Gli scienziati Williard Boyle e George E. Smith degli AT&T Bell Labs, mentre lavorando su semiconduttori -bubble-memory ha progettato un dispositivo e lo ha definito 'Charge Bubble Device', che può essere utilizzato come registro a scorrimento.
Dispositivi ad accoppiamento di carica CCD
Secondo la natura fondamentale del dispositivo, ha la capacità di trasferire la carica da un condensatore di accumulo al successivo, lungo la superficie del semiconduttore, e questo principio è simile al Bucket-Brigade Device (BBD), inventato negli anni '60 presso i Phillips Research Labs. Alla fine, da tutte queste attività di ricerca sperimentale, il Charge Coupled Device (CCD) è stato inventato negli AT&T Bell Labs nel 1969.
Dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD)
I Charge Coupled Devices possono essere definiti in diversi modi a seconda dell'applicazione per la quale vengono utilizzati o in base al design del dispositivo.
È un dispositivo utilizzato per il movimento della carica elettrica al suo interno per la manipolazione della carica, che viene eseguita modificando i segnali attraverso gli stadi all'interno del dispositivo uno alla volta.
Può essere trattato come sensore CCD, che viene utilizzato in fotocamere digitali e video per acquisire immagini e registrare video tramite effetto fotoelettrico. Viene utilizzato per convertire la luce catturata in dati digitali, che vengono registrati dalla fotocamera.
Può essere definito come un file circuito integrato fotosensibile impresso su una superficie di silicio per formare elementi fotosensibili chiamati pixel, e ogni pixel viene convertito in una carica elettrica.
È definito come un dispositivo a tempo discreto utilizzato per segnale continuo o analogico campionamento a tempi discreti.
Tipi di CCD
Esistono diversi CCD come CCD a moltiplicazione di elettroni, CCD intensificato, CCD a trasferimento di frame e CCD a canale sepolto. Un CCD può essere semplicemente definito come Charge Transfer Device. Gli inventori del CCD, Smith e Boyle hanno anche scoperto un CCD con prestazioni notevolmente migliorate rispetto a un CCD a canale superficiale generale e ad altri CCD, è noto come CCD a canale sepolto ed è principalmente utilizzato per applicazioni pratiche.
Principio di funzionamento del dispositivo ad accoppiamento di carica
Lo strato epitassiale di silicio che funge da regione fotoattiva e una regione di trasmissione del registro a scorrimento vengono utilizzati per acquisire immagini utilizzando un CCD.
Attraverso la lente l'immagine viene proiettata sulla regione fotoattiva costituita da un array di condensatori. Quindi, la carica elettrica proporzionale al intensità luminosa del colore del pixel dell'immagine nello spettro dei colori in quella posizione viene accumulato su ciascun condensatore.
Se l'immagine viene rilevata da questo array di condensatori, la carica elettrica accumulata in ciascun condensatore viene trasferita al condensatore vicino eseguendo come registro a scorrimento controllato dal circuito di controllo.
Funzionamento del dispositivo ad accoppiamento di carica
Nella figura sopra, da a, bec, è mostrato il trasferimento di pacchetti di carica in funzione della tensione applicata ai terminali di gate. Infine, nella matrice la carica elettrica dell'ultimo condensatore viene trasferita nell'amplificatore di carica in cui la carica elettrica viene convertita in una tensione. Pertanto, dal funzionamento continuo di questi compiti, intere cariche della matrice di condensatori nel semiconduttore vengono convertite in una sequenza di tensioni.
Questa sequenza di tensioni viene campionata, digitalizzata e quindi archiviata in memoria nel caso di dispositivi digitali come le fotocamere digitali. Nel caso di dispositivi analogici come videocamere analogiche, questa sequenza di tensioni viene inviata a un filtro passa-basso per produrre un segnale analogico continuo, quindi il segnale viene elaborato per la trasmissione, la registrazione e per altri scopi. Per comprendere il principio del dispositivo ad accoppiamento di carica e il funzionamento del dispositivo ad accoppiamento di carica in profondità, è necessario comprendere principalmente i seguenti parametri.
Processo di trasferimento dell'addebito
I pacchetti di carica possono essere spostati da una cella all'altra utilizzando molti schemi in stile Bucket Brigade. Esistono varie tecniche come due fasi, tre fasi, quattro fasi e così via. Ogni cella è costituita da n fili che la attraversano in uno schema a n fasi. L'altezza dei potenziali pozzetti è controllata utilizzando ciascun filo collegato all'orologio di trasferimento. I pacchetti di carica possono essere spinti e tirati lungo la linea del CCD variando l'altezza del pozzetto potenziale.
Processo di trasferimento dell'addebito
Si consideri un trasferimento di carica trifase, nella figura sopra, vengono mostrati i tre orologi (C1, C2 e C3) che sono di forma identica ma in fasi differenti. Se la porta B si alza e la porta A si abbassa, la carica si sposterà dallo spazio A allo spazio B.
Architettura del CCD
I pixel possono essere trasferiti attraverso i registri verticali paralleli o CCD verticali (V-CCD) e registri orizzontali paralleli o CCD orizzontali (H-CCD). La carica o l'immagine possono essere trasferite utilizzando diverse architetture di scansione come lettura full frame, trasferimento frame e trasferimento interlinea. Il principio del dispositivo ad accoppiamento di carica può essere facilmente comprensibile con i seguenti schemi di trasferimento:
1. Lettura a pieno formato
Lettura full frame
È l'architettura di scansione più semplice che richiede un otturatore in una serie di applicazioni per tagliare l'ingresso di luce ed evitare sbavature durante il passaggio delle cariche attraverso registri paralleli-verticali o CCD verticali e registri paralleli-orizzontali o CCD orizzontali e quindi trasferite a uscita in seriale.
2. Trasferimento frame
Trasferimento frame
Utilizzando il processo bucket brigade, l'immagine può essere trasferita dall'array di immagini all'array di archiviazione dei frame opachi. Poiché non utilizza alcun registro seriale, è un processo veloce rispetto ad altri processi.
3. Trasferimento interlinea
Trasferimento interlinea
Ogni pixel è costituito da un fotodiodo e da una cella di stoccaggio della carica opaca. Come mostrato nella figura, la carica dell'immagine viene prima trasferita dal PD sensibile alla luce al V-CCD opaco. Questo trasferimento, poiché l'immagine è nascosta, in un ciclo di trasferimento produce una minima sbavatura dell'immagine, quindi è possibile ottenere l'otturatore ottico più veloce.
Condensatore MOS del CCD
Ogni cella CCD ha un semiconduttore in ossido di metallo, anche se per la produzione del CCD vengono utilizzati condensatori MOS sia a canale superficiale che a canale sepolto. Ma spesso i CCD lo sono fabbricato su un substrato di tipo P. e prodotto utilizzando condensatori MOS a canale sepolto per questo, sulla sua superficie viene formata una sottile regione di tipo N. Uno strato di biossido di silicio viene coltivato come isolante sulla parte superiore della regione N e le porte vengono formate posizionando uno o più elettrodi su questo strato isolante.
Pixel CCD
Gli elettroni liberi si formano dall'effetto fotoelettrico quando i fotoni colpiscono la superficie del silicio e, a causa del vuoto, simultaneamente, verrà generata una carica positiva o il buco. Invece di scegliere un processo difficile di conteggio delle fluttuazioni termiche o del calore formato dalla ricombinazione del foro e dell'elettrone, si preferisce raccogliere e contare gli elettroni per produrre un'immagine. Ciò può essere ottenuto attirando gli elettroni generati colpendo i fotoni sulla superficie del silicio verso le aree distinte polarizzate positivamente.
Pixel CCD
La piena capacità del pozzetto può essere definita come il numero massimo di elettroni che può essere trattenuto da ciascun pixel CCD e, tipicamente, un pixel CCD può contenere da 10ke a 500ke, ma dipende dalla dimensione del pixel (maggiore è la dimensione più elettroni possono essere accumulato).
Raffreddamento CCD
Raffreddamento CCD
Generalmente i CCD funzionano a bassa temperatura e l'energia termica può essere utilizzata per eccitare elettroni inappropriati in pixel dell'immagine che non possono essere differenziati dai fotoelettroni dell'immagine reale. Si chiama processo di corrente oscura, che genera rumore. La generazione di corrente di buio totale può essere ridotta di due volte per ogni 6 a 70 di raffreddamento con determinati limiti. I CCD non funzionano al di sotto di -1200 e il rumore totale generato dalla corrente oscura può essere rimosso raffreddandolo intorno a -1000, isolandolo termicamente in un ambiente evacuato. I CCD vengono spesso raffreddati utilizzando azoto liquido, refrigeratori termoelettrici e pompe meccaniche.
Efficienza quantistica del CCD
La velocità di generazione dei fotoelettroni dipende dalla luce incidente sulla superficie del CCD. La conversione dei fotoni in carica elettrica è fornita da molti fattori ed è definita efficienza quantistica. È nell'intervallo migliore dal 25% al 95% per i CCD rispetto ad altre tecniche di rilevamento della luce.
Efficienza quantistica del dispositivo illuminato anteriore
Il dispositivo di illuminazione frontale genera un segnale dopo il passaggio della luce attraverso la struttura del cancello attenuando la radiazione in ingresso.
Efficienza quantistica del dispositivo retroilluminato
Il CCD retroilluminato o assottigliato è costituito da un eccesso di silicio sul lato inferiore del dispositivo, che è stampato in modo tale da consentire la generazione di fotoelettroni senza limitazioni.
Questo articolo si conclude quindi con la breve descrizione del CCD e del suo principio di funzionamento considerando diversi parametri come architetture di scansione CCD, processo di trasferimento di carica, condensatore MOS del CCD, pixel CCD, raffreddamento ed efficienza quantistica del CCD in breve. Conosci applicazioni tipiche in cui il sensore CCD viene utilizzato frequentemente? Invia i tuoi commenti di seguito per informazioni dettagliate sul funzionamento e le applicazioni dei CCD.
