ่งเป็นประเภทของการออกแบบที่ใช้ใน CCD สมัยใหม่ส่วนใหญ่ บริเวณบางส่วนของพื้นผิวของซิลิกอนจะถูกฝังไอออนด้วยฟอสฟอรัสทำให้ได้รับการกำหนดให้เป็น n-doped บริเวณนี้จะกำหนดช่องที่แพ็คเก็ตประจุที่เกิดจากแสงจะเคลื่อนที่ไปSimon Szeอธิบายรายละเอียดข้อดีของอุปกรณ์แบบฝังช่อง: ^[23]

ชั้นบางๆ นี้ (= 0.2–0.3 ไมครอน) จะถูกทำให้หมดไปอย่างสมบูรณ์ และประจุที่เกิดจากแสงที่สะสมอยู่จะถูกเก็บไว้ห่างจากพื้นผิว โครงสร้างนี้มีข้อดีคือมีประสิทธิภาพในการถ่ายโอนที่สูงขึ้นและกระแสมืดที่ต่ำลงจากการรวมตัวใหม่ของพื้นผิวที่ลดลง ข้อเสียคือความจุของประจุที่เล็กลง โดยมีค่าเท่ากับ 2–3 เท่าเมื่อเทียบกับ CCD แบบช่องสัญญาณพื้นผิว

เกตออกไซด์หรือตัวเก็บประจุไฟฟ้าไดอิเล็กตริก จะเจริญเติบโตอยู่บนชั้นเอพิแทกเซียลและสารตั้งต้น

ในขั้นตอนต่อมา ประตูโพ ลีซิลิคอนจะถูกสะสมด้วยการสะสมไอเคมีสร้างลวดลายด้วยโฟโตลิโทกราฟีและแกะสลักในลักษณะที่ประตูที่แบ่งเฟสแยกกันจะวางตั้งฉากกับช่อง ช่องจะถูกกำหนดเพิ่มเติมโดยใช้ กระบวนการ LOCOSเพื่อผลิตบริเวณ หยุดช่อง

ตัวหยุดช่องทางเป็นออกไซด์ ที่เติบโตด้วยความร้อน ซึ่งทำหน้าที่แยกกลุ่มประจุในคอลัมน์หนึ่งออกจากกลุ่มประจุในอีกคอลัมน์หนึ่ง ตัวหยุดช่องทางเหล่านี้ผลิตขึ้นก่อนที่เกตโพลีซิลิกอนจะถูกผลิตขึ้น เนื่องจากกระบวนการ LOCOS ใช้ขั้นตอนอุณหภูมิสูงที่จะทำลายวัสดุของเกต ตัวหยุดช่องทางขนานกับและไม่รวมถึงช่องหรือบริเวณที่ "มีประจุ"

ช่องหยุดมักจะมีบริเวณที่ถูกเจือปนด้วย p+ อยู่ด้านล่าง ซึ่งทำให้เกิดอุปสรรคเพิ่มเติมต่ออิเล็กตรอนในแพ็คเก็ตประจุ (การอภิปรายเกี่ยวกับฟิสิกส์ของอุปกรณ์ CCD นี้ถือว่ามี อุปกรณ์ถ่ายโอน อิเล็กตรอนแม้ว่าจะถ่ายโอนรูได้ก็ตาม)

การกำหนดความถี่ของเกตแบบสลับสูงและต่ำ จะทำให้ไดโอดที่เกิดจากช่องสัญญาณฝัง (โดป n) และชั้นเอพิแทกเซียล (โดป p) มีอคติไปข้างหน้าและย้อนกลับ ซึ่งจะทำให้ CCD หมดลงใกล้กับรอยต่อ p–nและจะรวบรวมและเคลื่อนย้ายแพ็คเก็ตประจุใต้เกตและภายในช่องสัญญาณของอุปกรณ์

การผลิตและการทำงานของ CCD สามารถปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกันได้ กระบวนการข้างต้นอธิบายถึง CCD แบบถ่ายโอนเฟรม แม้ว่า CCD อาจผลิตได้บนเวเฟอร์ p++ ที่มีการเจือปนอย่างหนัก แต่ก็สามารถผลิตอุปกรณ์ภายใน p-well ที่วางอยู่บนเวเฟอร์ n ได้เช่นกัน ตามรายงาน วิธีที่สองนี้ช่วยลดการสเมียร์กระแสมืดและ การตอบสนองต่อ อินฟราเรดและสีแดง วิธีการผลิตนี้ใช้ในการสร้างอุปกรณ์ถ่ายโอนระหว่างไลน์

CCD อีกเวอร์ชันหนึ่งเรียกว่า CCD แบบบีบตัว (peristaltic CCD) ในอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อประจุแบบบีบตัว การถ่ายโอนชุดประจุจะคล้ายคลึงกับการหดตัวและขยายตัวของระบบย่อยอาหารแบบบีบตัว CCD แบบบีบตัวมีอิมแพลนต์เพิ่มเติมที่ยึดประจุให้ห่างจากอินเทอร์เฟซซิลิกอน/ ซิลิกอนไดออกไซด์ และสร้างสนามไฟฟ้าด้านข้างขนาดใหญ่จากเกตหนึ่งไปยังเกตถัดไป ซึ่งจะทำให้มีแรงขับเคลื่อนเพิ่มเติมเพื่อช่วยในการถ่ายโอนชุดประจุ

เซ็นเซอร์ภาพ CCD สามารถใช้งานได้กับสถาปัตยกรรมต่างๆ หลายแบบ สถาปัตยกรรมที่พบมากที่สุดคือฟูลเฟรม เฟรมทรานสเฟอร์ และอินเตอร์ไลน์ ลักษณะเฉพาะของสถาปัตยกรรมแต่ละแบบคือแนวทางในการแก้ปัญหาชัตเตอร์

ในอุปกรณ์ฟูลเฟรม พื้นที่ภาพทั้งหมดจะทำงานและไม่มีชัตเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ จำเป็นต้องเพิ่มชัตเตอร์แบบกลไกให้กับเซ็นเซอร์ประเภทนี้ มิฉะนั้น ภาพจะเบลอเมื่ออุปกรณ์ถูกบันทึกเวลาหรืออ่านข้อมูล

ด้วย CCD แบบถ่ายโอนเฟรม พื้นที่ซิลิกอนครึ่งหนึ่งจะถูกปกคลุมด้วยมาสก์ทึบแสง (โดยทั่วไปคืออลูมิเนียม) สามารถถ่ายโอนภาพได้อย่างรวดเร็วจากพื้นที่ภาพไปยังพื้นที่ทึบแสงหรือพื้นที่จัดเก็บโดยมีค่าความมัวที่ยอมรับได้เพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ จากนั้นจึงสามารถอ่านภาพนั้นออกมาได้ช้าๆ จากพื้นที่จัดเก็บในขณะที่ภาพใหม่กำลังผสานรวมหรือเปิดรับแสงในพื้นที่ใช้งาน อุปกรณ์ถ่ายโอนเฟรมโดยทั่วไปไม่จำเป็นต้องใช้ชัตเตอร์เชิงกลและเป็นสถาปัตยกรรมทั่วไปสำหรับกล้องถ่ายทอดสดแบบโซลิดสเตตในยุคแรกๆ ข้อเสียของสถาปัตยกรรมถ่ายโอนเฟรมคือต้องใช้พื้นที่ซิลิกอนมากกว่าอุปกรณ์ฟูลเฟรมที่เทียบเท่ากันสองเท่า ดังนั้นจึงมีราคาแพงกว่าประมาณสองเท่า

สถาปัตยกรรมแบบอินเตอร์ไลน์ขยายแนวคิดนี้ไปอีกขั้นและปิดบังคอลัมน์อื่นของเซนเซอร์ภาพเพื่อการจัดเก็บ ในอุปกรณ์นี้ จำเป็นต้องมีการเลื่อนพิกเซลเพียงครั้งเดียวเพื่อถ่ายโอนจากพื้นที่ภาพไปยังพื้นที่จัดเก็บ ดังนั้น เวลาชัตเตอร์จึงน้อยกว่าไมโครวินาทีและแทบจะไม่มีรอยเปื้อนเลย อย่างไรก็ตาม ข้อได้เปรียบนี้ไม่ได้ฟรี เนื่องจากพื้นที่ถ่ายภาพถูกปกคลุมด้วยแถบทึบแสง ทำให้ปัจจัยการเติม ลด ลงเหลือประมาณ 50 เปอร์เซ็นต์ และประสิทธิภาพควอนตัม ที่มีประสิทธิภาพ ลดลงในปริมาณที่เท่ากัน การออกแบบสมัยใหม่ได้แก้ไขลักษณะที่เป็นอันตรายนี้โดยการเพิ่มไมโครเลนส์บนพื้นผิวของอุปกรณ์เพื่อนำแสงออกจากบริเวณทึบแสงและไปยังพื้นที่ที่ใช้งาน ไมโครเลนส์สามารถเพิ่มปัจจัยการเติมกลับเป็น 90 เปอร์เซ็นต์หรือมากกว่านั้นได้ ขึ้นอยู่กับขนาดพิกเซลและการออกแบบออปติกของระบบโดยรวม

การเลือกสถาปัตยกรรมนั้นขึ้นอยู่กับประโยชน์ใช้สอย หากแอปพลิเคชันไม่สามารถทนต่อชัตเตอร์เชิงกลที่มีราคาแพง เสียหายง่าย และกินไฟมาก อุปกรณ์อินเตอร์ไลน์จะเป็นตัวเลือกที่ถูกต้อง กล้องถ่ายภาพแบบสแนปช็อตสำหรับผู้บริโภคได้ใช้อุปกรณ์อินเตอร์ไลน์ ในทางกลับกัน สำหรับการใช้งานที่ต้องการการรวบรวมแสงที่ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และปัญหาเรื่องเงิน พลังงาน และเวลาไม่สำคัญ อุปกรณ์ฟูลเฟรมจะเป็นตัวเลือกที่ถูกต้อง นักดาราศาสตร์มักชอบใช้อุปกรณ์ฟูลเฟรมมากกว่า การถ่ายโอนเฟรมนั้นอยู่ในระหว่างกลางและเป็นตัวเลือกทั่วไปก่อนที่จะมีการแก้ไขปัญหาฟิลล์แฟกเตอร์ของอุปกรณ์อินเตอร์ไลน์ ปัจจุบัน การถ่ายโอนเฟรมมักจะถูกเลือกเมื่อไม่มีสถาปัตยกรรมอินเตอร์ไลน์ เช่น ในอุปกรณ์ที่มีแสงจากด้านหลัง

CCD ที่ประกอบด้วยกริดพิกเซลใช้ในกล้องดิจิทัลเครื่องสแกนออปติคัลและกล้องวิดีโอเป็นอุปกรณ์ตรวจจับแสง โดยทั่วไป CCD จะตอบสนองต่อ แสง ตกกระทบ ได้ 70 เปอร์เซ็นต์ (ซึ่งหมายถึงประสิทธิภาพควอนตัมประมาณ 70 เปอร์เซ็นต์) ทำให้มีประสิทธิภาพมากกว่า ฟิล์มถ่ายรูปมากซึ่งจับภาพได้เพียงประมาณ 2 เปอร์เซ็นต์ของแสงตกกระทบ

CCD ประเภทที่พบมากที่สุดมีความไวต่อแสงอินฟราเรดใกล้ ซึ่งทำให้สามารถถ่ายภาพอินฟราเรดอุปกรณ์มองเห็นตอนกลางคืนและ บันทึกวิดีโอ/ถ่ายภาพด้วยค่า ลักซ์ เป็นศูนย์ (หรือเกือบศูนย์ลักซ์) ได้ สำหรับเครื่องตรวจจับแบบซิลิกอนทั่วไป ความไวจะถูกจำกัดไว้ที่ 1.1 ไมโครเมตร ผลที่ตามมาอีกประการหนึ่งของความไวต่ออินฟราเรดคือ อินฟราเรดจากรีโมทคอนโทรลมักจะปรากฏบนกล้องดิจิทัลหรือกล้องวิดีโอแบบ CCD หากไม่มีตัวบล็อกอินฟราเรด

การระบายความร้อนช่วยลด กระแสมืดของอาร์เรย์ทำให้ CCD มีความไวต่อความเข้มแสงต่ำมากขึ้น แม้กระทั่งในช่วงความยาวคลื่นอัลตราไวโอเลตและความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ นักสังเกตการณ์มืออาชีพมักจะระบายความร้อนเครื่องตรวจจับด้วยไนโตรเจนเหลวเพื่อลดกระแสมืดและเสียงรบกวนจากความร้อนให้อยู่ในระดับที่ไม่สำคัญ

เฟรมทรานสเฟอร์ CCD เป็นโครงสร้างการถ่ายภาพแบบแรกที่เสนอสำหรับการถ่ายภาพ CCD โดย Michael Tompsett ที่ Bell Laboratories เฟรมทรานสเฟอร์ CCDเป็น CCD เฉพาะทางที่มักใช้ในดาราศาสตร์และกล้องวิดีโอระดับมืออาชีพ บางรุ่น ออกแบบมาเพื่อประสิทธิภาพในการรับแสงและความถูกต้องสูง

การทำงานปกติของ CCD ไม่ว่าจะเป็นทางดาราศาสตร์หรืออื่นๆ สามารถแบ่งได้เป็น 2 เฟส คือ การเปิดรับแสงและการอ่านค่า เฟสแรก CCD จะรวบรวมโฟตอน ที่เข้ามาแบบพาสซีฟ โดยเก็บอิเล็กตรอนไว้ในเซลล์ หลังจากผ่านเวลาเปิดรับแสงแล้ว เซลล์จะถูกอ่านค่าทีละบรรทัด เฟสการอ่านค่า เซลล์จะถูกเลื่อนลงมาทั่วพื้นที่ของ CCD ขณะที่เซลล์ถูกเลื่อน เซลล์จะยังคงรวบรวมแสงต่อไป ดังนั้น หากการเลื่อนไม่เร็วพอ อาจเกิดข้อผิดพลาดจากแสงที่ตกกระทบเซลล์ที่มีประจุในระหว่างการถ่ายโอน ข้อผิดพลาดเหล่านี้เรียกว่า "การเปื้อนแนวตั้ง" และทำให้แหล่งกำเนิดแสงที่แรงสร้างเส้นแนวตั้งเหนือและใต้ตำแหน่งที่แน่นอนของแหล่งกำเนิดแสง นอกจากนี้ ไม่สามารถใช้ CCD เพื่อรวบรวมแสงในขณะที่กำลังอ่านค่าได้ การเลื่อนที่เร็วกว่าต้องใช้การอ่านค่าที่เร็วกว่า และการอ่านค่าที่เร็วกว่าอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัดประจุของเซลล์ ซึ่งนำไปสู่ระดับสัญญาณรบกวนที่สูงขึ้น

CCD แบบเฟรมทรานสเฟอร์ช่วยแก้ปัญหาทั้งสองประการได้ นั่นคือมีพื้นที่ป้องกันแสงที่ไม่ไวต่อแสง ซึ่งประกอบไปด้วยเซลล์จำนวนเท่ากับพื้นที่ที่รับแสง โดยทั่วไป พื้นที่นี้จะถูกปกคลุมด้วยวัสดุสะท้อนแสง เช่น อะลูมิเนียม เมื่อหมดเวลารับแสง เซลล์จะถูกถ่ายโอนไปยังพื้นที่ที่ซ่อนอยู่ได้อย่างรวดเร็ว ในกรณีนี้ เซลล์จะถูกอ่านออกมาอย่างปลอดภัยจากแสงที่เข้ามาด้วยความเร็วใดๆ ก็ตามที่จำเป็นเพื่อวัดประจุของเซลล์ได้อย่างถูกต้อง ในเวลาเดียวกัน ส่วนที่รับแสงของ CCD จะรวบรวมแสงอีกครั้ง ดังนั้นจึงไม่มีความล่าช้าเกิดขึ้นระหว่างการเปิดรับแสงครั้งต่อๆ ไป

ข้อเสียของ CCD ดังกล่าวคือมีค่าใช้จ่ายสูงกว่า เนื่องจากพื้นที่เซลล์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า และต้องใช้ระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนมากขึ้น

อุปกรณ์เพิ่มความเข้มประจุไฟฟ้า (ICCD) คือ CCD ที่เชื่อมต่อทางแสงกับเครื่องเพิ่มความเข้มของภาพซึ่งติดตั้งไว้ด้านหน้าของ CCD

ตัวเพิ่มความเข้มของภาพประกอบด้วยองค์ประกอบที่ใช้งานได้สามอย่าง ได้แก่โฟโตแคโทดแผ่นไมโครแชนเนล (MCP) และ แผ่นเรือง แสงองค์ประกอบทั้งสามนี้ติดตั้งเรียงกันอย่างชิดกันตามลำดับที่กล่าวถึง โฟตอนซึ่งมาจากแหล่งกำเนิดแสงจะตกบนโฟโตแคโทด จึงสร้างโฟโตอิเล็กตรอน โฟโตอิเล็กตรอนจะถูกเร่งไปทาง MCP ด้วยแรงดันไฟฟ้าควบคุมที่ใช้ระหว่างโฟโตแคโทดและ MCP อิเล็กตรอนจะถูกคูณภายใน MCP จากนั้นจึงถูกเร่งไปทางแผ่นเรืองแสง แผ่นเรืองแสงจะแปลงอิเล็กตรอนที่คูณกลับเป็นโฟตอนในที่สุด ซึ่งจะถูกนำทางไปยัง CCD โดยใยแก้วนำแสงหรือเลนส์

ตัวเพิ่มความเข้มของภาพมี ฟังก์ชัน ชัตเตอร์ ในตัว : หากแรงดันควบคุมระหว่างโฟโตแคโทดและ MCP ย้อนกลับ โฟโตอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจะไม่ถูกเร่งความเร็วไปทาง MCP แต่จะส่งกลับไปยังโฟโตแคโทด ดังนั้น อิเล็กตรอนจะไม่ถูกคูณและปล่อยออกมาโดย MCP ไม่มีอิเล็กตรอนไปที่หน้าจอฟอสเฟอร์ และไม่มีแสงถูกปล่อยออกมาจากตัวเพิ่มความเข้มของภาพ ในกรณีนี้ ไม่มีแสงตกกระทบ CCD ซึ่งหมายความว่าชัตเตอร์ถูกปิด กระบวนการย้อนกลับแรงดันควบคุมที่โฟโตแคโทดเรียกว่าการเกตและดังนั้น ICCD จึงถูกเรียกว่ากล้อง CCD แบบมีเกตด้วย

นอกจากความไวแสงที่สูงมากของกล้อง ICCD ซึ่งช่วยให้ตรวจจับโฟตอนเดี่ยวได้แล้ว ความสามารถในการตรวจจับยังเป็นหนึ่งในข้อได้เปรียบหลักของ ICCD เมื่อเทียบกับกล้อง EMCCD กล้อง ICCD ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดให้เวลาชัตเตอร์สั้นเพียง 200 พิโกวินาที

โดยทั่วไปกล้อง ICCD มีราคาสูงกว่ากล้อง EMCCD เล็กน้อย เนื่องจากกล้องต้องใช้เครื่องเพิ่มความเข้มของภาพซึ่งมีราคาแพง ในทางกลับกัน กล้อง EMCCD ต้องใช้ระบบระบายความร้อนเพื่อลดอุณหภูมิของชิป EMCCD ให้เหลือประมาณ 170  K (−103  °C ) ระบบระบายความร้อนนี้จะเพิ่มต้นทุนให้กับกล้อง EMCCD และมักก่อให้เกิดปัญหาการควบแน่นของไอน้ำในการใช้งาน

ICCD ใช้ในอุปกรณ์มองเห็นตอนกลางคืนและในการประยุกต์ใช้ทางวิทยาศาสตร์ต่างๆ

CCD ที่คูณอิเล็กตรอน (EMCCD หรือที่รู้จักในชื่อ L3Vision CCD ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่จำหน่ายโดย e2v Ltd., GB, L3CCD หรือ Impactron CCD ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่เลิกผลิตไปแล้วโดย Texas Instruments) เป็นอุปกรณ์ที่จับคู่ประจุซึ่งมีการวางรีจิสเตอร์ค่าเกนไว้ระหว่างรีจิสเตอร์เลื่อนและแอมพลิฟายเออร์เอาต์พุต รีจิสเตอร์ค่าเกนถูกแบ่งออกเป็นหลายขั้นตอน ในแต่ละขั้นตอน อิเล็กตรอนจะถูกคูณด้วยการแตกตัวของแรงกระแทกในลักษณะเดียวกับไดโอดอะวาแลนช์ความน่าจะเป็นของค่าเกนในแต่ละขั้นตอนของรีจิสเตอร์นั้นน้อย ( P < 2%) แต่เนื่องจากจำนวนองค์ประกอบมีมาก (N > 500) ค่าเกนโดยรวมจึงอาจสูงมาก ( ) โดยอิเล็กตรอนอินพุตตัวเดียวจะให้อิเล็กตรอนเอาต์พุตหลายพันตัว การอ่านสัญญาณจาก CCD จะทำให้เกิดสัญญาณรบกวน ซึ่งโดยทั่วไปคืออิเล็กตรอนเพียงไม่กี่ตัว ใน EMCCD สัญญาณรบกวนนี้จะทับซ้อนกับอิเล็กตรอนหลายพันตัวแทนที่จะเป็นอิเล็กตรอนตัวเดียว ข้อได้เปรียบหลักของอุปกรณ์คือสัญญาณรบกวนในการอ่านที่ไม่สำคัญ การใช้การแยกย่อยของหิมะถล่มเพื่อขยายประจุภาพได้รับการอธิบายไว้แล้วในสิทธิบัตรสหรัฐอเมริกาหมายเลข 3,761,744ในปี 1973 โดย George E. Smith/Bell Telephone Laboratories${\displaystyle g=(1+P)^{N}}$

EMCCD แสดงความไวที่คล้ายคลึงกันกับ CCD ที่มีความเข้มมากขึ้น (ICCD) อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับ ICCD เกนที่ใช้ในรีจิสเตอร์เกนเป็นแบบสุ่ม และ เกน ที่แน่นอนที่ใช้กับประจุของพิกเซลนั้นไม่สามารถทราบได้ ที่เกนสูง (> 30) ความไม่แน่นอนนี้มีผลกับอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) เท่ากับการลดประสิทธิภาพควอนตัม (QE) ลงครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับการทำงานที่มีเกนเท่ากับ 1 ผลกระทบนี้เรียกว่าปัจจัยสัญญาณรบกวนส่วนเกิน (ENF) อย่างไรก็ตาม ในระดับแสงที่ต่ำมาก (ซึ่งประสิทธิภาพควอนตัมมีความสำคัญที่สุด) สามารถสันนิษฐานได้ว่าพิกเซลมีอิเล็กตรอนหรือไม่ วิธีนี้จะช่วยขจัดสัญญาณรบกวนที่เกี่ยวข้องกับการคูณแบบสุ่ม โดยเสี่ยงต่อการนับอิเล็กตรอนหลายตัวในพิกเซลเดียวกันเป็นอิเล็กตรอนตัวเดียว เพื่อหลีกเลี่ยงการนับหลายครั้งในพิกเซลเดียวอันเนื่องมาจากโฟตอนที่เกิดขึ้นพร้อมกันในโหมดการทำงานนี้ อัตราเฟรมที่สูงจึงมีความจำเป็น การกระจายตัวในเกนจะแสดงอยู่ในกราฟทางด้านขวา สำหรับรีจิสเตอร์การคูณที่มีองค์ประกอบจำนวนมากและกำไรขนาดใหญ่ จะถูกจำลองอย่างดีด้วยสมการ:

$${\displaystyle P\left(n\right)={\frac {\left(n-m+1\right)^{m-1}}{\left(m-1\right)!\left(g-1+{\frac {1}{m}}\right)^{m}}}\exp \left(-{\frac {n-m+1}{g-1+{\frac {1}{m}}}}\right)\quad {\text{ ถ้า }}n\geq m}$$โดยที่Pคือความน่าจะเป็นในการได้รับอิเล็กตรอนเอาต์พุตn ตัว จากจำนวน อิเล็กตรอนอินพุตm ตัว และค่ากำไรของรีจิสเตอร์การคูณเฉลี่ยรวมของ gสำหรับอิเล็กตรอนอินพุตจำนวนมาก ฟังก์ชันการกระจายเชิงซ้อนนี้จะบรรจบกันเป็นค่าเกาส์เซียน

เนื่องจากมีต้นทุนต่ำกว่าและมีความละเอียดที่ดีกว่า EMCCD จึงสามารถแทนที่ ICCD ได้ในหลายๆ การใช้งาน ICCD ยังคงมีข้อได้เปรียบตรงที่สามารถตั้งค่าเกตได้รวดเร็วมาก จึงมีประโยชน์ในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่นการสร้างภาพแบบกำหนดช่วงกล้อง EMCCD จำเป็นต้องมีระบบระบายความร้อน ซึ่งใช้การระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกหรือไนโตรเจนเหลว เพื่อทำให้ชิปเย็นลงจนถึงอุณหภูมิในช่วง −65 ถึง −95 °C (−85 ถึง −139 °F) ระบบระบายความร้อนนี้จะเพิ่มต้นทุนให้กับระบบสร้างภาพ EMCCD และอาจทำให้เกิดปัญหาการควบแน่นในแอปพลิเคชันได้ อย่างไรก็ตาม กล้อง EMCCD ระดับไฮเอนด์จะติดตั้งระบบสูญญากาศแบบปิดถาวรเพื่อจำกัดชิปเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการควบแน่น

ความสามารถในการรับแสงน้อยของ EMCCD มีประโยชน์ในด้านดาราศาสตร์และการวิจัยทางชีวการแพทย์ รวมถึงสาขาอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สัญญาณรบกวนต่ำที่ความเร็วในการอ่านข้อมูลสูงทำให้มีประโยชน์มากสำหรับการใช้งานทางดาราศาสตร์ต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับแหล่งกำเนิดแสงน้อยและเหตุการณ์ชั่วคราว เช่นการถ่ายภาพดวงดาวจางๆโฟโต เมตรี นับโฟตอนความเร็วสูง สเปกโตรสโคปี Fabry-Pérotและสเปกโตรสโคปีความละเอียดสูง เมื่อไม่นานมานี้ CCD ประเภทเหล่านี้ได้ก้าวเข้าสู่สาขาการวิจัยทางชีวการแพทย์ในการใช้งานแสงน้อย เช่นการถ่ายภาพสัตว์ขนาดเล็กการถ่ายภาพโมเลกุลเดี่ยวสเปกโตรสโคปีรามานกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูงพิเศษตลอดจน เทคนิค กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์ สมัยใหม่ที่หลากหลาย ขอบคุณ SNR ที่สูงกว่าในสภาพแสงน้อยเมื่อเปรียบเทียบกับ CCD แบบดั้งเดิมและ ICCD

ในแง่ของสัญญาณรบกวน กล้อง EMCCD เชิงพาณิชย์โดยทั่วไปจะมีประจุไฟฟ้าเหนี่ยวนำจากนาฬิกา (CIC) และกระแสมืด (ขึ้นอยู่กับระดับของการระบายความร้อน) ซึ่งร่วมกันทำให้เกิดสัญญาณรบกวนการอ่านที่มีประสิทธิภาพตั้งแต่ 0.01 ถึง 1 อิเล็กตรอนต่อพิกเซลที่อ่าน อย่างไรก็ตาม การปรับปรุงล่าสุดในเทคโนโลยี EMCCD ทำให้กล้องรุ่นใหม่สามารถสร้าง CIC ได้น้อยลงอย่างมาก มีประสิทธิภาพการถ่ายโอนประจุไฟฟ้าที่สูงขึ้น และค่า EM gain สูงกว่ารุ่นก่อนหน้าถึง 5 เท่า ความก้าวหน้าในการตรวจจับแสงน้อยเหล่านี้ทำให้มีสัญญาณรบกวนพื้นหลังที่มีประสิทธิภาพรวม 0.001 อิเล็กตรอนต่อพิกเซลที่อ่าน ซึ่งเป็นระดับสัญญาณรบกวนพื้นฐานที่อุปกรณ์ถ่ายภาพแสงน้อยอื่น ๆ ไม่สามารถเทียบได้^[27]

เนื่องจากประสิทธิภาพควอนตัมที่สูงของอุปกรณ์ประจุคู่ (CCD) ( ประสิทธิภาพควอนตัม ในอุดมคติ คือ 100% อิเล็กตรอนที่สร้างขึ้นหนึ่งตัวต่อโฟตอนตกกระทบหนึ่งตัว) ความเป็นเส้นตรงของเอาต์พุต ความสะดวกในการใช้งานเมื่อเทียบกับแผ่นถ่ายภาพ และเหตุผลอื่นๆ อีกมากมาย ทำให้ CCD ได้รับการนำมาใช้โดยนักดาราศาสตร์อย่างรวดเร็วมากในเกือบทุกการประยุกต์ใช้รังสี UV ถึงอินฟราเรด

สัญญาณรบกวนจากความร้อนและรังสีคอสมิกอาจทำให้พิกเซลในอาร์เรย์ CCD เปลี่ยนแปลงไป เพื่อต่อต้านผลกระทบดังกล่าว นักดาราศาสตร์จะถ่ายภาพหลาย ๆ ครั้งโดยปิดและเปิดชัตเตอร์ CCD ค่าเฉลี่ยของภาพที่ถ่ายโดยปิดชัตเตอร์เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อลดสัญญาณรบกวนแบบสุ่ม เมื่อสร้างภาพค่าเฉลี่ยของเฟรมมืดแล้ว ภาพเฉลี่ยของเฟรมมืดจะถูกลบออกจากภาพชัตเตอร์เปิดเพื่อลบกระแสมืดและข้อบกพร่องเชิงระบบอื่น ๆ ( พิกเซลที่ตายแล้ว พิกเซลร้อน ฯลฯ) ใน CCD CCD แบบ Skipper รุ่นใหม่กว่าจะต่อต้านสัญญาณรบกวนโดยรวบรวมข้อมูลด้วยประจุที่รวบรวมได้เท่ากันหลายครั้ง และมีการใช้งานในการค้นหา Dark Matterที่มีแสงแม่นยำและการวัดนิวตริโน^{[28] [29] [30]}

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลมีขั้นตอนที่พัฒนาอย่างสูงชุดหนึ่ง ("กระบวนการลดข้อมูล") เพื่อแปลงข้อมูล CCD ดิบเป็นภาพที่มีประโยชน์^[31]

กล้อง CCD ที่ใช้ในการถ่ายภาพดาราศาสตร์มักต้องใช้ขาตั้งที่แข็งแรงเพื่อรับมือกับแรงสั่นสะเทือนจากลมและแหล่งอื่นๆ รวมถึงน้ำหนักมหาศาลของแท่นถ่ายภาพส่วนใหญ่ นักดาราศาสตร์หลายคนใช้เทคนิคที่เรียกว่าการนำอัตโนมัติ เพื่อถ่ายภาพกาแล็กซีและเนบิวลาโดยเปิดรับแสงนาน กล้องนำอัตโนมัติส่วนใหญ่ใช้ชิป CCD ตัวที่สองเพื่อตรวจสอบความเบี่ยงเบนระหว่างการถ่ายภาพ ชิปนี้สามารถตรวจจับข้อผิดพลาดในการติดตามได้อย่างรวดเร็วและสั่งให้มอเตอร์ขาตั้งแก้ไขข้อผิดพลาดดังกล่าว

การประยุกต์ใช้ CCD ทางดาราศาสตร์ที่ไม่ธรรมดา เรียกว่า การสแกนดริฟท์ ซึ่งใช้ CCD เพื่อทำให้กล้องโทรทรรศน์แบบติดตั้งคงที่ทำงานเหมือนกล้องโทรทรรศน์แบบติดตามและติดตามการเคลื่อนที่ของท้องฟ้า ประจุใน CCD จะถูกถ่ายโอนและอ่านในทิศทางขนานกับการเคลื่อนที่ของท้องฟ้าและด้วยความเร็วเท่ากัน ด้วยวิธีนี้ กล้องโทรทรรศน์จึงสามารถสร้างภาพท้องฟ้าได้กว้างกว่าขอบเขตการมองเห็นปกติSloan Digital Sky Surveyเป็นตัวอย่างที่โด่งดังที่สุดในเรื่องนี้ โดยใช้เทคนิคนี้ในการสำรวจท้องฟ้ามากกว่าหนึ่งในสี่กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Gaiaเป็นอีกเครื่องมือหนึ่งที่ทำงานในโหมดนี้ โดยหมุนรอบแกนด้วยอัตราคงที่ 1 รอบใน 6 ชั่วโมง และสแกนแถบ 360° x 0.5° บนท้องฟ้าในช่วงเวลานี้ ดาวดวงหนึ่งเคลื่อนที่ผ่านระนาบโฟกัสทั้งหมดในเวลาประมาณ 40 วินาที (เวลาเปิดรับแสงที่มีประสิทธิภาพ)

นอกจากเครื่องสร้างภาพแล้ว CCD ยังใช้ในเครื่องมือวิเคราะห์ต่างๆ เช่นเครื่องสเปกโตรมิเตอร์^[32]และอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ [ ^33]

กล้องดิจิทัลสี รวมถึงกล้องดิจิทัลสีในสมาร์ทโฟน โดยทั่วไปจะใช้เซ็นเซอร์ภาพสีแบบรวม^[34]ซึ่งมีอาร์เรย์ตัวกรองสีที่สร้างขึ้นบนพิกเซลขาวดำของ CCD รูปแบบ CFA ที่นิยมใช้มากที่สุดเรียกว่าตัวกรอง Bayerซึ่งตั้งชื่อตามผู้ประดิษฐ์ นักวิทยาศาสตร์ของ Kodak ชื่อBryce Bayerในรูปแบบ Bayer พิกเซลสี่เหลี่ยมจัตุรัสแต่ละพิกเซลมีพิกเซลสีแดงที่กรองแล้ว 1 พิกเซล สีน้ำเงิน 1 พิกเซล และสีเขียว 2 พิกเซล ( ดวงตาของมนุษย์มีความคมชัดกว่าสำหรับความสว่าง ซึ่งมีน้ำหนักมากกว่าสีเขียวมากกว่าสีแดงหรือสีน้ำเงิน) เป็นผลให้ ข้อมูล ความสว่างถูกเก็บรวบรวมในแต่ละแถวและคอลัมน์โดยใช้รูปแบบกระดานหมากรุก และความละเอียดของสีจะต่ำกว่าความละเอียดของความสว่าง

การแยกสีที่ดีขึ้นสามารถทำได้โดยใช้อุปกรณ์ 3-CCD ( 3CCD ) และปริซึมตัวแยกลำแสงไดโครอิกซึ่งแยกภาพออกเป็น องค์ประกอบ สีแดงสีเขียวและสีน้ำเงิน CCD ทั้งสามตัวได้รับการจัดเรียงให้ตอบสนองต่อสีเฉพาะ กล้อง วิดีโอระดับมืออาชีพ หลายรุ่น และกล้องวิดีโอกึ่งมืออาชีพบางรุ่นใช้เทคนิคนี้ แม้ว่าการพัฒนาเทคโนโลยี CMOS ที่แข่งขันกันจะทำให้เซ็นเซอร์ CMOS ทั้งที่มีตัวแยกลำแสงและฟิลเตอร์ Bayer เป็นที่นิยมมากขึ้นในกล้องวิดีโอระดับไฮเอนด์และกล้องถ่ายภาพยนตร์ดิจิทัล ข้อดีอีกประการของ 3CCD เมื่อเทียบกับอุปกรณ์มาสก์ Bayer คือประสิทธิภาพควอนตัม ที่สูงกว่า (ความไวแสงสูงกว่า) เนื่องจากแสงส่วนใหญ่จากเลนส์จะเข้าสู่เซ็นเซอร์ซิลิกอนตัวใดตัวหนึ่ง ในขณะที่มาสก์ Bayer จะดูดซับแสงที่ตกกระทบในแต่ละตำแหน่งพิกเซลในสัดส่วนที่สูง (มากกว่า 2/3)

สำหรับภาพนิ่ง เช่น ในกล้องจุลทรรศน์ ความละเอียดของอุปกรณ์มาสก์ Bayer สามารถปรับปรุงได้ด้วย เทคโนโลยี ไมโครสแกนในระหว่างกระบวนการสุ่มตัวอย่างสีแบบโคไซต์ เฟรมของฉากหลายเฟรมจะถูกสร้าง ระหว่างการรับข้อมูล เซ็นเซอร์จะเคลื่อนที่ในมิติของพิกเซล เพื่อให้แต่ละจุดในสนามภาพได้รับการรับข้อมูลตามลำดับโดยองค์ประกอบของมาสก์ที่ไวต่อองค์ประกอบสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงินของสีนั้น ในที่สุด พิกเซลทุกพิกเซลในภาพจะถูกสแกนอย่างน้อยหนึ่งครั้งในแต่ละสี และความละเอียดของสามช่องสัญญาณจะเท่ากัน (ความละเอียดของช่องสัญญาณสีแดงและสีน้ำเงินจะเพิ่มขึ้นสี่เท่าในขณะที่ช่องสัญญาณสีเขียวจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า)

เซ็นเซอร์ (CCD / CMOS) มีขนาดหรือรูปแบบเซ็นเซอร์ภาพที่หลากหลาย ขนาดเหล่านี้มักเรียกด้วยหน่วยเศษส่วนนิ้ว เช่น 1/1.8 นิ้ว หรือ 2/3 นิ้ว เรียกว่ารูปแบบออปติคัลการวัดนี้เริ่มต้นขึ้นในช่วงทศวรรษปี 1950 และในสมัยของหลอด Vidicon

เมื่อเปิดรับแสง CCD นานพอ ในที่สุดอิเล็กตรอนที่รวบรวมอยู่ใน "ช่อง" ในส่วนที่มีความสว่างที่สุดของภาพจะล้นออกจากช่อง ส่งผลให้เกิดการบานของแสง โครงสร้างของ CCD ช่วยให้อิเล็กตรอนไหลได้ง่ายกว่าในทิศทางหนึ่งมากกว่าอีกทิศทาง ส่งผลให้เกิดรอยเส้นแนวตั้ง^{[35] [36] [37]}

คุณสมบัติป้องกันการเบ่งบานบางประการที่สามารถสร้างใน CCD ได้ช่วยลดความไวต่อแสงโดยใช้พื้นที่พิกเซลบางส่วนเป็นโครงสร้างท่อระบายน้ำ^[38] James M. Earlyได้พัฒนาท่อระบายน้ำป้องกันการเบ่งบานในแนวตั้งที่ไม่ทำให้พื้นที่รวบรวมแสงลดลง และด้วยเหตุนี้จึงไม่ทำให้ความไวต่อแสงลดลง

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อเกี่ยวกับอุปกรณ์ชาร์จคัปเปิล

• บทความวารสารเกี่ยวกับพื้นฐานของ CCD
• การแนะนำ CCD ของกล้องจุลทรรศน์ Nikon
• แนวคิดในเทคโนโลยีการถ่ายภาพดิจิทัล
• คุณสมบัติเชิงสถิติเพิ่มเติม
• L3CCD ที่ใช้ในงานดาราศาสตร์