Tutkijat Williard Boyle ja George E.Smith AT&T Bell Labsista työskentelee puolijohteiden parissa -kuplamuisti suunnitteli laitteen ja kutsui sitä nimellä 'Lataa kuplalaite', jota voidaan käyttää siirtorekisterinä.
Varauskytketty laite
Laitteen perustavanlaatuisen luonteen mukaan sillä on kyky siirtää varausta yksi varastokondensaattori seuraavaan, puolijohteen pintaa pitkin, ja tämä periaate on samanlainen kuin Bucket-Brigade Device (BBD), joka keksittiin 1960-luvulla Phillips Research Labsissa. Lopulta kaikista tällaisista kokeellisista tutkimustoiminnoista Charge Coupled Device (CCD) keksittiin AT&T Bell Labsissa vuonna 1969.
Lataa kytketty laite (CCD)
Latauskytketyt laitteet voidaan määritellä eri tavoin sovelluksen mukaan, johon niitä käytetään, tai laitteen suunnittelun perusteella.
Se on laite, jota käytetään sähkövarauksen liikkumiseen sen sisällä latauskäsittelyä varten, joka tapahtuu muuttamalla signaaleja laitteen vaiheiden läpi yksi kerrallaan.
Sitä voidaan käsitellä CCD-anturina, jota käytetään digitaaliset ja videokamerat kuvien ottamiseen ja videoiden kuvaamiseen valosähköisen tehosteen avulla. Sitä käytetään kaapatun valon muuntamiseen digitaaliseksi dataksi, jonka kamera tallentaa.
Se voidaan määritellä a valoherkkä integroitu piiri painettu piipinnalle muodostamaan valolle herkkiä elementtejä, joita kutsutaan pikseleiksi, ja jokainen pikseli muutetaan sähkövaraukseksi.
Sitä kutsutaan erilliseksi ajaksi käytettäväksi laitteeksi jatkuva tai analoginen signaali näytteenotto erillisinä aikoina.
CCD-tyypit
On olemassa erilaisia CCD: itä, kuten elektroneja kertovat CCD: t, tehostettu CCD, kehyksensiirto CCD ja haudatun kanavan CCD. CCD voidaan määritellä yksinkertaisesti latauksen siirtolaitteeksi. CCD: n keksijät, Smith ja Boyle, löysivät myös CCD: n, jolla on huomattavasti rikastettu suorituskyky kuin yleinen pintakanavan CCD ja muut CCD: t, se tunnetaan nimellä Buried channel CCD ja sitä käytetään pääasiassa käytännön sovelluksiin.
Lataa kytketyn laitteen toimintaperiaate
Fotoaktiivisena alueena toimivaa piiepitaxiaalikerrosta ja siirtorekisterin lähetysaluetta käytetään kuvien sieppaamiseen CCD: tä käyttäen.
Linssin läpi kuva heijastetaan valokuvan aktiiviselle alueelle, joka koostuu kondensaattoriryhmästä. Siten sähkövaraus verrannollinen valon voimakkuus kussakin kondensaattorissa kerääntyy kuvapikselin värin värispektri kyseisessä paikassa.
Jos tämä kondensaattoriryhmä havaitsee kuvan, kuhunkin kondensaattoriin kertynyt sähkövaraus siirretään naapurikondensaattoriin suorittamalla vuororekisteri ohjataan ohjauspiirillä.
Latauskytketyn laitteen toiminta
Yllä olevassa kuvassa kohdista a, b ja c maksupakettien siirto on esitetty portin liittimiin syötetyn jännitteen mukaan. Viimeinkin joukossa viimeisen kondensaattorin sähkövaraus siirretään varausvahvistimeen, jossa sähkövaraus muunnetaan jännitteeksi. Siten näiden tehtävien jatkuvasta toiminnasta puolijohteessa olevat kondensaattoriryhmän kokonaiset varaukset muunnetaan jännitesarjaksi.
Tämä jännitesarja näytteistetään, digitoidaan ja tallennetaan sitten muistiin digitaalisten laitteiden, kuten digitaalikameroiden, tapauksessa. Analogisten laitteiden, kuten analogisten videokameroiden, tapauksessa tämä jännitesarja syötetään alipäästösuodattimeen jatkuvan analogisen signaalin tuottamiseksi, ja sitten signaali käsitellään lähetystä, tallennusta ja muita tarkoituksia varten. Latauskytkentäisen laitteen periaatteen ja perusteellisesti toimivan latauskytkentäisen laitteen ymmärtämiseksi on ensisijaisesti ymmärrettävä seuraavat parametrit.
Latauksen siirtoprosessi
Latauspaketteja voidaan siirtää solusta soluun käyttämällä monia malleja Bucket Brigade -tyyliin. On olemassa erilaisia tekniikoita, kuten kaksivaiheinen, kolmivaiheinen, nelivaiheinen ja niin edelleen. Jokainen kenno koostuu n-johtimista, jotka kulkevat sen läpi n-vaihekaaviona. Potentiaalikaivojen korkeutta hallitaan käyttämällä kutakin siirtokelloon kytkettyä johtoa. Latauspaketteja voidaan työntää ja vetää pitkin CCD: n linjaa muuttamalla potentiaalikaivon korkeutta.
Latauksen siirtoprosessi
Tarkastellaan kolmivaiheista varauksensiirtoa, yllä olevassa kuvassa esitetään kolme kelloa (C1, C2 ja C3), jotka ovat muodoltaan samanlaisia, mutta eri vaiheissa. Jos portti B menee korkealle ja portti A menee matalalle, varaus siirtyy avaruudesta A avaruuteen B.
CCD: n arkkitehtuuri
Pikselit voidaan siirtää yhdensuuntaisten pystysuuntaisten rekistereiden tai pystysuoran CCD: n (V-CCD) ja yhdensuuntaisten vaakasuorien rekistereiden tai vaakasuoran CCD: n (H-CCD) kautta. Lataus tai kuva voidaan siirtää käyttämällä erilaisia skannausarkkitehtuureja, kuten täysikokoinen lukema, kehyssiirto ja välilinjansiirto. Latauskytkentäisen laitteen periaate voi olla helposti ymmärrettävissä seuraavilla siirtomalleilla:
1. Koko ruudun lukema
Koko ruudun lukema
Se on yksinkertaisin skannausarkkitehtuuri, joka vaatii sulkimen useissa sovelluksissa katkaisemaan valosyötön ja välttämään tahrautumista, kun lataukset kulkevat rinnakkain pystysuuntaisten rekisterien tai pystysuuntaisten CCD: n ja yhdensuuntaisten vaakasuorien rekisterien tai vaaka-CCD: n kautta ja siirretään sitten lähtö sarjana.
2. Kehyksen siirto
Kehyksen siirto
Käyttämällä ämpäriprikaatin prosessia kuva voidaan siirtää kuvaryhmästä läpinäkymättömään kehystallennusryhmään. Koska se ei käytä sarjarekisteriä, se on nopea prosessi muihin prosesseihin verrattuna.
3. Interline-siirto
Interline Transfer
Jokainen pikseli koostuu fotodiodista ja läpinäkymättömästä varauksen varastokennosta. Kuten kuvassa on esitetty, kuvan varaus siirretään ensin valoherkästä PD: stä läpinäkymättömään V-CCD: hen. Tämä siirto, koska kuva on piilotettu, yhdessä siirtojaksossa tuottaa pienimmän kuvan tahran, joten nopein optinen suljin voidaan saavuttaa.
CCD: n MOS-kondensaattori
Jokaisessa CCD-kennossa on metallioksidipuolijohde, vaikka CCD: n valmistuksessa käytetään sekä pintakanavan että hautautuneen MOS-kondensaattoreita. Mutta usein CCD: t ovat valmistettu P-tyyppiselle alustalle ja valmistetaan käyttämällä hautautuneita MOS-kondensaattoreita tälle pinnalle muodostetaan ohut N-tyypin alue. Piidioksidikerros kasvatetaan eristeenä N-alueen päälle ja portit muodostetaan asettamalla yksi tai useampi elektrodi tälle eristekerrokselle.
CCD-pikseli
Vapaat elektronit muodostuvat valosähköisestä vaikutuksesta, kun fotonit osuvat piipintaan, ja tyhjiön takia syntyy samanaikaisesti positiivinen varaus tai reikä. Sen sijaan, että valitsisimme vaikean prosessin reiän ja elektronin yhdistämisen muodostamien lämpövaihtelujen tai lämmön laskemiseksi, on edullista kerätä ja laskea elektroneja kuvan tuottamiseksi. Tämä voidaan saavuttaa houkuttelemalla elektronit, jotka syntyvät lyömällä fotoneja piipinnalle kohti positiivisesti puolueellisia erillisiä alueita.
CCD-pikseli
Koko kuopan kapasiteetti voidaan määritellä elektronien enimmäismääräksi, joka kullakin CCD-pikselillä voi olla, ja tyypillisesti CCD-pikseliin mahtuu 10 - 500 ke, mutta se riippuu pikselin koosta (mitä suurempi koko enemmän elektroneja voi olla kertynyt).
CCD-jäähdytys
CCD-jäähdytys
Yleensä CCD: t toimivat alhaisessa lämpötilassa, ja lämpöenergiaa voidaan käyttää jännittävien sopimattomien elektronien tuottamiseen kuvapikseleiksi, joita ei voida erottaa todellisen kuvan fotoelektroneista. Sitä kutsutaan tummaksi nykyiseksi prosessiksi, joka tuottaa melua. Pimeän virran kokonaistuotantoa voidaan vähentää kahdesti jokaista 6-70 jäähdytystä kohden tietyin rajoin. CCD: t eivät toimi alle -1200 ja pimeästä virrasta syntyvä kokonaismelu voidaan poistaa jäähdyttämällä se noin -1000: een eristämällä se lämpöeristetyssä tilassa. CCD: t jäähdytetään usein käyttämällä nestemäistä typpeä, lämpösähköjäähdyttimiä ja mekaanisia pumppuja.
CCD: n kvanttitehokkuus
Fotoelektronien syntymisnopeus riippuu CCD: n pinnalla tapahtuvasta valosta. Fotonien muuntuminen sähkövaraukseen vaikuttavat monet tekijät, ja sitä kutsutaan kvanttitehokkuudeksi. Se on paremmalla 25–95%: n alueella CCD: iden kanssa verrattuna muihin valonilmaistekniikoihin.
Etuvalaistun laitteen kvanttitehokkuus
Edessä valaistu laite tuottaa signaalin sen jälkeen, kun valo kulkee porttirakenteen läpi vaimentamalla tulevaa säteilyä.
Taustavalaistun laitteen kvanttitehokkuus
Taustavalaistu tai ohennettu CCD koostuu laitteen alapuolella olevasta ylimääräisestä piistä, joka on painettu tavalla, joka sallii rajoittamattomasti fotoelektronien tuottamisen.
Tämä artikkeli päättyy siis lyhyt kuvaus CCD: stä ja sen toimintaperiaatteesta ottaen huomioon erilaiset parametrit, kuten CCD-skannausarkkitehtuurit, varauksen siirtoprosessi, CCD: n MOS-kondensaattori, CCD-pikseli, jäähdytys ja CCD: n kvanttitehokkuus lyhyesti. Tiedätkö tyypillisiä sovelluksia, joissa CCD-anturia käytetään usein? Lähetä alla olevat kommenttisi saadaksesi yksityiskohtaista tietoa CCD: n toiminnasta ja sovelluksista.
