Учените Уилиард Бойл и Джордж Е. Смит от AT&T Bell Labs, докато работи върху полупроводник -bubble-memory проектира устройство и го нарече като „Charge Bubble Device“, което може да се използва като Shift Register.
Устройство, свързано със зареждане
Според основния характер на устройството, то има способността да прехвърля заряд от един кондензатор за съхранение до следващия, по повърхността на полупроводника, и този принцип е подобен на устройството Bucket-Brigade Device (BBD), което е изобретено през 60-те години в Phillips Research Labs. В крайна сметка, от всички подобни експериментални изследователски дейности, Charge Coupled Device (CCD) е изобретен в AT&T Bell Labs през 1969 г.
Устройство, свързано със зареждане (CCD)
Свързаните с такса устройства могат да бъдат дефинирани по различни начини в зависимост от приложението, за което се използват, или въз основа на дизайна на устройството.
Това е устройство, използвано за движение на електрически заряд в него за манипулиране със заряд, което се извършва чрез промяна на сигналите през етапи в устройството един по един.
Може да се третира като CCD сензор, който се използва в цифрови и видеокамери за заснемане на изображения и запис на видеоклипове чрез фотоелектричен ефект. Използва се за преобразуване на уловената светлина в цифрови данни, които се записват от камерата.
Може да се определи като a чувствителна към светлина интегрална схема отпечатан върху силициева повърхност за образуване на светлочувствителни елементи, наречени пиксели, и всеки пиксел се преобразува в електрически заряд.
Той се нарича устройство за дискретно време, използвано за непрекъснат или аналогов сигнал вземане на проби в дискретни моменти.
Видове CCD
Съществуват различни CCD, като CCD, умножаващ електрон, усилен CCD, CCD за трансфер на кадри и CCD за погребан канал. CCD може просто да бъде дефиниран като устройство за прехвърляне на такса. Изобретателите на CCD, Смит и Бойл също откриха CCD със значително обогатена производителност в сравнение с общия CCD на повърхностния канал и други CCD, той е известен като CCD с погребан канал и се използва главно за практически приложения.
Принцип на зареждане на свързано устройство
Силициевият епитаксиален слой, действащ като фотоактивна област и регистър на предаване-регистър на предаване се използват за заснемане на изображения с помощта на CCD.
Чрез обектива изображението се прожектира върху фото активната област, състояща се от кондензаторна решетка. По този начин електрическият заряд, пропорционален на интензитет на светлината на цвета на пиксела на изображението в цветовия спектър на това място се натрупва при всеки кондензатор.
Ако изображението бъде открито от тази кондензаторна решетка, тогава електрическият заряд, натрупан във всеки кондензатор, се прехвърля към съседния му кондензатор, като се изпълнява като регистър за смяна управлява се от управляващата верига.
Работа на устройство, свързано със зареждане
На горната фигура от a, b и c, трансферът на пакети от заряд е показан според напрежението, приложено към терминалите на портата. Най-накрая в масива електрическият заряд на последния кондензатор се прехвърля в усилвателя на заряда, в който електрическият заряд се преобразува в напрежение. По този начин, от непрекъснатата работа на тези задачи, цели заряди на кондензаторната решетка в полупроводника се преобразуват в последователност от напрежения.
Тази последователност от напрежения се изважда, цифровизира и след това се съхранява в паметта в случай на цифрови устройства като цифрови фотоапарати. В случай на аналогови устройства като аналогови видеокамери, тази последователност от напрежения се подава към нискочестотен филтър, за да се получи непрекъснат аналогов сигнал и след това сигналът се обработва за предаване, запис и за други цели. За да се разбере принципът на устройството, свързано със заряд, и устройството, свързано със заряд, работещо в дълбочина, трябва да се разберат предимно следните параметри.
Процес на прехвърляне на такса
Пакетите за зареждане могат да бъдат премествани от клетка в клетка, като се използват много схеми в стил Bucket Brigade. Съществуват различни техники като двуфазна, трифазна, четирифазна и т.н. Всяка клетка се състои от n-проводници, преминаващи през нея в n-фазова схема. Височината на потенциалните кладенци се контролира чрез използване на всеки проводник, свързан за прехвърляне на часовника. Пакетите за зареждане могат да се изтласкват и изтеглят по линията на CCD, като се променя височината на потенциалния кладенец.
Процес на прехвърляне на такса
Помислете за трифазен трансфер на заряд, на горната фигура са показани трите часовника (C1, C2 и C3), които са еднакви по форма, но в различни фази. Ако порта В отива високо и порта А отива ниско, тогава зарядът ще се премести от пространство А в пространство Б.
Архитектура на CCD
Пикселите могат да се прехвърлят чрез паралелни вертикални регистри или вертикални CCD (V-CCD) и паралелни хоризонтални регистри или хоризонтални CCD (H-CCD). Зарядът или изображението могат да бъдат прехвърлени с помощта на различни архитектури за сканиране, като например пълно отчитане на кадъра, прехвърляне на кадър и интерлайн прехвърляне. Принципът на устройството, свързано със зареждане, може да бъде лесно разбираем със следните схеми за прехвърляне:
1. Пълнокадрово четене
Пълнокадрово четене
Това е най-простата архитектура за сканиране, която изисква затвор в редица приложения, за да се прекъсне входа на светлина и да се избегне размазване по време на преминаването на зарядите през паралелно-вертикални регистри или вертикални CCD и паралелно-хоризонтални регистри или хоризонтални CCD и след това прехвърлени в изход в сериен.
2. Прехвърляне на кадри
Прехвърляне на кадри
Чрез използването на процеса на брикетиране на кофа изображението може да бъде прехвърлено от масив на изображение в непрозрачен масив за съхранение на рамки. Тъй като не използва никакъв сериен регистър, това е бърз процес в сравнение с други процеси.
3. Интерлайн трансфер
Интерлайн трансфер
Всеки пиксел се състои от фотодиод и непрозрачна клетка за съхранение на заряд. Както е показано на фигурата, зареждането на изображението първо се прехвърля от чувствителен на светлина PD към непрозрачния V-CCD. Този трансфер, тъй като изображението е скрито, в един цикъл на трансфер създава минимално размазване на изображението, следователно може да се постигне най-бързото оптично затваряне.
MOS кондензатор на CCD
Всяка CCD клетка има метален оксиден полупроводник, въпреки че при производството на CCD се използват както повърхностни, така и MOS кондензатори с подземен канал. Но често са CCD произведени върху Р-тип субстрат и произведени чрез използване на MOS кондензатори с погребан канал за тази повърхност се образува тънък N-тип регион. Слоят от силициев диоксид се отглежда като изолатор в горната част на N-областта и вратите се оформят чрез поставяне на един или повече електроди върху този изолационен слой.
CCD пиксел
Свободните електрони се образуват от фотоелектричен ефект, когато фотоните удрят силициевата повърхност и поради вакуума едновременно ще се генерира положителен заряд или дупката. Вместо да избирате труден процес на отчитане на топлинните колебания или топлината, образувани от рекомбинацията на дупка и електрон, за предпочитане е да се събират и броят електрони, за да се получи изображение. Това може да бъде постигнато чрез привличане на електрони, генерирани от удрящи фотони върху силициевата повърхност към положително пристрастните отделни области.
CCD пиксел
Капацитетът на пълен кладенец може да бъде дефиниран като максимален брой електрони, които могат да бъдат задържани от всеки CCD пиксел и, обикновено, CCD пиксел може да побере 10ke до 500ke, но това зависи от размера на пиксела (колкото по-голям е размерът на повече електрони да се натрупват).
CCD охлаждане
CCD охлаждане
Обикновено CCD работят при ниска температура и топлинната енергия може да се използва за възбуждане на неподходящи електрони в пиксели на изображението, които не могат да бъдат разграничени от фотоелектроните в реално изображение. Той се нарича процес на тъмен ток, който генерира шум. Общото генериране на тъмен ток може да бъде намалено два пъти за всеки 6 до 70 охлаждане с определени граници. CCD-овете не работят под -1200 и общият шум, генериран от тъмния ток, може да бъде премахнат чрез охлаждането му около -1000, като се изолира термично в евакуирана среда. CCD често се охлаждат с помощта на течен азот, термоелектрически охладители и механични помпи.
Квантова ефективност на CCD
Скоростта на генериране на фотоелектрони зависи от падащата светлина върху повърхността на CCD. Превръщането на фотоните в електрически заряд се допринася от много фактори и се нарича Квантова ефективност. Той е в по-добрия диапазон от 25% до 95% за CCDs в сравнение с друга техника за откриване на светлина.
Квантова ефективност на предно осветено устройство
Устройството, осветено отпред, генерира сигнал, след като светлината премине през структурата на портата, чрез затихване на входящата радиация.
Квантова ефективност на задно осветено устройство
CCD-осветеният или изтънен отзад CCD се състои от излишен силиций от долната страна на устройството, който е отпечатан по начин, който неограничено позволява генерирането на фотоелектрони.
По този начин тази статия завършва с краткото описание на CCD и неговия принцип на работа, като се вземат предвид различни параметри като CCD сканираща архитектура, процес на прехвърляне на заряд, MOS кондензатор на CCD, CCD пиксел, охлаждане и квантова ефективност на CCD накратко. Познавате ли типични приложения, при които CCD сензорът се използва често? Моля, публикувайте вашите коментари по-долу за подробна информация относно работата и приложенията на CCD.
