Rodzaje urządzeń ze sprzężeniem ładunkowym i ich zasady działania

Rodzaje urządzeń ze sprzężeniem ładunkowym i ich zasady działania

Naukowcy Williard Boyle i George E. Smith z AT&T Bell Labs, natomiast pracuje nad półprzewodnikami -bubble-memory zaprojektował urządzenie i nazwał je „Charge Bubble Device”, które może być używane jako rejestr przesuwny.



Urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym

Urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym

Zgodnie z podstawową naturą urządzenia, ma ono możliwość przenoszenia ładunku z jeden kondensator magazynujący do następnego, wzdłuż powierzchni półprzewodnika, a zasada ta jest podobna do urządzenia Bucket-Brigade Device (BBD), które zostało wynalezione w latach sześćdziesiątych XX wieku w Phillips Research Labs. Ostatecznie ze wszystkich takich eksperymentalnych działań badawczych wynaleziono urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) w AT&T Bell Labs w 1969 roku.






Urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD)

Urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym można definiować na różne sposoby w zależności od aplikacji, do której są używane lub w oparciu o konstrukcję urządzenia.

Jest to urządzenie służące do przemieszczania ładunku elektrycznego w jego wnętrzu w celu manipulacji ładunkiem, co odbywa się poprzez zmianę sygnałów poprzez kolejne etapy w urządzeniu.



Można go traktować jako czujnik CCD, który jest używany w kamery cyfrowe i wideo do robienia zdjęć i nagrywania filmów dzięki efektowi fotoelektrycznemu. Służy do konwersji przechwyconego światła na dane cyfrowe, które są rejestrowane przez aparat.

Można go zdefiniować jako plik światłoczuły układ scalony nadrukowany na powierzchni krzemu w celu utworzenia wrażliwych na światło elementów zwanych pikselami, a każdy piksel przekształca się w ładunek elektryczny.


Jest określany jako dyskretne urządzenie czasu używane do sygnał ciągły lub analogowy próbkowanie w dyskretnych momentach.

Rodzaje CCD

Istnieją różne przetworniki CCD, takie jak przetworniki CCD powielające elektrony, wzmocnione CCD, CCD z transferem ramki i CCD z kanałem podziemnym. CCD można po prostu zdefiniować jako urządzenie do ładowania. Wynalazcy CCD, Smith i Boyle, odkryli również CCD o znacznie lepszych parametrach niż ogólne CCD Surface Channel i inne CCD. Znany jest on jako CCD z kanałem zakopanym i jest używany głównie w zastosowaniach praktycznych.

Zasada działania urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym

Krzemowa warstwa epitaksjalna działająca jako obszar fotoaktywny i obszar transmisji rejestru przesuwnego są wykorzystywane do przechwytywania obrazów przy użyciu CCD.

Przez soczewkę obraz jest rzutowany na obszar fotoaktywny składający się z matrycy kondensatorów. Zatem ładunek elektryczny proporcjonalny do natężenie światła koloru piksela obrazu w widmie kolorów w tym miejscu jest gromadzony na każdym kondensatorze.

Jeśli obraz zostanie wykryty przez tę macierz kondensatorów, wówczas ładunek elektryczny zgromadzony w każdym kondensatorze jest przenoszony do sąsiedniego kondensatora, działając jako rejestr przesuwny sterowane przez obwód sterujący.

Działanie urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym

Działanie urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym

Na powyższym rysunku, od a, b i c, transfer pakietów ładunków jest pokazany zgodnie z napięciem przyłożonym do zacisków bramki. W końcu w macierzy ładunek elektryczny ostatniego kondensatora jest przenoszony do wzmacniacza ładunku, w którym ładunek elektryczny jest zamieniany na napięcie. W ten sposób z ciągłej pracy tych zadań całe ładunki macierzy kondensatorów w półprzewodniku są przekształcane w sekwencję napięć.

Ta sekwencja napięć jest próbkowana, digitalizowana, a następnie przechowywana w pamięci w przypadku urządzeń cyfrowych, takich jak aparaty cyfrowe. W przypadku urządzeń analogowych, takich jak analogowe kamery wideo, ta sekwencja napięć jest podawana do filtra dolnoprzepustowego w celu wytworzenia ciągłego sygnału analogowego, a następnie sygnał jest przetwarzany w celu transmisji, nagrywania i innych celów. Aby zrozumieć zasadę działania urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym i działania urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym, należy przede wszystkim zrozumieć następujące parametry.

Proces przelewania opłat

Pakiety ładunków można przenosić z komórki do komórki za pomocą wielu schematów w stylu Bucket Brigade. Istnieją różne techniki, takie jak dwufazowe, trójfazowe, czterofazowe i tak dalej. Każda komórka składa się z n-żył przechodzących przez nią w układzie n-fazowym. Wysokość potencjalnych studni jest kontrolowana za pomocą każdego przewodu podłączonego do zegara transferowego. Pakiety ładunków można przesuwać i ciągnąć wzdłuż linii CCD, zmieniając wysokość potencjalnej studni.

Proces przelewania opłat

Proces przelewania opłat

Rozważmy trójfazowy transfer ładunku, na powyższym rysunku pokazano trzy zegary (C1, C2 i C3), które mają identyczny kształt, ale znajdują się w różnych fazach. Jeśli brama B idzie wysoko, a bramka A spada, ładunek przesunie się z pola A na pole B.

Architektura CCD

Piksele mogą być przenoszone przez równoległe rejestry pionowe lub pionowe CCD (V-CCD) i równoległe rejestry poziome lub poziome CCD (H-CCD). Ładunek lub obraz można przesyłać przy użyciu różnych architektur skanowania, takich jak odczyt pełnoklatkowy, przesyłanie ramek i przesyłanie międzyliniowe. Zasada urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym może być łatwo zrozumiała dzięki następującym schematom transferu:

1. Odczyt pełnoklatkowy

Odczyt pełnej klatki

Odczyt pełnej klatki

Jest to najprostsza architektura skanowania, która wymaga migawki w wielu zastosowaniach, aby odciąć dopływ światła i uniknąć rozmazywania podczas przechodzenia ładunków przez rejestry równolegle-pionowe lub pionowe CCD i rejestry równolegle-poziome lub poziome CCD, a następnie przenoszone do wyjście szeregowe.

2. Przesyłanie ramek

Przesyłanie ramek

Przesyłanie ramek

Korzystając z procesu brygady wiaderkowej, obraz można przenieść z macierzy obrazów do macierzy nieprzezroczystych ramek. Ponieważ nie korzysta z żadnego rejestru szeregowego, jest to szybki proces w porównaniu z innymi procesami.

3. Transfer Interline

Transfer Interline

Transfer Interline

Każdy piksel składa się z fotodiody i nieprzezroczystego ogniwa magazynującego ładunek. Jak pokazano na rysunku, ładunek obrazu jest najpierw przenoszony z wrażliwego na światło PD do nieprzezroczystego V-CCD. Ten transfer, ponieważ obraz jest ukryty, w jednym cyklu przenoszenia powoduje minimalne rozmazanie obrazu, dzięki czemu można uzyskać najszybszą migawkę optyczną.

Kondensator MOS CCD

Każda komórka CCD ma półprzewodnik z tlenku metalu, mimo że w produkcji CCD używane są zarówno kondensatory MOS z kanałem powierzchniowym, jak i kanałem podziemnym. Ale często są to matryce CCD wykonane na podłożu typu P. i wyprodukowany przy użyciu kondensatorów MOS z kanałem podziemnym, na jego powierzchni tworzy się cienki obszar typu N. Warstwa dwutlenku krzemu rośnie jako izolator na górze obszaru N, a bramki są tworzone przez umieszczenie jednej lub więcej elektrod na tej warstwie izolacyjnej.

Piksel CCD

Wolne elektrony powstają w wyniku efektu fotoelektrycznego, gdy fotony uderzą w powierzchnię krzemu, a z powodu próżni jednocześnie zostanie wygenerowany ładunek dodatni lub dziura. Zamiast wybierać trudny proces liczenia fluktuacji termicznych lub ciepła powstającego w wyniku rekombinacji dziury i elektronu, lepiej jest zbierać i liczyć elektrony w celu uzyskania obrazu. Można to osiągnąć poprzez przyciąganie elektronów generowanych przez uderzanie fotonów na powierzchni krzemu w kierunku odrębnych obszarów o dodatnim obciążeniu.

Piksel CCD

Piksel CCD

Pełną pojemność studni można zdefiniować jako maksymalną liczbę elektronów, które mogą być trzymane przez każdy piksel CCD i, zazwyczaj, piksel CCD może pomieścić od 10 kE do 500 kE, ale zależy to od rozmiaru piksela (im większy rozmiar, tym więcej elektronów może być akumulowane).

Chłodzenie CCD

Chłodzenie CCD

Chłodzenie CCD

Generalnie przetworniki CCD pracują w niskiej temperaturze, a energia cieplna może być wykorzystana do wzbudzenia niewłaściwych elektronów w piksele obrazu, których nie można odróżnić od fotoelektronów obrazu rzeczywistego. Nazywa się to procesem ciemnego prądu, który generuje szum. Całkowite wytwarzanie prądu ciemnego można zmniejszyć dwukrotnie na każde 6 do 70 stopni chłodzenia z określonymi ograniczeniami. Przetworniki CCD nie działają poniżej -1200, a całkowity szum generowany przez ciemny prąd można usunąć przez ochłodzenie go do około -1000, izolując go termicznie w ewakuowanym środowisku. CCD są często chłodzone za pomocą ciekłego azotu, chłodnic termoelektrycznych i pomp mechanicznych.

Sprawność kwantowa CCD

Tempo generowania fotoelektronów zależy od światła padającego na powierzchnię CCD. Na konwersję fotonów w ładunek elektryczny wpływa wiele czynników i określa się ją mianem wydajności kwantowej. W przypadku przetworników CCD mieści się w lepszym zakresie od 25% do 95% w porównaniu z innymi technikami wykrywania światła.

Wydajność kwantowa przedniego podświetlanego urządzenia

Wydajność kwantowa przedniego podświetlanego urządzenia

Urządzenie oświetlane z przodu generuje sygnał po przejściu światła przez konstrukcję bramki, tłumiąc docierające promieniowanie.

Wydajność kwantowa podświetlanego urządzenia

Wydajność kwantowa podświetlanego urządzenia

Podświetlany lub cieńszy od tyłu CCD składa się z nadmiaru krzemu na spodzie urządzenia, który jest nadrukowany w sposób, który w nieograniczony sposób umożliwia generowanie fotoelektronów.

Ten artykuł kończy się zatem krótkim opisem CCD i jego zasady działania, biorąc pod uwagę różne parametry, takie jak architektury skanowania CCD, proces transferu ładunku, kondensator MOS CCD, piksel CCD, chłodzenie i wydajność kwantowa CCD w skrócie. Czy znasz typowe zastosowania, w których często używany jest czujnik CCD? Proszę zamieścić swoje komentarze poniżej, aby uzyskać szczegółowe informacje dotyczące działania i zastosowań CCD.