De wetenschappers Williard Boyle en George E. Smith van AT&T Bell Labs, terwijl werken aan halfgeleider -bubble-memory ontwierp een apparaat en noemde het ‘Charge Bubble Device’, dat kan worden gebruikt als een Shift Register.
Charge Gekoppeld apparaat
Volgens de fundamentele aard van het apparaat heeft het de mogelijkheid om lading over te dragen van een opslagcondensator naar de volgende, langs het oppervlak van de halfgeleider, en dit principe is vergelijkbaar met het Bucket-Brigade Device (BBD), dat in de jaren zestig werd uitgevonden bij Phillips Research Labs. Uiteindelijk, uit al dergelijke experimentele onderzoeksactiviteiten, werd het Charge Coupled Device (CCD) in 1969 uitgevonden in AT&T Bell Labs.
Charge Coupled Device (CCD)
Charge Coupled Devices kunnen op verschillende manieren worden gedefinieerd, afhankelijk van de toepassing waarvoor ze worden gebruikt of op basis van het ontwerp van het apparaat.
Het is een apparaat dat wordt gebruikt voor de beweging van elektrische lading erin voor de ladingsmanipulatie, wat wordt gedaan door de signalen één voor één door stadia in het apparaat te veranderen.
Het kan worden behandeld als CCD-sensor, die wordt gebruikt in de digitale camera's en videocamera's voor het maken van afbeeldingen en het opnemen van video's via foto-elektrisch effect. Het wordt gebruikt om het opgevangen licht om te zetten in digitale gegevens die door de camera worden opgenomen.
Het kan worden gedefinieerd als een lichtgevoelige geïntegreerde schakeling gedrukt op een siliciumoppervlak om lichtgevoelige elementen te vormen die pixels worden genoemd, en elke pixel wordt omgezet in een elektrische lading.
Het wordt een apparaat met discrete tijd genoemd dat wordt gebruikt voor continu of analoog signaal bemonstering op discrete tijdstippen.
Soorten CCD
Er zijn verschillende CCD's zoals elektronenvermenigvuldigende CCD's, geïntensiveerde CCD, frame-transfer CCD en begraven-channel CCD. Een CCD kan eenvoudig worden gedefinieerd als Charge Transfer Device. De uitvinders van de CCD, Smith en Boyle, ontdekten ook een CCD met sterk verbeterde prestaties dan een algemene Surface Channel CCD en andere CCD's, deze staat bekend als Buried channel CCD en wordt voornamelijk gebruikt voor praktische toepassingen.
Werkingsprincipe van Charge Coupled Device
De epitaxiale siliciumlaag die fungeert als een fotoactief gebied en een schuifregister-transmissiegebied worden gebruikt voor het vastleggen van beelden met een CCD.
Door de lens wordt het beeld geprojecteerd op het fotoactieve gebied dat bestaat uit een condensatorreeks. Zo is de elektrische lading evenredig met de licht intensiteit van de beeldpixelkleur in het kleurenspectrum op die locatie wordt bij elke condensator verzameld.
Als het beeld wordt gedetecteerd door deze condensatorreeks, wordt de elektrische lading die in elke condensator is verzameld, overgedragen naar de aangrenzende condensator door als een schuifregister gecontroleerd door het stuurcircuit.
Werking van ladingsgekoppeld apparaat
In de bovenstaande figuur, van a, b en c, wordt de overdracht van ladingspakketten weergegeven volgens de spanning die op de poortaansluitingen wordt toegepast. Eindelijk wordt in de array de elektrische lading van de laatste condensator overgebracht naar de ladingsversterker waarin de elektrische lading wordt omgezet in een spanning. Door de continue werking van deze taken worden dus volledige ladingen van de condensatorreeks in de halfgeleider omgezet in een opeenvolging van spanningen.
Deze reeks spanningen wordt bemonsterd, gedigitaliseerd en vervolgens in het geheugen opgeslagen in het geval van digitale apparaten zoals digitale camera's. In het geval van analoge apparaten zoals analoge videocamera's, wordt deze reeks spanningen naar een laagdoorlaatfilter gevoerd om een continu analoog signaal te produceren, en vervolgens wordt het signaal verwerkt voor verzending, opname en voor andere doeleinden. Om het principe van ladingsgekoppelde apparaten en het ladingsgekoppelde apparaat diepgaand te begrijpen, moeten de volgende parameters worden begrepen.
Kostenoverdrachtproces
De ladingspakketten kunnen van cel naar cel worden verplaatst door veel schema's in Bucket Brigade-stijl te gebruiken. Er zijn verschillende technieken, zoals twee fasen, drie fasen, vier fasen, enzovoort. Elke cel bestaat uit n-draden die er in een n-faseschema doorheen gaan. De hoogte van de potentiële putten wordt geregeld door elke draad te gebruiken die is verbonden met de overdrachtsklok. Laadpakketten kunnen langs de lijn van de CCD worden geduwd en getrokken door de hoogte van de potentiaalput te variëren.
Kostenoverdrachtproces
Beschouw een driefasige ladingsoverdracht, in de bovenstaande afbeelding worden de drie klokken (C1, C2 en C3) getoond die identiek van vorm zijn maar in verschillende fasen. Als poort B hoog gaat en poort A laag, dan zal de lading van ruimte A naar ruimte B gaan.
Architectuur van CCD
De pixels kunnen worden overgedragen via de parallelle verticale registers of verticale CCD (V-CCD) en parallelle horizontale registers of horizontale CCD (H-CCD). De lading of afbeelding kan worden overgedragen met behulp van verschillende scanarchitecturen, zoals volledige uitlezing, frame-overdracht en interline-overdracht. Het principe van ladingsgekoppelde apparaten kan gemakkelijk worden begrepen met de volgende overdrachtsschema's:
1. Volledige schermuitlezing
Volledige frame uitlezing
Het is de eenvoudigste scanarchitectuur die in een aantal toepassingen een sluiter vereist om de lichtinvoer af te snijden en om uitsmeren te voorkomen tijdens de doorgang van ladingen door parallel-verticale registers of verticale CCD en parallel-horizontale registers of horizontale CCD en vervolgens overgebracht naar output in serie.
2. Frame-overdracht
Frame-overdracht
Door het emmerbrigadeproces te gebruiken, kan het beeld worden overgebracht van een beeldreeks naar een ondoorzichtige frameopslagarray. Omdat het geen serieel register gebruikt, is het een snel proces in vergelijking met andere processen.
3. Interline-overdracht
Interline-overdracht
Elke pixel bestaat uit een fotodiode en een ondoorzichtige opslagcel voor lading. Zoals weergegeven in de afbeelding, wordt de beeldlading eerst overgedragen van de lichtgevoelige PD naar de ondoorzichtige V-CCD. Deze overdracht, aangezien het beeld verborgen is, produceert in één overdrachtcyclus een minimale beeldvlek en dus kan de snelste optische sluiter worden bereikt.
MOS Condensator van CCD
Elke CCD-cel heeft een metaaloxidehalfgeleider, ook al worden MOS-condensatoren van zowel oppervlaktekanalen als begraven kanalen gebruikt bij de productie van de CCD. Maar vaak zijn CCD's dat wel gefabriceerd op een P-type substraat en vervaardigd door gebruik te maken van MOS-condensatoren met ingegraven kanalen, wordt hiervoor een dun N-type gebied gevormd op zijn oppervlak. Bovenop het N-gebied wordt een siliciumdioxydelaag als isolator aangegroeid en door op deze isolatielaag een of meer elektroden te plaatsen worden poorten gevormd.
CCD-pixel
Vrije elektronen worden gevormd door een foto-elektrisch effect wanneer de fotonen het siliciumoppervlak raken, en vanwege het vacuüm zal tegelijkertijd een positieve lading of het gat worden gegenereerd. In plaats van een moeilijk proces te kiezen voor het tellen van de thermische fluctuaties of warmte die wordt gevormd door het opnieuw combineren van gat en elektron, heeft het de voorkeur om elektronen te verzamelen en te tellen om een beeld te produceren. Dit kan worden bereikt door elektronen aan te trekken die worden gegenereerd door opvallende fotonen op het siliciumoppervlak naar de positief voorgespannen afzonderlijke gebieden.
CCD-pixel
De volledige capaciteit van de put kan worden gedefinieerd als het maximale aantal elektronen dat door elke CCD-pixel kan worden vastgehouden en, typisch, kan een CCD-pixel 10ke tot 500ke bevatten, maar het hangt af van de grootte van de pixel (hoe groter de grootte, hoe meer elektronen kunnen worden verzameld).
CCD-koeling
CCD-koeling
Over het algemeen werken CCD's bij lage temperatuur, en thermische energie kan worden gebruikt om ongepaste elektronen te exciteren tot beeldpixels die niet kunnen worden onderscheiden van de foto-elektronen in het echte beeld. Het wordt een donkerstroomproces genoemd, dat ruis genereert. De totale donkerstroomgeneratie kan met bepaalde limieten met twee keer worden verminderd voor elke 6 tot 70 koeling. De CCD's werken niet onder -1200 en de totale ruis die wordt gegenereerd door de donkerstroom kan worden verwijderd door deze te koelen rond -1000, door deze thermisch te isoleren in een geëvacueerde omgeving. CCD's worden vaak gekoeld met behulp van vloeibare stikstof, thermo-elektrische koelers en mechanische pompen.
Kwantumefficiëntie van CCD
De snelheid waarmee foto-elektronen worden gegenereerd, hangt af van het licht dat op het oppervlak van de CCD valt. De omzetting van de fotonen in elektrische lading wordt bijgedragen door vele factoren en wordt Quantum Efficiency genoemd. Het ligt in het betere bereik van 25% tot 95% voor CCD's in vergelijking met andere lichtdetectietechnieken.
Kwantumefficiëntie van aan de voorzijde verlicht apparaat
Het aan de voorzijde verlichte apparaat genereert een signaal nadat het licht door de poortconstructie is gegaan door de binnenkomende straling te verzwakken.
Kwantumefficiëntie van apparaat met achtergrondverlichting
De van achteren verlichte of van achteren verdunde CCD bestaat uit overtollig silicium aan de onderzijde van het apparaat, dat zodanig is bedrukt dat het genereren van foto-elektronen onbeperkt mogelijk maakt.
Dit artikel eindigt dus met de korte beschrijving van CCD en het werkingsprincipe ervan rekening houdend met verschillende parameters, zoals CCD-scanarchitecturen, ladingsoverdrachtproces, MOS-condensator van CCD, CCD-pixel, koeling en kwantumefficiëntie van CCD in het kort. Kent u typische toepassingen waarin de CCD-sensor vaak wordt gebruikt? Plaats hieronder uw opmerkingen voor gedetailleerde informatie over de werking en toepassingen van CCD's.
