Forskarna Williard Boyle och George E. Smith från AT&T Bell Labs, medan arbetar med halvledare -bubble-memory designade en enhet och kallade den som 'Charge Bubble Device', som kan användas som ett skiftregister.
Laddad kopplad enhet
Enligt enhetens grundläggande natur har den förmågan att överföra laddning från en lagringskondensator till nästa, längs ytan på halvledaren, och denna princip liknar Bucket-Brigade Device (BBD), som uppfanns på 1960-talet på Phillips Research Labs. Så småningom, från alla sådana experimentella forskningsaktiviteter, uppfanns Charge Coupled Device (CCD) i AT&T Bell Labs 1969.
Laddkopplad enhet (CCD)
Laddkopplade enheter kan definieras på olika sätt enligt applikationen för vilken de används eller baserat på enhetens design.
Det är en anordning som används för rörelse av elektrisk laddning inom den för laddningsmanipulationen, vilket görs genom att ändra signalerna genom steg i enheten en i taget.
Det kan behandlas som CCD-sensor, som används i digital- och videokameror för att ta bilder och spela in videor genom fotoelektrisk effekt. Den används för att konvertera det fångade ljuset till digital data, som spelas in av kameran.
Det kan definieras som en ljuskänslig integrerad krets präglad på en kiselyta för att bilda ljuskänsliga element som kallas pixlar och varje pixel omvandlas till en elektrisk laddning.
Det benämns som en diskret tidsanordning som används för kontinuerlig eller analog signal provtagning vid diskreta tider.
Typer av CCD
Det finns olika CCD: er, såsom elektronmultiplerande CCD: er, intensifierad CCD, ramöverförings-CCD och begravd kanal-CCD. En CCD kan enkelt definieras som Charge Transfer Device. Uppfinnarna av CCD, Smith och Boyle upptäckte också en CCD med starkt anrikad prestanda än en allmän Surface Channel CCD och andra CCD: er, den kallas Buried channel CCD och används huvudsakligen för praktiska tillämpningar.
Charge Coupled Device's Working Princip
Det kiselepitaxiella skiktet som fungerar som ett fotoaktivt område och ett skiftregister-överföringsregion används för att ta bilder med hjälp av en CCD.
Genom linsbilden projiceras på det fotoaktiva området som består av kondensatoruppsättning. Således är den elektriska laddningen proportionell mot ljusintensitet av bildpixelfärgen i färgspektrumet på den platsen ackumuleras vid varje kondensator.
Om bilden upptäcks av denna kondensatoruppsättning överförs den elektriska laddningen som ackumuleras i varje kondensator till sin grannkondensator genom att fungera som en skift register styrs av styrkretsen.
Arbetning av laddad kopplad enhet
I figuren ovan, från a, b och c, visas överföringen av laddningspaket enligt den spänning som appliceras på grindterminalerna. Äntligen överförs i matrisen den elektriska laddningen för den sista kondensatorn till laddningsförstärkaren där den elektriska laddningen omvandlas till en spänning. Från den kontinuerliga driften av dessa uppgifter omvandlas sålunda hela laddningar av kondensatoruppsättningen i halvledaren till en spänningssekvens.
Denna sekvens av spänningar samplas, digitaliseras och lagras sedan i minnet vid digitala enheter som digitalkameror. När det gäller analoga enheter såsom analoga videokameror matas denna sekvens av spänningar till ett lågpassfilter för att producera en kontinuerlig analog signal och sedan bearbetas signalen för överföring, inspelning och för andra ändamål. För att förstå laddningskopplad anordningsprincip och laddningskopplad anordning som arbetar på djupet måste primärt följande parametrar förstås.
Laddningsöverföringsprocess
Avgiftspaketen kan flyttas från cell till cell genom att använda många scheman i Bucket Brigade-stil. Det finns olika tekniker som tvåfas, trefas, fyrfas och så vidare. Varje cell består av n-ledningar som passerar genom den i n-fasschema. Höjden på de potentiella brunnarna styrs med hjälp av varje tråd som är ansluten till överföringsklockan. Laddningspaket kan skjutas och dras längs linjen för CCD genom att variera höjden på den potentiella brunnen.
Laddningsöverföringsprocess
Tänk på en trefas laddningsöverföring, i figuren ovan visas de tre klockorna (C1, C2 och C3) som är identiska i form men i olika faser. Om grind B går högt och grind A går låg, flyttas laddningen från utrymme A till utrymme B.
Arkitektur av CCD
Pixlarna kan överföras genom parallella vertikala register eller vertikal CCD (V-CCD) och parallella horisontella register eller horisontella CCD (H-CCD). Avgiften eller bilden kan överföras med hjälp av olika skanningsarkitekturer, såsom helbildsavläsning, bildöverföring och interlinjeöverföring. Principen för laddningskopplad enhet kan lätt förstås med följande överföringsscheman:
1. Fullbildsavläsning
Helbildsavläsning
Det är den enklaste skanningsarkitekturen som kräver en slutare i ett antal applikationer för att stänga av ljusingången och för att undvika utsmetning under laddningspassage genom parallell vertikala register eller vertikala CCD och parallella horisontella register eller horisontella CCD och sedan överföras till utdata i serie.
2. Ramöverföring
Ramöverföring
Genom att använda skopbrigadeprocessen kan bilden överföras från bilduppsättning till opak ramlagringsuppsättning. Eftersom den inte använder något serieregister är det en snabb process jämfört med andra processer.
3. Interlineöverföring
Interlineöverföring
Varje pixel består av en fotodiod och en ogenomskinlig laddningscell. Som visas i figuren överförs bildladdningen först från ljuskänslig PD till den ogenomskinliga V-CCD. Denna överföring, eftersom bilden är dold, ger i en överföringscykel ett minimalt bildutstryk, varför den snabbaste optiska slutaren kan uppnås.
MOS kondensator för CCD
Varje CCD-cell har metalloxid halvledare, även om både MOS-kondensatorer för ytkanaler och nedgrävda kanaler används vid tillverkning av CCD. Men ofta är CCD: er tillverkad på ett substrat av P-typ och tillverkas med användning av nedgrävda MOS-kondensatorer för detta bildas en tunn N-typregion på dess yta. Ett kiseldioxidskikt odlas som en isolator på toppen av N-regionen, och grindar bildas genom att placera en eller flera elektroder på detta isolerande skikt.
CCD-pixel
Fria elektroner bildas av fotoelektrisk effekt när fotonerna slår mot kiselytan och på grund av vakuumet genereras samtidigt en positiv laddning eller hålet. Istället för att välja en svår process för att räkna de termiska fluktuationerna eller värmen som bildas genom rekombinationen av hål och elektron föredras det att samla och räkna elektroner för att producera en bild. Detta kan uppnås genom att attrahera elektroner som genereras genom att slå fotoner på kiselytan mot de positivt partiska distinkta områdena.
CCD-pixel
Full brunnskapacitet kan definieras som det maximala antalet elektroner som kan hållas av varje CCD-pixel och vanligtvis kan en CCD-pixel rymma 10ke till 500ke, men det beror på pixelns storlek (ju större storlek fler elektroner kan ackumuleras).
CCD-kylning
CCD-kylning
Generellt fungerar CCD-enheter vid låg temperatur, och termisk energi kan användas för spännande olämpliga elektroner till bildpixlar som inte kan särskiljas från de verkliga bildelektronerna. Det kallas som en mörk strömprocess, som genererar brus. Den totala mörka strömgenerationen kan minskas med två gånger för varje 6 till 70 kylning med vissa gränser. CCD-enheterna fungerar inte under -1200 och det totala bruset som genereras från den mörka strömmen kan avlägsnas genom att kyla det runt -1000 genom att isolera det termiskt i en evakuerad miljö. CCD: n kyls ofta med flytande kväve, termoelektriska kylare och mekaniska pumpar.
Kvanteffektivitet av CCD
Graden av bildning av fotoelektroner beror på ljuset som inträffar på CCD-ytan. Omvandlingen av fotonerna till elektrisk laddning bidrar av många faktorer och kallas kvanteffektivitet. Det ligger i det bättre intervallet 25% till 95% för CCD-enheter jämfört med annan ljusdetekteringsteknik.
Kvanteffektivitet av främre belysta anordningen
Den frambelysta anordningen genererar en signal efter att ljuset passerar genom grindstrukturen genom att dämpa den inkommande strålningen.
Kvanteffektivitet för ryggbelyst enhet
Den bakgrundsbelysta eller bakförtunnade CCD-enheten består av överflödigt kisel på enhetens undersida, som är inpräglat på ett sätt som utan begränsning tillåter generering av fotoelektroner.
Denna artikel avslutas således med en kort beskrivning av CCD och dess arbetsprincip med beaktande av olika parametrar, såsom CCD-skanningsarkitekturer, laddningsöverföringsprocess, MOS-kondensator för CCD, CCD-pixel, kylning och kvantitet av CCD i korthet. Känner du till typiska applikationer där CCD-sensorn används ofta? Vänligen skicka dina kommentarer nedan för detaljerad information om bearbetning och tillämpning av CCD.
