Vědci Williard Boyle a George E. Smith z AT&T Bell Labs pracuje na polovodiči -bubble-memory navrhl zařízení a nazval jej jako „Charge Bubble Device“, které lze použít jako posuvný registr.
Charge Coupled Device
Podle základní povahy zařízení má schopnost přenášet náboj z jeden skladovací kondenzátor na další, podél povrchu polovodiče, a tento princip je podobný zařízení Bucket-Brigade Device (BBD), které bylo vynalezeno v 60. letech ve Phillips Research Labs. Nakonec byl ze všech těchto experimentálních výzkumných činností vynalezen v roce 1969 v laboratořích AT&T Bell Chars Coupled Device (CCD).
Charge Coupled Device (CCD)
Charge Coupled Devices lze definovat různými způsoby podle aplikace, pro kterou se používají, nebo na základě konstrukce zařízení.
Jedná se o zařízení, které se používá pro pohyb elektrického náboje v něm pro manipulaci s nábojem, což se provádí změnou signálů v jednotlivých fázích zařízení.
Lze s ním zacházet jako s CCD senzorem, který se používá v digitální a videokamery pro fotografování a nahrávání videa pomocí fotoelektrického efektu. Používá se pro převod zachyceného světla na digitální data, která jsou zaznamenávána kamerou.
Lze jej definovat jako a integrovaný obvod citlivý na světlo potištěny na křemíkovém povrchu za vzniku prvků citlivých na světlo zvaných pixely a každý pixel je převeden na elektrický náboj.
Nazývá se to jako diskrétní zařízení používané pro spojitý nebo analogový signál vzorkování v diskrétních časech.
Typy CCD
Existují různé CCD, jako jsou CCD násobící elektrony, zesílené CCD, CCD s přenosem snímků a CCD s pohřbeným kanálem. CCD lze jednoduše definovat jako Charge Transfer Device. Vynálezci CCD, Smith a Boyle také objevili CCD se značně obohaceným výkonem než obecný CCD s povrchovým kanálem a další CCD, který je známý jako CCD s pohřbeným kanálem a používá se hlavně pro praktické aplikace.
Princip fungování zařízení připojeného k nabíjení
K zachycení snímků pomocí CCD se používá křemíková epitaxní vrstva působící jako fotoaktivní oblast a oblast přenosu posuvného registru.
Prostřednictvím čočky se obraz promítá na fotoaktivní oblast skládající se z kondenzátorového pole. Elektrický náboj je tedy úměrný intenzita světla barvy pixelu obrazu v barevném spektru v tomto místě se akumuluje na každém kondenzátoru.
Pokud je obraz detekován tímto kondenzátorovým polem, pak je elektrický náboj nashromážděný v každém kondenzátoru přenesen na jeho sousední kondenzátor provedením jako posuvný registr řízen řídicím obvodem.
Fungování zařízení připojeného k nabíjení
Na výše uvedeném obrázku je z a, b a c znázorněn přenos paketů náboje podle napětí přivedeného na svorky brány. Nakonec se v poli elektrický náboj posledního kondenzátoru přenese do nabíjecího zesilovače, ve kterém se elektrický náboj přemění na napětí. Z nepřetržitého provozu těchto úkolů jsou tedy celé náboje kondenzátorového pole v polovodiči převedeny na posloupnost napětí.
Tato posloupnost napětí je vzorkována, digitalizována a poté uložena do paměti v případě digitálních zařízení, jako jsou digitální fotoaparáty. V případě analogových zařízení, jako jsou analogové videokamery, se tato posloupnost napětí přivádí do dolnoprůchodového filtru, aby se vytvořil kontinuální analogový signál, a poté se signál zpracovává pro přenos, záznam a pro jiné účely. Abychom pochopili princip zařízení s vazbou na náboj a zařízení s vazbou na náboj fungující do hloubky, je třeba pochopit především následující parametry.
Proces přenosu poplatku
Poplatkové pakety lze přesouvat z buňky do buňky pomocí mnoha schémat ve stylu Bucket Brigade. Existují různé techniky, jako jsou dvoufázové, třífázové, čtyřfázové atd. Každá buňka se skládá z n-vodičů, které jimi procházejí v n-fázovém schématu. Výška potenciálních jamek je řízena pomocí každého drátu připojeného k přenosu hodin. Nabíjecí pakety lze tlačit a táhnout podél čáry CCD změnou výšky potenciální jámy.
Proces přenosu poplatku
Vezměme si třífázový přenos náboje, na výše uvedeném obrázku jsou zobrazeny tři hodiny (C1, C2 a C3), které mají stejný tvar, ale jsou v různých fázích. Pokud brána B jde vysoko a brána A klesá, pak se náboj přesune z prostoru A do prostoru B.
Architektura CCD
Pixely lze přenášet přes paralelní vertikální registry nebo vertikální CCD (V-CCD) a paralelní horizontální registry nebo horizontální CCD (H-CCD). Poplatek nebo obrázek lze přenést pomocí různých architektur skenování, jako je načítání celého snímku, přenos snímků a přenos mezi řádky. Princip zařízení vázaného na náboj lze snadno pochopit pomocí následujících schémat přenosu:
1. Odečítání celého snímku
Celoobvodové čtení
Jedná se o nejjednodušší architekturu skenování, která vyžaduje uzávěr v řadě aplikací, aby se přerušil světelný vstup a zabránilo se rozmazání během průchodu nábojů přes paralelně-vertikální registry nebo vertikální CCD a paralelně-horizontální registry nebo horizontální CCD a poté přeneseny do sériový výstup.
2. Přenos snímků
Přenos snímků
Použitím procesu bucket brigade může být obraz přenesen z obrazového pole do neprůhledného paměťového pole rámce. Protože nepoužívá žádný sériový registr, je to rychlý proces ve srovnání s jinými procesy.
3. Přenos mezi řádky
Interline přenos
Každý pixel se skládá z fotodiody a neprůhledné buňky pro ukládání náboje. Jak je znázorněno na obrázku, obrazový náboj se nejprve přenáší z PD citlivého na světlo do neprůhledného V-CCD. Tento přenos, protože obraz je skrytý, v jednom přenosovém cyklu produkuje minimální rozmazání obrazu, a proto lze dosáhnout nejrychlejšího optického uzávěru.
MOS kondenzátor CCD
Každá buňka CCD má polovodič z oxidu kovu, i když se při výrobě CCD používají kondenzátory MOS s povrchovým i podzemním kanálem. CCD jsou ale často vyrobeno na substrátu typu P. a je vyroben pomocí kondenzátorů MOS s podzemním kanálem, na tomto povrchu se vytvoří tenká oblast typu N. Vrstva oxidu křemičitého se pěstuje jako izolátor na vrcholu N-regionu a brány se tvoří umístěním jedné nebo více elektrod na tuto izolační vrstvu.
CCD pixel
Volné elektrony se tvoří z fotoelektrického jevu, když fotony narazí na povrch křemíku, a díky vakuu bude současně generován kladný náboj nebo díra. Místo výběru obtížného procesu počítání tepelných výkyvů nebo tepla vytvořeného rekombinací díry a elektronu je výhodné sbírat a počítat elektrony za účelem vytvoření obrazu. Toho lze dosáhnout přitahováním elektronů generovaných dopadáním fotonů na povrch křemíku směrem k pozitivně předpjatým odlišným oblastem.
CCD pixel
Plnou kapacitu jamky lze definovat jako maximální počet elektronů, které může každý CCD pixel pojmout, a obvykle CCD pixel pojme 10ke až 500ke, ale záleží to na velikosti pixelu (čím větší je velikost, tím více elektronů může být akumulovány).
Chlazení CCD
Chlazení CCD
Obecně CCD pracují při nízké teplotě a tepelná energie může být použita k excitaci nevhodných elektronů na obrazové pixely, které nelze odlišit od fotoelektronů skutečného obrazu. Říká se tomu proces temného proudu, který generuje šum. Celkovou generaci temného proudu lze s určitými limity dvakrát snížit na každých 6 až 70 chlazení. CCD nepracují pod -1200 a celkový šum generovaný temným proudem lze odstranit jeho ochlazením kolem -1000, tepelnou izolací v evakuovaném prostředí. CCD jsou často chlazeny pomocí kapalného dusíku, termoelektrických chladičů a mechanických čerpadel.
Kvantová účinnost CCD
Rychlost generování fotoelektronů závisí na dopadajícím světle na povrch CCD. K přeměně fotonů na elektrický náboj přispívá mnoho faktorů a označuje se jako kvantová účinnost. U CCD je v lepším rozsahu 25% až 95% ve srovnání s jinou technikou detekce světla.
Kvantová účinnost předního osvětleného zařízení
Zařízení s předním osvětlením generuje signál poté, co světlo projde strukturou brány, zeslabením přicházejícího záření.
Kvantová účinnost zpětně osvětleného zařízení
Zpětně osvětlený nebo zeslabený CCD se skládá z přebytečného křemíku na spodní straně zařízení, který je potištěn způsobem, který neomezeně umožňuje generování fotoelektronů.
Tento článek tedy končí stručným popisem CCD a jeho principu fungování, který stručně zohledňuje různé parametry, jako jsou architektury skenování CCD, proces přenosu náboje, kondenzátor MOS CCD, pixel CCD, chlazení a kvantová účinnost CCD. Znáte typické aplikace, ve kterých se snímač CCD často používá? Níže prosím pošlete své komentáře, kde získáte podrobné informace o práci a aplikacích CCD.