Οι επιστήμονες Williard Boyle και George E. Smith από την AT&T Bell Labs, ενώ εργάζεται στον ημιαγωγό -Η μνήμη φυσαλίδων σχεδίασε μια συσκευή και την ονόμασε ως 'Charge Bubble Device', η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως Shift Register.
Φόρτιση συνδεδεμένης συσκευής
Σύμφωνα με τη θεμελιώδη φύση της συσκευής, έχει τη δυνατότητα μεταφοράς φόρτισης από ένας πυκνωτής αποθήκευσης στο επόμενο, κατά μήκος της επιφάνειας του ημιαγωγού, και αυτή η αρχή είναι παρόμοια με τη συσκευή Bucket-Brigade (BBD), η οποία εφευρέθηκε τη δεκαετία του 1960 στα Phillips Research Labs. Τελικά, από όλες αυτές τις πειραματικές ερευνητικές δραστηριότητες, το Charge Coupled Device (CCD) εφευρέθηκε στα AT & T Bell Labs το 1969.
Συσκευή συζευγμένης φόρτισης (CCD)
Οι συσκευές συζευγμένης φόρτισης μπορούν να οριστούν με διαφορετικούς τρόπους ανάλογα με την εφαρμογή για την οποία χρησιμοποιούνται ή με βάση το σχεδιασμό της συσκευής.
Είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για την κίνηση του ηλεκτρικού φορτίου μέσα σε αυτήν για το χειρισμό του φορτίου, η οποία γίνεται με την αλλαγή των σημάτων μέσω σταδίων μέσα στη συσκευή ένα κάθε φορά.
Μπορεί να αντιμετωπιστεί ως αισθητήρας CCD, ο οποίος χρησιμοποιείται στο ψηφιακές και βιντεοκάμερες για λήψη φωτογραφιών και εγγραφή βίντεο μέσω φωτοηλεκτρικού εφέ. Χρησιμοποιείται για τη μετατροπή του ληφθέντος φωτός σε ψηφιακά δεδομένα, τα οποία καταγράφονται από την κάμερα.
Μπορεί να οριστεί ως ενσωματωμένο κύκλωμα ευαίσθητο στο φως αποτυπωμένο σε μια επιφάνεια πυριτίου για σχηματισμό ευαίσθητων στο φως στοιχείων που ονομάζονται pixels, και κάθε pixel μετατρέπεται σε ηλεκτρικό φορτίο.
Ονομάζεται ως συσκευή διακριτού χρόνου που χρησιμοποιείται για συνεχές ή αναλογικό σήμα δειγματοληψία σε διακριτούς χρόνους.
Τύποι CCD
Υπάρχουν διαφορετικά CCD όπως CCD πολλαπλασιασμού ηλεκτρονίων, CCD εντατικού, CCD μεταφοράς πλαισίου και CCD θαμμένου καναλιού. Ένα CCD μπορεί απλά να οριστεί ως συσκευή μεταφοράς φόρτισης. Οι εφευρέτες του CCD, ο Smith και ο Boyle ανακάλυψαν επίσης ένα CCD με πολύ εμπλουτισμένη απόδοση από ένα γενικό CCD Surface Channel και άλλα CCD, είναι γνωστό ως Buried channel CCD και χρησιμοποιείται κυρίως για πρακτικές εφαρμογές.
Αρχή εργασίας φόρτισης συνδεδεμένης συσκευής
Το επιταξιακό στρώμα πυριτίου που ενεργεί ως φωτοδραστική περιοχή και περιοχή μετάδοσης μετατόπισης-καταχώρησης χρησιμοποιούνται για τη λήψη εικόνων χρησιμοποιώντας CCD.
Μέσω του φακού, η εικόνα προβάλλεται στην ενεργή περιοχή που αποτελείται από συστοιχία πυκνωτών. Έτσι, το ηλεκτρικό φορτίο ανάλογο με το ελαφριά ένταση του χρώματος εικονοστοιχείου εικόνας στο φάσμα χρωμάτων σε αυτήν τη θέση συσσωρεύεται σε κάθε πυκνωτή.
Εάν η εικόνα εντοπιστεί από αυτήν τη συστοιχία πυκνωτών, τότε το ηλεκτρικό φορτίο που συσσωρεύεται σε κάθε πυκνωτή μεταφέρεται στον γειτονικό του πυκνωτή εκτελώντας ως μητρώο βάρδιας ελέγχεται από το κύκλωμα ελέγχου.
Εργασία συσκευής συνδεδεμένης φόρτισης
Στο παραπάνω σχήμα, από τα a, b και c, η μεταφορά πακέτων φόρτισης φαίνεται σύμφωνα με την τάση που εφαρμόζεται στους ακροδέκτες της πύλης. Επιτέλους, στη σειρά το ηλεκτρικό φορτίο του τελευταίου πυκνωτή μεταφέρεται στον ενισχυτή φόρτισης στον οποίο το ηλεκτρικό φορτίο μετατρέπεται σε τάση. Έτσι, από τη συνεχή λειτουργία αυτών των εργασιών, ολόκληρα τα φορτία της συστοιχίας πυκνωτών στον ημιαγωγό μετατρέπονται σε ακολουθία τάσεων.
Αυτή η ακολουθία τάσεων γίνεται δειγματοληψία, ψηφιοποίηση και στη συνέχεια αποθηκεύεται στη μνήμη σε περίπτωση ψηφιακών συσκευών όπως ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών. Στην περίπτωση αναλογικών συσκευών όπως αναλογικές βιντεοκάμερες, αυτή η ακολουθία τάσεων τροφοδοτείται σε ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης για να παράγει ένα συνεχές αναλογικό σήμα και στη συνέχεια το σήμα υποβάλλεται σε επεξεργασία για μετάδοση, εγγραφή και για άλλους σκοπούς. Για να κατανοήσουμε την αρχή της συζευγμένης φόρτισης και τη συζευγμένη συσκευή φόρτισης να λειτουργεί σε βάθος, πρέπει κυρίως να γίνουν κατανοητές οι ακόλουθες παράμετροι.
Διαδικασία μεταφοράς χρέωσης
Τα πακέτα φόρτισης μπορούν να μετακινηθούν από κελί σε κελί χρησιμοποιώντας πολλά σχήματα σε στυλ Bucket Brigade. Υπάρχουν διάφορες τεχνικές όπως δύο φάσεις, τρεις φάσεις, τέσσερις φάσεις και ούτω καθεξής. Κάθε κυψέλη αποτελείται από καλώδια n που διέρχονται από αυτό σε σχήμα φάσης n. Το ύψος των πιθανών φρεατίων ελέγχεται χρησιμοποιώντας κάθε καλώδιο που συνδέεται με το ρολόι μεταφοράς. Τα πακέτα φόρτισης μπορούν να ωθηθούν και να τραβηχτούν κατά μήκος της γραμμής του CCD μεταβάλλοντας το ύψος του δυναμικού φρεατίου.
Διαδικασία μεταφοράς χρέωσης
Εξετάστε μια τριφασική μεταφορά φόρτισης, στο παραπάνω σχήμα, εμφανίζονται τα τρία ρολόγια (C1, C2 και C3) που έχουν το ίδιο σχήμα αλλά σε διαφορετικές φάσεις. Εάν η πύλη Β πηγαίνει ψηλά και η πύλη Α χαμηλώνει, τότε η φόρτιση θα μετακινηθεί από το διάστημα Α στο διάστημα Β.
Αρχιτεκτονική CCD
Τα pixel μπορούν να μεταφερθούν μέσω των παράλληλων κατακόρυφων καταχωρητών ή κάθετων CCD (V-CCD) και παράλληλων οριζόντιων καταχωρητών ή οριζόντιων CCD (H-CCD). Η χρέωση ή η εικόνα μπορούν να μεταφερθούν χρησιμοποιώντας διαφορετικές αρχιτεκτονικές σάρωσης, όπως ανάγνωση πλήρους καρέ, μεταφορά καρέ και μεταφορά μεταξύ γραμμών. Η αρχή της συζευγμένης φόρτισης μπορεί εύκολα να γίνει κατανοητή με τα ακόλουθα σχήματα μεταφοράς:
1. Αναγνώριση πλήρους καρέ
Αναγνώριση πλήρους καρέ
Είναι η απλούστερη αρχιτεκτονική σάρωσης που απαιτεί ένα κλείστρο σε πολλές εφαρμογές για να διακόψει την είσοδο φωτός και να αποφύγει τη δημιουργία κηλίδων κατά τη διέλευση των φορτίων μέσω παράλληλων-κατακόρυφων καταχωρητών ή κάθετων CCD και παράλληλων-οριζόντιων καταχωρητών ή οριζόντιων CCD και στη συνέχεια να έξοδος σε σειριακή.
2. Μεταφορά καρέ
Μεταφορά καρέ
Χρησιμοποιώντας τη διαδικασία ταξιαρχίας κάδων η εικόνα μπορεί να μεταφερθεί από τη συστοιχία εικόνων σε αδιαφανή συστοιχία αποθήκευσης καρέ. Δεδομένου ότι δεν χρησιμοποιεί κανένα σειριακό μητρώο, είναι μια γρήγορη διαδικασία σε σύγκριση με άλλες διαδικασίες.
3. Μεταφορά μέσω διαδικτύου
Μεταφορά μέσω διαδικτύου
Κάθε εικονοστοιχείο αποτελείται από μια φωτοδίοδο και ένα αδιαφανές κελί αποθήκευσης φορτίου. Όπως φαίνεται στο σχήμα, το φορτίο εικόνας μεταφέρεται πρώτα από το ευαίσθητο στο φως PD στο αδιαφανές V-CCD. Αυτή η μεταφορά, καθώς η εικόνα είναι κρυμμένη, σε έναν κύκλο μεταφοράς παράγει ένα ελάχιστο επίχρισμα εικόνας, επομένως, μπορεί να επιτευχθεί το ταχύτερο οπτικό κλείστρο.
Πυκνωτής MOS CCD
Κάθε κυψέλη CCD έχει ημιαγωγό μεταλλικού οξειδίου, παρόλο που χρησιμοποιούνται και οι δύο πυκνωτές MOS καναλιού επιφανείας και θαμμένου καναλιού στην κατασκευή του CCD. Αλλά συχνά οι CCD είναι κατασκευασμένο σε υπόστρωμα τύπου Ρ και κατασκευάζονται με χρήση πυκνωτών MOS θαμμένου καναλιού για αυτό σχηματίζεται μια λεπτή περιοχή τύπου Ν στην επιφάνειά της. Ένα στρώμα διοξειδίου του πυριτίου αναπτύσσεται ως μονωτής στην κορυφή της περιοχής Ν, και οι πύλες σχηματίζονται τοποθετώντας ένα ή περισσότερα ηλεκτρόδια σε αυτό το μονωτικό στρώμα.
CCD Pixel
Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια σχηματίζονται από φωτοηλεκτρικό φαινόμενο όταν τα φωτόνια χτυπούν την επιφάνεια του πυριτίου και λόγω του κενού, παράγεται ταυτόχρονα θετικό φορτίο ή η οπή. Αντί να επιλέξουμε δύσκολη διαδικασία μέτρησης των θερμικών διακυμάνσεων ή θερμότητας που σχηματίζεται από τον ανασυνδυασμό οπών και ηλεκτρονίων, προτιμάται η συλλογή και η μέτρηση ηλεκτρονίων για την παραγωγή εικόνας. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί προσελκύοντας ηλεκτρόνια που παράγονται με κτύπημα φωτονίων στην επιφάνεια του πυριτίου προς τις θετικά προκατειλημμένες ξεχωριστές περιοχές.
CCD Pixel
Η χωρητικότητα πλήρους φρεατίου μπορεί να οριστεί ως ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων που μπορούν να συγκρατηθούν από κάθε pixel CCD και, συνήθως, ένα pixel CCD μπορεί να χωρέσει από 10ke έως 500ke, αλλά εξαρτάται από το μέγεθος του pixel (όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος των περισσότερων ηλεκτρονίων μπορεί να συσσωρευτεί).
Ψύξη CCD
Ψύξη CCD
Γενικά οι CCD λειτουργούν σε χαμηλή θερμοκρασία και η θερμική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συναρπαστικά ακατάλληλα ηλεκτρόνια σε pixel εικόνας που δεν μπορούν να διαφοροποιηθούν από τα φωτοηλεκτρόνια πραγματικής εικόνας. Ονομάζεται ως σκοτεινή τρέχουσα διαδικασία, η οποία παράγει θόρυβο. Η συνολική παραγωγή σκοτεινού ρεύματος μπορεί να μειωθεί δύο φορές για κάθε 6 έως 70 ψύξη με ορισμένα όρια. Τα CCD δεν λειτουργούν κάτω από -1200 και ο συνολικός θόρυβος που παράγεται από το σκοτεινό ρεύμα μπορεί να αφαιρεθεί με ψύξη περίπου -1000, με θερμική απομόνωση σε εκκενωμένο περιβάλλον. Οι CCDs ψύχονται συχνά χρησιμοποιώντας υγρό άζωτο, θερμοηλεκτρικούς ψύκτες και μηχανικές αντλίες.
Κβαντική απόδοση της CCD
Ο ρυθμός παραγωγής φωτοηλεκτρονίων εξαρτάται από το ελαφρύ περιστατικό στην επιφάνεια του CCD. Η μετατροπή των φωτονίων σε ηλεκτρικό φορτίο συμβάλλεται από πολλούς παράγοντες και ονομάζεται Κβαντική Απόδοση. Είναι στην καλύτερη περιοχή από 25% έως 95% για CCD σε σύγκριση με άλλες τεχνικές ανίχνευσης φωτός.
Κβαντική απόδοση της μπροστινής φωτισμένης συσκευής
Η συσκευή με εμπρόσθιο φωτισμό παράγει ένα σήμα αφού το φως περάσει από τη δομή της πύλης εξασθενίζοντας την εισερχόμενη ακτινοβολία.
Κβαντική απόδοση της συσκευής με οπίσθιο φωτισμό
Το οπίσθιο φωτισμένο ή αραιωμένο CCD αποτελείται από περίσσεια πυριτίου στο κάτω μέρος της συσκευής, το οποίο αποτυπώνεται με τρόπο που επιτρέπει απεριόριστα τη δημιουργία φωτοηλεκτρονίων.
Αυτό το άρθρο καταλήγει συνεπώς με τη σύντομη περιγραφή του CCD και την αρχή λειτουργίας του λαμβάνοντας υπόψη διάφορες παραμέτρους, όπως αρχιτεκτονικές σάρωσης CCD, διαδικασία μεταφοράς φόρτισης, πυκνωτή MOS CCD, pixel CCD, ψύξη και κβαντική απόδοση της CCD εν συντομία. Γνωρίζετε τυπικές εφαρμογές στις οποίες ο αισθητήρας CCD χρησιμοποιείται συχνά; Παρακαλώ δημοσιεύστε τα σχόλιά σας παρακάτω για λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με την εργασία και τις εφαρμογές των CCD.
