Typer af ladekoblede enheder med deres arbejdsprincipper

Typer af ladekoblede enheder med deres arbejdsprincipper

Forskerne Williard Boyle og George E. Smith fra AT&T Bell Labs, mens arbejder på halvleder -bubble-hukommelse designet en enhed og kaldte den som 'Charge Bubble Device', som kan bruges som et skiftregister.



Opladet koblet enhed

Opladet koblet enhed

I henhold til enhedens grundlæggende natur har den evnen til at overføre opladning fra en lagerkondensator til det næste langs overfladen af ​​halvlederen, og dette princip svarer til Bucket-Brigade Device (BBD), som blev opfundet i 1960'erne på Phillips Research Labs. Til sidst fra alle sådanne eksperimentelle forskningsaktiviteter blev Charge Coupled Device (CCD) opfundet i AT&T Bell Labs i 1969.




Opladekoblet enhed (CCD)

Ladekoblede enheder kan defineres på forskellige måder i henhold til den applikation, som de bruges til eller baseret på enhedens design.

Det er en enhed, der bruges til bevægelse af elektrisk ladning inden i den til ladningsmanipulation, hvilket gøres ved at ændre signalerne gennem trin i enheden en ad gangen.



Det kan behandles som CCD-sensor, som bruges i digitale kameraer og videokameraer til at tage billeder og optage videoer via fotoelektrisk effekt. Det bruges til at konvertere det fangede lys til digitale data, som optages af kameraet.

Det kan defineres som en lysfølsomt integreret kredsløb præget på en siliciumoverflade for at danne lysfølsomme elementer kaldet pixels, og hver pixel omdannes til en elektrisk ladning.


Det betegnes som en diskret tidsenhed, der bruges til kontinuerligt eller analogt signal prøveudtagning på diskrete tidspunkter.

Typer af CCD

Der er forskellige CCD'er, såsom elektronmultiplikerende CCD'er, intensiveret CCD, frame-transfer CCD og begravet kanal CCD. En CCD kan simpelthen defineres som Charge Transfer Device. Opfinderne af CCD, Smith og Boyle opdagede også en CCD med stærkt beriget ydeevne end en generel Surface Channel CCD og andre CCD'er, den er kendt som Buried channel CCD og bruges hovedsageligt til praktiske anvendelser.

Charge Coupled Device's Working Princip

Epitaksielaget af silicium, der fungerer som et fotoaktivt område og et skiftregister-transmissionsregion, bruges til at tage billeder ved hjælp af en CCD.

Gennem linsen projiceres billedet på det fotoaktive område bestående af kondensatorarray. Den elektriske ladning er således proportional med lysintensitet af billedpixelfarven i farvespektret på det sted akkumuleres ved hver kondensator.

Hvis billedet opdages af dette kondensatorarray, overføres den elektriske ladning, der er akkumuleret i hver kondensator, til sin nabokondensator ved at udføre som en skiftregister styret af kontrolkredsløbet.

Arbejde med ladekoblet enhed

Arbejde med ladekoblet enhed

I ovenstående figur, fra a, b og c, vises overførslen af ​​ladepakker i henhold til den spænding, der påføres gate-terminalerne. Endelig overføres i arrayet den elektriske ladning af den sidste kondensator til ladningsforstærkeren, hvor den elektriske ladning omdannes til en spænding. Fra den kontinuerlige drift af disse opgaver omdannes således hele ladninger af kondensatorarrayet i halvlederen til en spændingssekvens.

Denne sekvens af spændinger samples, digitaliseres og gemmes derefter i hukommelsen i tilfælde af digitale enheder såsom digitale kameraer. I tilfælde af analoge enheder såsom analoge videokameraer tilføres denne sekvens af spændinger til et lavpasfilter for at producere et kontinuerligt analogt signal, og derefter behandles signalet til transmission, optagelse og til andre formål. For at forstå princippet om ladekoblet enhed og ladekoblet enhed, der arbejder i dybden, skal primært følgende parametre forstås.

Opladningsoverførselsproces

Opladningspakkerne kan flyttes fra celle til celle ved hjælp af mange ordninger i Bucket Brigade-stil. Der er forskellige teknikker såsom tofase, trefase, fire fase osv. Hver celle består af n-ledninger, der passerer gennem den i n-faseskema. Højden af ​​de potentielle brønde styres ved hjælp af hver ledning, der er forbundet til overførselsuret. Ladepakker kan skubbes og trækkes langs CCD-linjen ved at variere højden af ​​den potentielle brønd.

Opladningsoverførselsproces

Opladningsoverførselsproces

Overvej en trefaset ladningsoverførsel, i ovenstående figur vises de tre ure (C1, C2 og C3), som er identiske i form, men i forskellige faser. Hvis gate B går højt og gate A går lavt, flytter opladningen fra plads A til plads B.

Arkitektur af CCD

Pixlerne kan overføres gennem de parallelle lodrette registre eller lodrette CCD (V-CCD) og parallelle vandrette registre eller vandrette CCD (H-CCD). Opladningen eller billedet kan overføres ved hjælp af forskellige scanningsarkitekturer, såsom fuld billedaflæsning, billedoverførsel og interlineoverførsel. Princippet om opladningskoblet enhed kan let forstås med følgende overførselsordninger:

1. Fuldrammelæsning

Aflæsning i fuld ramme

Aflæsning i fuld ramme

Det er den enkleste scanningsarkitektur, der kræver en lukker i en række applikationer for at afskære lysindgangen og undgå udtværing under passage af ladninger gennem parallel-lodrette registre eller lodrette CCD og parallel-vandrette registre eller vandret CCD og derefter overføres til output i serie.

2. Rammeoverførsel

Rammeoverførsel

Rammeoverførsel

Ved hjælp af skovbrigadeprocessen kan billedet overføres fra billedarray til uigennemsigtig rammelagringsarray. Da det ikke bruger noget serielt register, er det en hurtig proces sammenlignet med andre processer.

3. Interline overførsel

Interline overførsel

Interline overførsel

Hver pixel består af en fotodiode og uigennemsigtig opbevaringscelle. Som vist i figuren overføres billedladningen først fra lysfølsom PD til den uigennemsigtige V-CCD. Denne overførsel, da billedet er skjult, producerer i en overførselscyklus et minimum billedudstrygning, hvorfor den hurtigste optiske skodder kan opnås.

MOS kondensator af CCD

Hver CCD-celle har metaloxid halvleder, selvom både overfladekanal og nedgravede MOS kondensatorer bruges til fremstilling af CCD. Men ofte er CCD'er det fremstillet på et P-type substrat og fremstillet ved hjælp af nedgravede kanal MOS kondensatorer til dette dannes en tynd N-type region på dens overflade. Et siliciumdioxidlag dyrkes som en isolator på toppen af ​​N-regionen, og porte dannes ved at placere en eller flere elektroder på dette isolerende lag.

CCD-pixel

Gratis elektroner dannes af fotoelektrisk effekt, når fotoner rammer siliciumoverfladen, og på grund af vakuumet genereres samtidig positiv ladning eller hullet. I stedet for at vælge en vanskelig proces med at tælle de termiske udsving eller den varme, der dannes ved rekombinationen af ​​hul og elektron, foretrækkes det at samle og tælle elektroner for at producere et billede. Dette kan opnås ved at tiltrække elektroner genereret ved at slå fotoner på siliciumoverfladen mod de positivt forspændte forskellige områder.

CCD-pixel

CCD-pixel

Fuld brøndkapacitet kan defineres som det maksimale antal elektroner, der kan holdes af hver CCD-pixel, og typisk kan en CCD-pixel indeholde 10ke til 500ke, men det afhænger af pixelstørrelsen (jo større størrelse flere elektroner kan akkumuleres).

CCD køling

CCD køling

CCD køling

Generelt fungerer CCD'er ved lav temperatur, og termisk energi kan bruges til spændende upassende elektroner til billedpixels, som ikke kan skelnes fra de virkelige billedelektroner. Det kaldes som en mørk strømproces, der genererer støj. Den samlede generation af mørk strøm kan reduceres med to gange for hver 6 til 70 afkøling med visse grænser. CCD'erne fungerer ikke under -1200, og den samlede støj genereret fra den mørke strøm kan fjernes ved at afkøle den omkring -1000 ved termisk isolering af den i et evakueret miljø. CCD'er afkøles ofte ved hjælp af flydende nitrogen, termoelektriske kølere og mekaniske pumper.

Kvanteffektivitet af CCD

Generationshastigheden for fotoelektroner afhænger af lyset, der falder ind på CCD-overfladen. Omdannelsen af ​​fotoner til elektrisk ladning bidrager af mange faktorer og betegnes som kvanteffektivitet. Det er i det bedre interval på 25% til 95% for CCD'er sammenlignet med anden lysdetekteringsteknik.

Kvanteffektivitet af frontbelyst enhed

Kvanteffektivitet af frontbelyst enhed

Den frontbelyste enhed genererer et signal, når lyset passerer gennem portkonstruktionen ved at dæmpe den indkommende stråling.

Kvanteffektivitet af rygbelyst enhed

Kvanteffektivitet af rygbelyst enhed

Den bagbelyste eller bagudtynnede CCD består af overskydende silicium på undersiden af ​​enheden, der er præget på en måde, der ubegrænset tillader generering af fotoelektroner.

Denne artikel afsluttes således med den korte beskrivelse af CCD og dens funktionsprincip, der tager forskellige parametre i betragtning, såsom CCD-scanningsarkitekturer, opladningsoverførselsproces, MOS-kondensator for CCD, CCD-pixel, afkøling og kortvarig effektivitet af CCD. Kender du typiske applikationer, hvor CCD-sensor bruges ofte? Send dine kommentarer nedenfor for detaljeret information om bearbejdning og anvendelse af CCD'er.