Znanstvenici Williard Boyle i George E. Smith iz tvrtke AT&T Bell Labs, dok koji rade na poluvodiču -bubble-memory dizajnirao je uređaj i nazvao ga 'Uređaj s mjehurićima za punjenje', koji se može koristiti kao Shift Register.
Punjeni uređaj
Prema osnovnoj prirodi uređaja, on ima mogućnost prijenosa naboja jedan kondenzator za pohranu do sljedeće, duž površine poluvodiča, a ovaj je princip sličan uređaju Bucket-Brigade Device (BBD), koji je izumljen 1960-ih u Phillips Research Labs. Na kraju, od svih takvih eksperimentalnih istraživačkih aktivnosti, Charge Coupled Device (CCD) izumljen je u AT&T Bell Labs 1969. godine.
Uređaj spojen na punjenje (CCD)
Uređaji povezani s punjenjem mogu se definirati na različite načine u skladu s aplikacijom za koju se koriste ili na temelju dizajna uređaja.
To je uređaj koji se koristi za kretanje električnog naboja unutar njega za manipulaciju nabojem, što se vrši promjenom signala kroz faze u uređaju jedan po jedan.
Može se tretirati kao CCD senzor koji se koristi u digitalne i video kamere za snimanje slika i snimanje video zapisa putem fotoelektričnog efekta. Koristi se za pretvaranje zarobljene svjetlosti u digitalne podatke koje kamera snima.
Može se definirati kao integrirani krug osjetljiv na svjetlost utisnuti na silicijsku površinu kako bi oblikovali svjetlosno osjetljive elemente zvane pikseli, a svaki se piksel pretvara u električni naboj.
Nazvan je uređajem za diskretno vrijeme za koji se koristi kontinuirani ili analogni signal uzorkovanje u diskretnim vremenima.
Vrste CCD-a
Postoje različiti CCD-ovi poput CCD-a koji umnožavaju elektrone, pojačani CCD, CCD s prijenosom okvira i CCD sa zakopanim kanalom. CCD se može jednostavno definirati kao uređaj za prijenos naboja. Izumitelji CCD-a, Smith i Boyle također su otkrili CCD sa znatno obogaćenim performansama od općeg CCD-a s površinskim kanalom i drugih CCD-a poznat je kao CCD sa zakopanim kanalom i uglavnom se koristi za praktične primjene.
Načelo rada spojenog uređaja s naplatom
Silicijski epitaksijalni sloj koji djeluje kao fotoaktivno područje i područje prijenosa-regije prijenosa koriste se za snimanje slika pomoću CCD-a.
Kroz leću se slika projicira na fotoaktivno područje koje se sastoji od kondenzatorskog niza. Dakle, električni naboj proporcionalan intenzitet svjetlosti boje piksela slike u spektru boja na tom mjestu nakuplja se na svakom kondenzatoru.
Ako ovaj niz kondenzatora otkrije sliku, tada se električni naboj akumuliran u svakom kondenzatoru prenosi na njegov susjedni kondenzator izvođenjem kao registar smjene kontrolira upravljački krug.
Rad uređaja s nabojem
Na gornjoj slici, iz a, b i c, prikazan je prijenos paketa naboja u skladu s naponom primijenjenim na stezaljke vrata. Napokon, u nizu se električni naboj posljednjeg kondenzatora prenosi u pojačalo naboja u kojem se električni naboj pretvara u napon. Dakle, iz kontinuiranog rada ovih zadataka, čitavi naboji kondenzatorskog niza u poluvodiču pretvaraju se u niz napona.
Taj se niz napona uzorkuje, digitalizira i zatim pohranjuje u memoriju u slučaju digitalnih uređaja kao što su digitalni fotoaparati. U slučaju analognih uređaja kao što su analogne video kamere, ovaj se niz napona dovodi u niskopropusni filtar da bi se stvorio kontinuirani analogni signal, a zatim se signal obrađuje za prijenos, snimanje i u druge svrhe. Da bismo razumjeli princip rada uređaja s nabojem i uređaja s nabojem koji rade u dubini, prije svega treba razumjeti sljedeće parametre.
Postupak prijenosa naplate
Paketi naboja mogu se premještati iz ćelije u ćeliju pomoću mnogih shema u stilu Bucket Brigade. Postoje razne tehnike poput dvofazne, trofazne, četverofazne itd. Svaka se stanica sastoji od n-žica koje prolaze kroz nju u shemi n-faze. Visina potencijalnih bušotina kontrolira se pomoću svake žice spojene za prijenos sata. Paketi punjenja mogu se gurati i povlačiti duž linije CCD-a mijenjanjem visine potencijalne bušotine.
Postupak prijenosa naplate
Razmotrimo trofazni prijenos naboja, na gornjoj slici prikazana su tri sata (C1, C2 i C3) koji su identičnog oblika, ali u različitim fazama. Ako kapija B prijeđe visoko, a kapija A padne, tada će se naboj iz prostora A premjestiti u prostor B.
Arhitektura CCD-a
Pikseli se mogu prenositi kroz paralelne vertikalne registre ili vertikalni CCD (V-CCD) i paralelne vodoravne registre ili vodoravne CCD (H-CCD). Naboj ili slika mogu se prenijeti korištenjem različitih arhitektura skeniranja, kao što su očitavanje punog kadra, prijenos okvira i prijenos interlinea. Načelo uređaja povezanog s punjenjem može biti lako razumljivo sa sljedećim shemama prijenosa:
1. Čitanje u cijelom kadru
Čitanje u cijelom kadru
To je najjednostavnija arhitektura skeniranja koja zahtijeva zatvarač u brojnim aplikacijama kako bi se odsjekao ulaz svjetlosti i kako bi se izbjeglo razmazivanje tijekom prolaska naboja kroz paralelno-vertikalne registre ili vertikalne CCD i paralelno-vodoravne registre ili horizontalni CCD, a zatim prenijeti izlaz u seriji.
2. Prijenos okvira
Prijenos okvira
Korištenjem procesa bricket brigade slika se može prenijeti iz niza slika u neprozirni niz za pohranu okvira. Budući da ne koristi nijedan serijski registar, to je brz proces u usporedbi s drugim procesima.
3. Interline prijenos
Interline Transfer
Svaki se piksel sastoji od fotodiode i neprozirne ćelije za pohranu naboja. Kao što je prikazano na slici, naboj slike prvo se prenosi sa PD osjetljivog na svjetlost na neprozirni V-CCD. Ovaj prijenos, budući da je slika skrivena, u jednom ciklusu prijenosa stvara minimalni razmaz slike, stoga se može postići najbrže optičko okidanje.
MOS kondenzator CCD-a
Svaka CCD ćelija ima poluvodič metalnog oksida, iako se u proizvodnji CCD-a koriste i površinski i ukopani MOS kondenzatori. Ali često su CCD proizvedeno na podlozi tipa P i proizveden uporabom MOS kondenzatora sa zakopanim kanalom za to se na njegovoj površini formira tanko područje N-tipa. Sloj silicijevog dioksida uzgaja se kao izolator na vrhu N-regije, a vrata se formiraju postavljanjem jedne ili više elektroda na taj izolacijski sloj.
CCD piksel
Slobodni elektroni nastaju iz fotoelektričnog efekta kada fotoni udaraju u površinu silicija, a zbog vakuuma će istovremeno nastati pozitivan naboj ili rupa. Umjesto da odaberete težak postupak brojanja toplinskih fluktuacija ili topline nastale rekombinacijom rupe i elektrona, poželjno je sakupljati i brojati elektrone da bi se dobila slika. To se može postići privlačenjem elektrona generiranih udaranjem fotona na površinu silicija prema pozitivno pristranim različitim područjima.
CCD piksel
Kapacitet pune jažice može se definirati kao maksimalni broj elektrona koji može držati svaki CCD piksel, a tipično CCD piksel može sadržavati 10ke do 500ke, ali to ovisi o veličini piksela (što je veća veličina više elektrona biti nagomilani).
CCD hlađenje
CCD hlađenje
Općenito CCD rade na niskim temperaturama, a toplinska energija se može koristiti za uzbuđivanje neprikladnih elektrona u slikovne piksele koji se ne mogu razlikovati od fotoelektrona sa stvarnom slikom. To se naziva procesom tamne struje koji stvara buku. Ukupna generacija tamne struje može se smanjiti dva puta za svakih 6 do 70 hlađenja uz određena ograničenja. CCD ne rade ispod -1200, a ukupni šum stvoren tamnom strujom može se ukloniti hlađenjem oko -1000, toplinskom izolacijom u evakuiranom okruženju. CCD se često hlade pomoću tekućeg dušika, termoelektričnih hladnjaka i mehaničkih pumpi.
Kvantna učinkovitost CCD-a
Brzina stvaranja fotoelektrona ovisi o svjetlosti koja pada na površinu CCD-a. Pretvorbi fotona u električni naboj pridonose mnogi čimbenici i naziva se kvantnom učinkovitošću. Za CCD-ove je u boljem rasponu od 25% do 95% u odnosu na ostale tehnike otkrivanja svjetlosti.
Kvantna učinkovitost prednjeg osvjetljenog uređaja
Uređaj s prednjim osvjetljenjem generira signal nakon što svjetlost prolazi kroz strukturu vrata prigušivanjem dolaznog zračenja.
Kvantna učinkovitost stražnje osvijetljene naprave
CCD osvijetljen stražnjim dijelom ili razrijeđen straga se sastoji od viška silicija s donje strane uređaja, koji je utisnut na način koji neograničeno omogućuje stvaranje fotoelektrona.
Ovaj članak stoga završava kratkim opisom CCD-a i njegovog principa rada koji uzima u obzir različite parametre kao što su CCD skenirajuće arhitekture, postupak prijenosa naboja, MOS kondenzator CCD-a, CCD piksel, hlađenje i ukratko kvantna učinkovitost CCD-a. Znate li tipične primjene u kojima se CCD senzor često koristi? Molimo pošaljite svoje komentare u nastavku za detaljne informacije o radu i primjeni CCD-a.
