Mga uri ng Mga Charge-Couples na Device kasama ang kanilang Mga Nagtatrabaho na Prinsipyo

Subukan Ang Aming Instrumento Para Sa Pagtanggal Ng Mga Problema





Ang mga siyentista na sina Williard Boyle at George E. Smith mula sa AT&T Bell Labs, habang nagtatrabaho sa semiconductor -disenyo ang -bubble-memory ng isang aparato, at tinawag itong 'Charge Bubble Device', na maaaring magamit bilang isang Shift Rehistro.

I-charge ang Coupled Device

I-charge ang Coupled Device



Ayon sa pangunahing katangian ng aparato, mayroon itong kakayahang ilipat ang singil mula sa isang imbakan ng kapasitor sa susunod, kasama ang ibabaw ng semiconductor, at ang prinsipyong ito ay katulad ng Bucket-Brigade Device (BBD), na naimbento noong 1960 noong Phillips Research Labs. Sa paglaon, mula sa lahat ng tulad ng mga pang-eksperimentong aktibidad sa pagsasaliksik, ang Charge Coupled Device (CCD) ay naimbento sa AT&T Bell Labs noong 1969.


Pagsingil ng Coupled Device (CCD)

Ang Charge Coupled Devices ay maaaring tukuyin sa iba't ibang paraan ayon sa application kung saan ginagamit ang mga ito o batay sa disenyo ng aparato.



Ito ay isang aparato na ginagamit para sa paggalaw ng elektrikal na singil sa loob nito para sa pagmamanipula ng pagsingil, na ginagawa sa pamamagitan ng pagbabago ng mga signal sa pamamagitan ng mga yugto sa loob ng aparato nang paisa-isa.

Maaari itong gamutin bilang sensor ng CCD, na ginagamit sa digital at video camera para sa pagkuha ng mga imahe at pagrekord ng mga video sa pamamagitan ng photoelectric effect. Ginagamit ito para sa pag-convert ng nakunan ng ilaw sa digital data, na naitala ng camera.

Maaari itong tukuyin bilang a light-sensitive integrated circuit naka-imprinta sa isang ibabaw ng silikon upang makabuo ng mga elemento na may sensitibong ilaw na tinatawag na mga pixel, at ang bawat pixel ay ginawang isang singil na elektrikal.


Ito ay tinatawag na isang discrete-time na aparato na ginamit para sa tuluy-tuloy o analog signal sampling sa discrete beses.

Mga uri ng CCD

Mayroong iba't ibang mga CCD tulad ng electron na nagpaparami ng mga CCD, pinaigting na CCD, frame-transfer na CCD at inilibing-channel na CCD. Ang isang CCD ay maaaring madaling tukuyin bilang Charge Transfer Device. Ang mga imbentor ng CCD, Smith at Boyle ay natuklasan din ang isang CCD na may lubos na napayaman na pagganap kaysa sa isang pangkalahatang Surface Channel CCD at iba pang mga CCD na ito ay kilala bilang Buried channel CCD at pangunahing ginagamit para sa mga praktikal na aplikasyon.

Sisingilin ang Prinsipyo sa Paggawa ng Coupled Device

Ang layer ng silicon epitaxial na kumikilos bilang isang rehiyon ng photoactive at isang rehiyon ng shift-register-transmission na ginagamit para sa pagkuha ng mga imahe gamit ang isang CCD.

Sa pamamagitan ng imahe ng lens ay inaasahan sa aktibong rehiyon ng larawan na binubuo ng array ng capacitor. Sa gayon, proporsyonal ang singil ng kuryente sa gaanong tindi ng kulay ng pixel ng imahe sa spectrum ng kulay sa lokasyon na iyon ay naipon sa bawat kapasitor.

Kung ang imahe ay napansin ng array ng capacitor na ito, kung gayon ang elektrikal na singil na naipon sa bawat kapasitor ay inililipat sa kapitbahay na kapasitor nito sa pamamagitan ng pagganap bilang isang magparehistro kinokontrol ng control circuit.

Paggawa ng Charge Couples Device

Paggawa ng Charge Couples Device

Sa figure sa itaas, mula sa a, b at c, ang paglipat ng mga packet ng singil ay ipinapakita ayon sa boltahe na inilapat sa mga terminal ng gate. Sa wakas, sa pag-aayos ng kuryente ng huling kapasitor ay inililipat sa amplifier ng singil kung saan ang singil ng kuryente ay ginawang isang boltahe. Kaya, mula sa tuluy-tuloy na pagpapatakbo ng mga gawaing ito, ang buong singil ng array ng capacitor sa semiconductor ay na-convert sa isang pagkakasunud-sunod ng mga voltages.

Ang pagkakasunud-sunod ng mga voltages na ito ay na-sample, na-digitize at pagkatapos ay nakaimbak sa memorya ng kaso ng mga digital na aparato tulad ng mga digital camera. Sa kaso ng mga analog na aparato tulad ng mga analog video camera, ang pagkakasunud-sunod ng mga voltages na ito ay pinakain sa isang low-pass filter upang makagawa ng isang tuluy-tuloy na analog signal, at pagkatapos ay iproseso ang signal para sa paghahatid, pagrekord at para sa iba pang mga layunin. Upang maunawaan ang singil na isinama ang prinsipyo ng aparato at singilin ang kasamang aparato na gumagana nang malalim, pangunahin ang mga sumusunod na parameter ay kailangang maunawaan.

Pagsingil sa Proseso ng Paglipat

Ang mga packet ng singil ay maaaring ilipat mula sa cell papunta sa cell sa pamamagitan ng paggamit ng maraming mga scheme sa istilo ng Bucket Brigade. Mayroong iba't ibang mga diskarte tulad ng dalawang yugto, tatlong yugto, apat na yugto, at iba pa. Ang bawat cell ay binubuo ng mga n-wire na dumadaan dito sa n-phase scheme. Ang taas ng mga potensyal na balon ay kinokontrol ng paggamit ng bawat kawad na konektado upang ilipat ang orasan. Ang mga packet ng singil ay maaaring itulak at hilahin kasama ang linya ng CCD sa pamamagitan ng pag-iiba ng taas ng potensyal na rin.

Pagsingil sa Proseso ng Paglipat

Pagsingil sa Proseso ng Paglipat

Isaalang-alang ang isang three-phase charge transfer, sa nasa itaas na pigura, ang tatlong mga orasan (C1, C2 at C3) na magkapareho ang hugis ngunit sa iba't ibang mga phase ay ipinapakita. Kung ang gate B ay mataas at ang gate A ay bumababa, pagkatapos ang singil ay lilipat mula sa puwang A hanggang sa puwang B.

Arkitektura ng CCD

Ang mga pixel ay maaaring mailipat sa pamamagitan ng mga parallel na patala na rehistro o patayong CCD (V-CCD) at parallel na mga pahalang na rehistro o pahalang na CCD (H-CCD). Maaaring ilipat ang singil o imahe gamit ang iba't ibang mga arkitektura ng pag-scan tulad ng buong pagbabasa ng frame, paglipat ng frame at paglipat ng interline. Ang prinsipyo ng kaakibat na pagsama ng singil ay madaling maunawaan sa mga sumusunod na iskema ng paglipat:

1. Full-Frame Readout

Buong Frame Readout

Buong Frame Readout

Ito ay ang pinakasimpleng arkitektura ng pag-scan na nangangailangan ng isang shutter sa isang bilang ng mga application upang putulin ang ilaw na input at upang maiwasan ang pagpapahid sa panahon ng pagdaan ng mga singil sa pamamagitan ng mga parallel-vertical rehistro o patayong CCD at parallel-horizontal registro o pahalang na CCD at pagkatapos ay ilipat sa output sa serial.

2. Paglipat ng Frame

Paglipat ng Frame

Paglipat ng Frame

Sa pamamagitan ng paggamit ng proseso ng bucket brigade ang imahe ay maaaring mailipat mula sa array ng imahe sa array ng imbakan ng opaque frame. Dahil hindi ito gumagamit ng anumang serial register, ito ay isang mabilis na proseso kumpara sa iba pang mga proseso.

3. Paglipat ng interline

Paglipat ng Interline

Paglipat ng Interline

Ang bawat pixel ay binubuo ng isang photodiode at opaque charge storage cell. Tulad ng ipinakita sa pigura, ang pagsingil ng imahe ay unang inilipat mula sa light sensitibong PD sa opaque V-CCD. Ang paglilipat na ito, dahil ang imahe ay nakatago, sa isang siklo ng paglipat ay gumagawa ng isang minimum na pahid ng imahe mula rito, maaaring makamit ang pinakamabilis na pag-shutter ng optika.

MOS Capacitor ng CCD

Ang bawat cell ng CCD ay mayroong metal oxide semiconductor, kahit na ang parehong ibabaw na channel at inilibing na mga capacitor ng MOS ng channel ay ginagamit sa pagmamanupaktura ng CCD. Ngunit madalas na ang mga CCD gawa-gawa sa isang uri ng substrate na P at panindang sa pamamagitan ng paggamit ng inilibing na mga capacitor ng MOS channel para dito isang manipis na rehiyon na uri ng N ang nabuo sa ibabaw nito. Ang isang layer ng silicon dioxide ay lumago bilang isang insulator sa tuktok ng rehiyon ng N, at ang mga pintuan ay nabuo sa pamamagitan ng paglalagay ng isa o higit pang mga electrode sa insulate layer na ito.

CCD Pixel

Ang mga libreng electron ay nabuo mula sa photoelectric effect kapag ang mga photon ay pumutok sa ibabaw ng silikon, at dahil sa vacuum, sabay-sabay, mabubuo ang positibong singil o ang butas. Sa halip na pumili ng mahirap na proseso ng pagbibilang ng mga pagbabagu-bago ng init o init na nabuo ng muling pagsasama-sama ng butas at electron, mas ginustong kolektahin at bilangin ang mga electron upang makabuo ng isang imahe. Maaari itong makamit sa pamamagitan ng pag-akit ng mga electron na nabuo sa pamamagitan ng kapansin-pansin na mga photon sa ibabaw ng silikon patungo sa positibong kampi na natatanging mga lugar.

CCD Pixel

CCD Pixel

Ang buong kapasidad ng balon ay maaaring tukuyin bilang ang maximum na bilang ng mga electron na maaaring hawakan ng bawat pixel ng CCD at, kadalasan, ang isang pixel ng CCD ay maaaring humawak ng 10ke hanggang 500ke, ngunit depende ito sa laki ng pixel (mas malaki ang sukat na maraming mga electron ay maaaring naipon).

Paglamig ng CCD

Paglamig ng CCD

Paglamig ng CCD

Sa pangkalahatan ang mga CCD ay gumagana sa mababang temperatura, at ang thermal enerhiya ay maaaring magamit para sa kapanapanabik na hindi naaangkop na mga electron sa mga pixel ng imahe na hindi maaaring makilala mula sa mga real-image photoelectron. Tinatawag ito bilang isang madilim na kasalukuyang proseso, na bumubuo ng ingay. Ang kabuuang madilim na kasalukuyang henerasyon ay maaaring mabawasan ng dalawang beses para sa bawat 6 hanggang 70 ng paglamig na may ilang mga limitasyon. Ang mga CCD ay hindi gumagana sa ibaba -1200 at ang kabuuang ingay na nabuo mula sa madilim na kasalukuyang maaaring alisin sa pamamagitan ng paglamig ito sa paligid ng -1000, sa pamamagitan ng thermally isolating ito sa isang lumikas na kapaligiran. Ang mga CCD ay madalas na pinalamig sa pamamagitan ng paggamit ng likidong nitrogen, mga thermo-electric cooler at mga mechanical pump.

Kahusayan sa Quantum ng CCD

Ang rate ng pagbuo ng mga photoelectron ay nakasalalay sa magaan na insidente sa ibabaw ng CCD. Ang pag-convert ng mga photon sa singil sa kuryente ay naiambag ng maraming mga kadahilanan at tinatawag na Quantum Efficiency. Nasa mas mahusay na hanay na 25% hanggang 95% para sa mga CCD kumpara sa iba pang pamamaraan ng light-detection.

Kahusayan ng Dami ng Front na Nailawan ng Device

Kahusayan ng Dami ng Front na Nailawan ng Device

Ang aparatong nailawan sa harap ay bumubuo ng isang senyas matapos ang ilaw ay dumaan sa istraktura ng gate sa pamamagitan ng pagpapalambing sa papasok na radiation.

Kahusayan sa Dami ng Bumalik na Nailawan na Device

Kahusayan sa Dami ng Bumalik na Nailawan na Device

Ang back-illuminado o back-thinned na CCD ay binubuo ng labis na silikon sa ilalim ng aparato, na naitatak sa isang paraan na hindi hadlang pinapayagan ang pagbuo ng mga photoelectron.

Sa gayon ang artikulong ito ay nagtapos sa maikling paglalarawan ng CCD at sa prinsipyo ng pagtatrabaho na isinasaalang-alang ang iba't ibang mga parameter tulad ng mga pag-scan ng arkitektura ng CCD, proseso ng paglilipat ng singil, MOS kapasitor ng CCD, pixel ng CCD, paglamig at kabuuan ng kahusayan ng CCD sa maikling salita. Alam mo ba ang mga tipikal na aplikasyon kung saan ginagamit ang sensor ng CCD? Mangyaring i-post ang iyong mga puna sa ibaba para sa detalyadong impormasyon tungkol sa pagtatrabaho at mga aplikasyon ng mga CCD.