Typer ladekoblede enheter med deres arbeidsprinsipper

Prøv Instrumentet Vårt For Å Eliminere Problemer





Forskerne Williard Boyle og George E. Smith fra AT&T Bell Labs, mens jobber med halvleder -bubble-memory designet en enhet, og betegnet den som ‘Charge Bubble Device’, som kan brukes som et skiftregister.

Ladekoblet enhet

Ladekoblet enhet



I henhold til enhetens grunnleggende natur har den muligheten til å overføre ladning fra en lagringskondensator til det neste, langs overflaten av halvlederen, og dette prinsippet ligner på Bucket-Brigade Device (BBD), som ble oppfunnet på 1960-tallet på Phillips Research Labs. Til slutt, fra alle slike eksperimentelle forskningsaktiviteter, ble Charge Coupled Device (CCD) oppfunnet i AT&T Bell Labs i 1969.


Ladekoblet enhet (CCD)

Ladekoblede enheter kan defineres på forskjellige måter i henhold til applikasjonen de brukes til eller basert på enhetens design.



Det er en enhet som brukes til bevegelse av elektrisk ladning i den for ladningsmanipulering, som gjøres ved å endre signalene gjennom trinn i enheten en om gangen.

Det kan behandles som CCD-sensor, som brukes i digitale og videokameraer for å ta bilder og spille inn videoer via fotoelektrisk effekt. Den brukes til å konvertere fanget lys til digitale data, som blir tatt opp av kameraet.

Det kan defineres som en lysfølsom integrert krets trykt på en silisiumoverflate for å danne lysfølsomme elementer som kalles piksler, og hver piksel blir omgjort til en elektrisk ladning.


Det betegnes som en diskret tidsenhet som brukes til kontinuerlig eller analogt signal prøvetaking til diskrete tider.

Typer CCD

Det er forskjellige CCD-er, for eksempel elektronmultiplerende CCD-er, intensivert CCD, rammeoverførings-CCD og begravd kanal-CCD. En CCD kan enkelt defineres som Charge Transfer Device. Oppfinnerne av CCD, Smith og Boyle oppdaget også en CCD med sterkt beriket ytelse enn en generell Surface Channel CCD og andre CCD-er, den er kjent som Buried channel CCD og brukes hovedsakelig til praktiske bruksområder.

Ladekoblet enhets arbeidsprinsipp

Epitaksiallaget av silisium som fungerer som et fotoaktivt område og et overføringsregister for skiftregister, brukes til å ta bilder med en CCD.

Gjennom linsen projiseres bildet på det fotoaktive området bestående av kondensatorarray. Dermed er den elektriske ladningen proporsjonal med lysintensitet av bildepikselfargen i fargespekteret på det stedet akkumuleres ved hver kondensator.

Hvis bildet blir oppdaget av denne kondensatoren, overføres den elektriske ladningen akkumulert i hver kondensator til nabokondensatoren ved å utføre som en skiftregister styres av kontrollkretsen.

Arbeid med ladekoblet enhet

Arbeid med ladekoblet enhet

I figuren ovenfor, fra a, b og c, er overføringen av ladepakker vist i henhold til spenningen påført portportene. Endelig overføres i matrisen den elektriske ladningen til den siste kondensatoren til ladningsforsterkeren der den elektriske ladningen blir omgjort til en spenning. Fra den kontinuerlige driften av disse oppgavene blir således hele ladninger av kondensatoroppsettet i halvlederen omgjort til en sekvens av spenninger.

Denne sekvensen av spenninger samples, digitaliseres og lagres deretter i minnet i tilfelle digitale enheter som digitale kameraer. Når det gjelder analoge enheter som analoge videokameraer, blir denne spenningssekvensen matet til et lavpasfilter for å produsere et kontinuerlig analogt signal, og signalet blir deretter behandlet for overføring, opptak og for andre formål. For å forstå ladningskoblet enhetsprinsipp og ladekoblet enhet som arbeider i dybden, må primært følgende parametere forstås.

Charge Transfer Process

Ladepakkene kan flyttes fra celle til celle ved å bruke mange ordninger i Bucket Brigade-stil. Det er forskjellige teknikker som tofase, trefase, firefase og så videre. Hver celle består av n-ledninger som passerer gjennom den i n-faseskjema. Høyden på de potensielle brønnene styres ved å bruke hver ledning som er koblet til overføringsklokken. Ladepakker kan skyves og trekkes langs linjen til CCD ved å variere høyden på den potensielle brønnen.

Charge Transfer Process

Charge Transfer Process

Tenk på en tre-fase ladningsoverføring, i figuren ovenfor vises de tre klokkene (C1, C2 og C3) som er identiske i form, men i forskjellige faser. Hvis gate B går høyt og gate A går lavt, vil ladningen bevege seg fra rom A til rom B.

Arkitektur av CCD

Pikslene kan overføres gjennom parallelle vertikale registre eller vertikale CCD (V-CCD) og parallelle horisontale registre eller horisontale CCD (H-CCD). Ladningen eller bildet kan overføres ved hjelp av forskjellige skannearkitekturer, slik som fullformatavlesning, rammeoverføring og overføring mellom linjer. Prinsippet om ladekoblet enhet kan være lett forståelig med følgende overføringsskjemaer:

1. Fullskjermavlesning

Fullrammeavlesning

Fullrammeavlesning

Det er den enkleste skannearkitekturen som krever en lukker i en rekke applikasjoner for å kutte lysinngangen og for å unngå smøring under passering av ladninger gjennom parallelle vertikale registre eller vertikale CCD og parallelle horisontale registre eller horisontale CCD og deretter overføres til utgang i serie.

2. Rammeoverføring

Rammeoverføring

Rammeoverføring

Ved å bruke skuffebrigadeprosessen kan bildet overføres fra bildearray til ugjennomsiktig rammelagringsmatrix. Siden det ikke bruker noe seriell register, er det en rask prosess sammenlignet med andre prosesser.

3. Interline overføring

Interline overføring

Interline overføring

Hver piksel består av en fotodiode og en ugjennomsiktig lagringscelle. Som vist i figuren blir bildeladningen først overført fra lysfølsom PD til den ugjennomsiktige V-CCD. Denne overføringen, når bildet er skjult, produserer i en overføringssyklus et minimum bildesmøre, og dermed kan den raskeste optiske lukkingen oppnås.

MOS kondensator av CCD

Hver CCD-celle har metalloksyd halvleder, selv om både overflatekanal og nedgravde MOS kondensatorer brukes til å produsere CCD. Men ofte er CCD-er produsert på et P-type underlag og produsert ved bruk av nedgravde MOS kondensatorer for dette dannes en tynn N-type region på overflaten. Et silisiumdioksydlag dyrkes som en isolator på toppen av N-regionen, og porter dannes ved å plassere en eller flere elektroder på dette isolerende laget.

CCD-piksel

Frie elektroner dannes av fotoelektrisk effekt når fotonene treffer silisiumoverflaten, og på grunn av vakuumet vil samtidig positiv ladning eller hullet bli generert. I stedet for å velge vanskelig prosess for å telle de termiske svingningene eller varmen som dannes ved rekombinering av hull og elektron, er det foretrukket å samle og telle elektroner for å produsere et bilde. Dette kan oppnås ved å tiltrekke seg elektroner generert ved å slå fotoner på silisiumoverflaten mot de positivt forutinntatte forskjellige områdene.

CCD-piksel

CCD-piksel

Full brønnkapasitet kan defineres som det maksimale antall elektroner som kan holdes av hver CCD-piksel, og vanligvis kan en CCD-piksel inneholde 10ke til 500ke, men det avhenger av størrelsen på pikselet (jo større størrelse flere elektroner kan akkumuleres).

CCD kjøling

CCD kjøling

CCD kjøling

Vanligvis fungerer CCD-er ved lav temperatur, og termisk energi kan brukes til spennende upassende elektroner til bildepiksler som ikke kan skilles fra de virkelige bildelektronene. Det kalles som en mørk strømprosess, som genererer støy. Den totale generasjonen av mørk strøm kan reduseres to ganger for hver 6 til 70 kjøling med visse grenser. CCD-ene fungerer ikke under -1200, og den totale støyen som genereres fra den mørke strømmen kan fjernes ved å avkjøle den rundt -1000, ved å isolere den termisk i et evakuert miljø. CCD-er kjøles ofte med flytende nitrogen, termoelektriske kjølere og mekaniske pumper.

Kvanteffektivitet av CCD

Hastigheten for generering av fotoelektroner avhenger av lyset som faller inn på overflaten av CCD. Omdannelsen av fotonene til elektrisk ladning er bidratt av mange faktorer og blir betegnet som kvanteffektivitet. Det er i det bedre området fra 25% til 95% for CCD-er sammenlignet med annen lysdeteksjonsteknikk.

Kvanteffektivitet av frontbelyst enhet

Kvanteffektivitet av frontbelyst enhet

Den frontbelyste enheten genererer et signal etter at lyset passerer gjennom portkonstruksjonen ved å dempe den innkommende strålingen.

Kvanteffektivitet av ryggbelyst enhet

Kvanteffektivitet av ryggbelyst enhet

Den bakbelyste eller bakfortynnede CCDen består av overflødig silisium på undersiden av enheten, som er trykt på en måte som ubegrenset tillater generering av fotoelektroner.

Denne artikkelen avsluttes dermed med en kort beskrivelse av CCD og dets arbeidsprinsipp med tanke på forskjellige parametere som CCD-skanningarkitekturer, ladeoverføringsprosess, MOS-kondensator for CCD, CCD-piksel, kjøling og kvanteeffektivitet av CCD i korte trekk. Kjenner du typiske applikasjoner der CCD-sensor brukes ofte? Vennligst legg inn kommentarene nedenfor for detaljert informasjon om bruk og bruk av CCD-er.