Znanstvenika Williard Boyle in George E. Smith iz AT&T Bell Labs ki delajo na polprevodnikih -bubble-memory je zasnoval napravo in jo poimenoval 'naprava za polnjenje mehurčkov', ki se lahko uporablja kot Shift Register.
Naprava za polnjenje
Glede na temeljno naravo naprave ima zmožnost prenosa napolnjenosti en shranjevalni kondenzator na naslednjo, po površini polprevodnika, in to načelo je podobno napravi Bucket-Brigade Device (BBD), ki so jo izumili v šestdesetih letih prejšnjega stoletja v Phillips Research Labs. Sčasoma je bila med vsemi takimi eksperimentalnimi raziskovalnimi dejavnostmi leta 1969 v AT&T Bell Labs izumljena naprava Charge Coupled Device (CCD).
Naprava na polnjenje (CCD)
Naprave, povezane s polnjenjem, je mogoče določiti na različne načine glede na aplikacijo, za katero se uporabljajo, ali na podlagi zasnove naprave.
To je naprava, ki se uporablja za gibanje električnega naboja v njej za manipulacijo naboja, ki se izvaja s spreminjanjem signalov skozi faze znotraj naprave.
Lahko ga obravnavamo kot CCD senzor, ki se uporablja v digitalne in video kamere za fotografiranje in snemanje video posnetkov s pomočjo fotoelektričnega učinka. Uporablja se za pretvorbo ujete svetlobe v digitalne podatke, ki jih posname kamera.
Lahko ga definiramo kot a svetlobno občutljivo integrirano vezje vtisne na silikonsko površino, da tvori svetlobno občutljive elemente, imenovane piksele, in vsaka slikovna pika se pretvori v električni naboj.
Imenuje se kot naprava za diskretni čas, ki se uporablja za neprekinjen ali analogni signal vzorčenje v diskretnih časih.
Vrste CCD
Obstajajo različni CCD-ji, kot so množitelji elektronov, intenzivirani CCD, CCD s prenosom sličic in CCD s pokopanim kanalom. CCD lahko preprosto določimo kot napravo za prenos polnjenja. Izumitelji CCD, Smith in Boyle so odkrili tudi CCD z močno obogateno zmogljivostjo kot splošni CCD s površinskim kanalom in druge CCD, znan je kot CCD s pokopanim kanalom in se v glavnem uporablja za praktične namene.
Načelo delovanja polnilne naprave
Silicijeva epitaksialna plast, ki deluje kot fotoaktivno območje, in območje prenosa-prenosa prenosa se uporabljata za zajemanje slik s pomočjo CCD.
Skozi lečo se slika projicira na foto aktivno območje, sestavljeno iz kondenzatorskega polja. Tako je električni naboj sorazmeren z jakost svetlobe slike slikovnih pik v barvnem spektru na tem mestu se nabere na vsakem kondenzatorju.
Če s tem nizom kondenzatorjev zazna sliko, se električni naboj, nabran v vsakem kondenzatorju, prenese na sosednji kondenzator, tako da deluje kot premični register krmiljen s krmilnim vezjem.
Delovanje polnilno povezane naprave
Na zgornji sliki je iz točk a, b in c prikazan prenos polnilnih paketov glede na napetost, ki je priključena na terminale vrat. Končno se v nizu električni naboj zadnjega kondenzatorja prenese v ojačevalnik naboja, v katerem se električni naboj pretvori v napetost. Tako se iz neprekinjenega delovanja teh nalog celotni naboji kondenzatorskega polja v polprevodniku pretvorijo v zaporedje napetosti.
To zaporedje napetosti se vzorči, digitalizira in nato pri digitalnih napravah, kot so digitalni fotoaparati, shrani v pomnilnik. V primeru analognih naprav, kot so analogne video kamere, se to zaporedje napetosti napaja v nizkoprepustni filter, da proizvaja neprekinjen analogni signal, nato pa se signal obdela za prenos, snemanje in druge namene. Da bi razumeli načelo napolnjene naprave in poglobljeno delujoče naprave, je treba razumeti predvsem naslednje parametre.
Postopek prenosa stroškov
Pakete nabojev lahko premikate iz celice v celico z uporabo številnih shem v slogu Bucket Brigade. Obstajajo različne tehnike, kot so dvofazna, trifazna, štirifazna itd. Vsaka celica je sestavljena iz n-žic, ki skozi njo prehajajo v n-fazni shemi. Višino potencialnih vodnjakov nadzorujemo z uporabo vsake žice, priključene na prenosno uro. Pakete za polnjenje lahko potisnete in povlečete vzdolž črte CCD s spreminjanjem višine potencialne vrtine.
Postopek prenosa stroškov
Razmislite o trifaznem prenosu naboja, na zgornji sliki so prikazane tri ure (C1, C2 in C3), ki so enake oblike, vendar v različnih fazah. Če gre vrata B visoko in vrata A nizko, se bo naboj iz prostora A premaknil v prostor B.
Arhitektura CCD
Piksle je mogoče prenesti skozi vzporedne navpične registre ali navpični CCD (V-CCD) in vzporedne vodoravne registre ali vodoravne CCD (H-CCD). Naboj ali sliko lahko prenesete z uporabo različnih arhitektur skeniranja, kot so odčitavanje celotnega okvira, prenos sličic in prenos medvrsti. Načelo naprave, povezane s polnjenjem, je lahko razumljivo z naslednjimi shemami prenosa:
1. Celokovno branje
Celokovno branje
To je najpreprostejša arhitektura skeniranja, ki zahteva zaklop v številnih aplikacijah, da prekine vnos svetlobe in se izogne razmazovanju med prehodom nabojev skozi vzporedno navpične registre ali navpične CCD in vzporedno vodoravne registre ali vodoravni CCD in nato prenese na izhod v seriji.
2. Prenos okvirja
Prenos okvirja
Z uporabo postopka bricket brigade lahko sliko prenesemo iz slikovnega polja v neprozorno polje za shranjevanje okvirjev. Ker ne uporablja nobenega serijskega registra, je v primerjavi z drugimi procesi hiter.
3. Interline transfer
Interline Transfer
Vsak piksel je sestavljen iz fotodiode in neprozorne celice za shranjevanje naboja. Kot je prikazano na sliki, se naboj slike najprej prenese iz svetlobno občutljivega PD na neprozorni V-CCD. Ta prenos, ker je slika skrita, v enem ciklu prenosa ustvari najmanjši razmaz slike, zato je mogoče doseči najhitrejše optično opazovanje.
MOS kondenzator CCD
Vsaka CCD celica ima polprevodnik iz kovinskega oksida, čeprav se pri izdelavi CCD uporabljajo kondenzatorji MOS s površinskim in pokopanim kanalom. Toda pogosto so CCD-ji izdelano na podlagi P-tipa in izdelan z uporabo MOS kondenzatorjev s pokopanim kanalom, za to pa na njeni površini nastane tanko območje tipa N. Plast silicijevega dioksida se goji kot izolator na vrhu N-območja, vrata pa nastanejo tako, da se na to izolacijsko plast namesti ena ali več elektrod.
CCD pixel
Prosti elektroni nastanejo iz fotoelektričnega učinka, ko fotoni udarijo v površino silicija, zaradi vakuuma pa bo hkrati ustvarjen pozitiven naboj ali luknja. Namesto da bi izbrali težaven postopek štetja toplotnih nihanj ali toplote, ki nastanejo pri rekombinaciji luknje in elektrona, je raje zbirati in šteti elektrone, da dobimo sliko. To lahko dosežemo s privabljanjem elektronov, ki nastanejo z udarci fotonov na površini silicija, proti pozitivno pristranskim ločenim območjem.
CCD pixel
Kapaciteto polne jame lahko določimo kot največje število elektronov, ki jih lahko zadrži posamezen CCD piksel, običajno pa lahko CCD piksel sprejme 10ke do 500ke, vendar je to odvisno od velikosti piksla (večja kot je več elektronov se kopičijo).
CCD hlajenje
CCD hlajenje
Na splošno CCD-ji delujejo pri nizkih temperaturah, toplotno energijo pa lahko uporabimo za vznemirjanje neprimernih elektronov v slikovne pike, ki jih ni mogoče razlikovati od dejanskih slikovnih fotoelektronov. Imenuje se kot proces temnega toka, ki ustvarja hrup. Skupno tvorbo temnega toka je mogoče zmanjšati dvakrat za vsakih 6 do 70 hlajenja z določenimi mejami. CCD-ji ne delujejo pod -1200 in celoten hrup, ki ga ustvarja temni tok, je mogoče odstraniti s hlajenjem okoli -1000, tako da ga toplotno izoliramo v evakuiranem okolju. CCD-i se pogosto hladijo s tekočim dušikom, termoelektričnimi hladilniki in mehanskimi črpalkami.
Kvantna učinkovitost CCD
Hitrost nastajanja fotoelektronov je odvisna od svetlobe, ki pada na površino CCD. K pretvorbi fotonov v električni naboj prispevajo številni dejavniki in se imenuje kvantna učinkovitost. V primerjavi z drugimi tehnikami zaznavanja svetlobe je pri CCD-jih v boljšem območju od 25% do 95%.
Kvantna učinkovitost prednje osvetljene naprave
Naprava s sprednjo osvetlitvijo ustvari signal po prehodu svetlobe skozi strukturo vrat z oslabitvijo dohodnega sevanja.
Kvantna učinkovitost zadnje osvetljene naprave
CCD, osvetljen z ozadjem ali tanjšan nazaj, je sestavljen iz presežka silicija na spodnji strani naprave, ki je vtisnjen na način, ki neomejeno omogoča generiranje fotoelektronov.
Ta članek se tako zaključuje s kratkim opisom CCD in njegovim načelom delovanja, ki upošteva različne parametre, kot so CCD skenirne arhitekture, postopek prenosa naboja, MOS kondenzator CCD, CCD pixel, hlajenje in kratek izkoristek CCD na kratko. Ali poznate tipične aplikacije, pri katerih se CCD senzor pogosto uporablja? Prosimo, objavite svoje komentarje spodaj za podrobne informacije o delovanju in uporabi CCD-jev.
