Arten von ladungsgekoppelten Geräten mit ihren Funktionsprinzipien

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Die Wissenschaftler Williard Boyle und George E. Smith von AT & T Bell Labs, während Arbeiten an Halbleitern -bubble-memory hat ein Gerät entworfen und es als 'Charge Bubble Device' bezeichnet, das als Schieberegister verwendet werden kann.

Ladegekoppeltes Gerät

Ladegekoppeltes Gerät



Entsprechend der fundamentalen Natur des Geräts hat es die Fähigkeit, Ladung von zu übertragen ein Speicherkondensator bis zum nächsten, entlang der Oberfläche des Halbleiters, und dieses Prinzip ähnelt dem Bucket-Brigade-Gerät (BBD), das in den 1960er Jahren bei Phillips Research Labs erfunden wurde. Aus all diesen experimentellen Forschungsaktivitäten wurde schließlich das Charge Coupled Device (CCD) 1969 in den AT & T Bell Labs erfunden.


Ladegekoppeltes Gerät (CCD)

Ladungsgekoppelte Geräte können je nach Anwendung, für die sie verwendet werden, oder basierend auf dem Design des Geräts auf unterschiedliche Weise definiert werden.



Es ist ein Gerät, das für die Bewegung der darin enthaltenen elektrischen Ladung zur Ladungsmanipulation verwendet wird, indem die Signale nacheinander durch Stufen innerhalb des Geräts geändert werden.

Es kann als CCD-Sensor behandelt werden, der in der Digital- und Videokameras zum Aufnehmen von Bildern und Videos durch fotoelektrischen Effekt. Es dient zur Umwandlung des aufgenommenen Lichts in digitale Daten, die von der Kamera aufgezeichnet werden.

Es kann definiert werden als lichtempfindliche integrierte Schaltung Auf eine Siliziumoberfläche aufgedruckt, um lichtempfindliche Elemente zu bilden, die als Pixel bezeichnet werden, und jedes Pixel wird in eine elektrische Ladung umgewandelt.


Es wird als zeitdiskretes Gerät bezeichnet, für das verwendet wird kontinuierliches oder analoges Signal Probenahme zu diskreten Zeiten.

Arten von CCD

Es gibt verschiedene CCDs wie Elektronenmultiplikations-CCDs, verstärkte CCDs, Frame-Transfer-CCDs und Buried-Channel-CCDs. Ein CCD kann einfach als Ladungsübertragungsgerät definiert werden. Die Erfinder des CCD, Smith und Boyle entdeckten auch ein CCD mit einer stark verbesserten Leistung als ein allgemeines Oberflächenkanal-CCD und andere CCDs, das als Buried-Channel-CCD bekannt ist und hauptsächlich für praktische Anwendungen verwendet wird.

Funktionsprinzip des ladungsgekoppelten Geräts

Die Silizium-Epitaxieschicht, die als photoaktiver Bereich und als Schieberegister-Übertragungsbereich fungiert, wird zum Erfassen von Bildern unter Verwendung eines CCD verwendet.

Durch die Linse wird das Bild auf den photoaktiven Bereich projiziert, der aus einer Kondensatoranordnung besteht. Somit ist die elektrische Ladung proportional zu der Lichtintensität der Bildpixelfarbe im Farbspektrum an dieser Stelle wird an jedem Kondensator akkumuliert.

Wenn das Bild von diesem Kondensatorarray erfasst wird, wird die in jedem Kondensator akkumulierte elektrische Ladung durch Ausführen als a auf seinen Nachbarkondensator übertragen Schieberegister vom Steuerkreis gesteuert.

Funktion des ladungsgekoppelten Geräts

Funktion des ladungsgekoppelten Geräts

In der obigen Figur ist von a, b und c die Übertragung von Ladungspaketen gemäß der an die Gate-Anschlüsse angelegten Spannung gezeigt. Schließlich wird in der Anordnung die elektrische Ladung des letzten Kondensators in den Ladungsverstärker übertragen, in dem die elektrische Ladung in eine Spannung umgewandelt wird. Somit werden aus dem kontinuierlichen Betrieb dieser Aufgaben ganze Ladungen des Kondensatorarrays im Halbleiter in eine Folge von Spannungen umgewandelt.

Diese Spannungsfolge wird abgetastet, digitalisiert und dann bei digitalen Geräten wie Digitalkameras gespeichert. Bei analogen Geräten wie analogen Videokameras wird diese Spannungsfolge einem Tiefpassfilter zugeführt, um ein kontinuierliches analoges Signal zu erzeugen, und dann wird das Signal zur Übertragung, Aufzeichnung und für andere Zwecke verarbeitet. Um das Prinzip der ladungsgekoppelten Vorrichtung und die ladungsgekoppelte Vorrichtung zu verstehen, die in der Tiefe arbeiten, müssen hauptsächlich die folgenden Parameter verstanden werden.

Gebührenübertragungsprozess

Die Ladungspakete können mithilfe vieler Schemata im Bucket Brigade-Stil von Zelle zu Zelle verschoben werden. Es gibt verschiedene Techniken wie Zweiphasen-, Dreiphasen-, Vierphasen- und so weiter. Jede Zelle besteht aus n Drähten, die im n-Phasen-Schema durch sie verlaufen. Die Höhe der Potentialtöpfe wird unter Verwendung jedes Drahtes gesteuert, der mit dem Übertragungstakt verbunden ist. Ladepakete können durch Variieren der Höhe des Potentialtopfs entlang der Linie des CCD geschoben und gezogen werden.

Gebührenübertragungsprozess

Gebührenübertragungsprozess

Betrachten Sie einen dreiphasigen Ladungstransfer. In der obigen Abbildung sind die drei Takte (C1, C2 und C3) dargestellt, die in ihrer Form identisch sind, jedoch unterschiedliche Phasen aufweisen. Wenn Gate B hoch und Gate A niedrig geht, bewegt sich die Ladung von Raum A nach Raum B.

Architektur von CCD

Die Pixel können durch die parallelen vertikalen Register oder vertikalen CCD (V-CCD) und parallelen horizontalen Register oder horizontalen CCD (H-CCD) übertragen werden. Die Ladung oder das Bild kann unter Verwendung verschiedener Scan-Architekturen wie Vollbildauslesung, Bildübertragung und Interline-Übertragung übertragen werden. Das Prinzip der ladungsgekoppelten Vorrichtung kann mit den folgenden Übertragungsschemata leicht verständlich sein:

1. Vollbildanzeige

Vollbildanzeige

Vollbildanzeige

Es ist die einfachste Abtastarchitektur, die in einer Reihe von Anwendungen einen Verschluss erfordert, um den Lichteingang abzuschalten und ein Verschmieren während des Durchgangs von Ladungen durch parallel-vertikale Register oder vertikale CCD- und parallel-horizontale Register oder horizontale CCD zu vermeiden und dann auf zu übertragen Ausgabe in serieller Form.

2. Rahmenübertragung

Rahmenübertragung

Rahmenübertragung

Mithilfe des Bucket-Brigade-Prozesses kann das Bild vom Bildarray zum undurchsichtigen Rahmenspeicherarray übertragen werden. Da kein serielles Register verwendet wird, ist es im Vergleich zu anderen Prozessen ein schneller Prozess.

3. Interline-Übertragung

Interline-Übertragung

Interline-Übertragung

Jedes Pixel besteht aus einer Fotodiode und einer undurchsichtigen Ladungsspeicherzelle. Wie in der Figur gezeigt, wird die Bildladung zuerst von der lichtempfindlichen PD auf die undurchsichtige V-CCD übertragen. Diese Übertragung erzeugt, da das Bild verborgen ist, in einem Übertragungszyklus einen minimalen Bildabstrich, so dass die schnellste optische Verschalung erreicht werden kann.

MOS-Kondensator von CCD

Jede CCD-Zelle hat einen Metalloxid-Halbleiter, obwohl bei der Herstellung des CCD sowohl Oberflächenkanal- als auch Erdkanal-MOS-Kondensatoren verwendet werden. Aber häufig sind CCDs hergestellt auf einem Substrat vom P-Typ und hergestellt unter Verwendung von vergrabenen Kanal-MOS-Kondensatoren, wobei ein dünner N-Typ-Bereich auf seiner Oberfläche gebildet wird. Eine Siliziumdioxidschicht wird als Isolator auf der Oberseite des N-Bereichs aufgewachsen, und Gates werden durch Platzieren einer oder mehrerer Elektroden auf dieser Isolierschicht gebildet.

CCD Pixel

Freie Elektronen werden durch photoelektrischen Effekt gebildet, wenn die Photonen auf die Siliziumoberfläche treffen, und aufgrund des Vakuums wird gleichzeitig eine positive Ladung oder das Loch erzeugt. Anstatt einen schwierigen Prozess zum Zählen der thermischen Schwankungen oder der Wärme zu wählen, die durch die Rekombination von Loch und Elektron entstehen, ist es bevorzugt, Elektronen zu sammeln und zu zählen, um ein Bild zu erzeugen. Dies kann erreicht werden, indem Elektronen, die durch Auftreffen von Photonen auf die Siliziumoberfläche erzeugt werden, in Richtung der positiv vorgespannten unterschiedlichen Bereiche angezogen werden.

CCD Pixel

CCD Pixel

Die Kapazität der vollen Wanne kann als die maximale Anzahl von Elektronen definiert werden, die von jedem CCD-Pixel gehalten werden können, und typischerweise kann ein CCD-Pixel 10ke bis 500ke halten, dies hängt jedoch von der Größe des Pixels ab (je größer die Größe, die mehr Elektronen können akkumuliert werden).

CCD-Kühlung

CCD-Kühlung

CCD-Kühlung

Im Allgemeinen arbeiten CCDs bei niedriger Temperatur, und Wärmeenergie kann verwendet werden, um ungeeignete Elektronen in Bildpixel anzuregen, die nicht von den Realbild-Photoelektronen unterschieden werden können. Es wird als Dunkelstromprozess bezeichnet, der Rauschen erzeugt. Die gesamte Dunkelstromerzeugung kann mit bestimmten Grenzwerten für jeweils 6 bis 70 Abkühlungen um das Zweifache reduziert werden. Die CCDs arbeiten nicht unter -1200 und das gesamte durch den Dunkelstrom erzeugte Rauschen kann durch Abkühlen um -1000 und thermische Isolierung in einer evakuierten Umgebung entfernt werden. CCDs werden häufig mit flüssigem Stickstoff, thermoelektrischen Kühlern und mechanischen Pumpen gekühlt.

Quanteneffizienz von CCD

Die Erzeugungsrate von Photoelektronen hängt von dem auf die Oberfläche des CCD einfallenden Licht ab. Die Umwandlung der Photonen in elektrische Ladung wird von vielen Faktoren beeinflusst und als Quanteneffizienz bezeichnet. Es liegt im besseren Bereich von 25% bis 95% für CCDs im Vergleich zu anderen Lichtdetektionstechniken.

Quanteneffizienz des frontbeleuchteten Geräts

Quanteneffizienz des frontbeleuchteten Geräts

Das frontbeleuchtete Gerät erzeugt ein Signal, nachdem das Licht durch die Gate-Struktur gelangt ist, indem es die einfallende Strahlung abschwächt.

Quanteneffizienz von rückbeleuchteten Geräten

Quanteneffizienz von rückbeleuchteten Geräten

Das von hinten beleuchtete oder von hinten verdünnte CCD besteht aus überschüssigem Silizium auf der Unterseite des Geräts, das so aufgedruckt ist, dass die Erzeugung von Photoelektronen uneingeschränkt möglich ist.

Dieser Artikel schließt daher mit der kurzen Beschreibung von CCD und seinem Arbeitsprinzip unter Berücksichtigung verschiedener Parameter wie CCD-Abtastarchitekturen, Ladungstransferprozess, MOS-Kondensator von CCD, CCD-Pixel, Kühlung und Quanteneffizienz von CCD in Kürze. Kennen Sie typische Anwendungen, in denen CCD-Sensoren häufig eingesetzt werden? Bitte veröffentlichen Sie Ihre Kommentare unten, um detaillierte Informationen zur Arbeitsweise und Anwendung von CCDs zu erhalten.