Teadlased Williard Boyle ja George E. Smith AT&T Bell Labsist töötab pooljuhi kallal -mullimälu konstrueeris seadme ja nimetas seda laadimismulliks, mida saab kasutada vahetuste registrina.
Laadige ühendatud seade
Vastavalt seadme põhiolemusele on sellel võime laengut üle kanda üks hoiukondensaator järgmisele, mööda pooljuhi pinda, ja see põhimõte sarnaneb Bucket-Brigade Device (BBD) -ga, mis leiutati 1960. aastatel Phillipsi uurimislaborites. Lõpuks leiutati kõigist sellistest eksperimentaalsetest uuringutest AT&T Bell Labsis 1969. aastal laadimisseade (CCD).
Laadimisseade (CCD)
Laaditud ühendatud seadmeid saab määratleda erineval viisil vastavalt rakendusele, mille jaoks neid kasutatakse, või lähtudes seadme disainist.
See on seade, mida kasutatakse selle sees oleva elektrilaengu liikumiseks laengu manipuleerimiseks, mis toimub signaalide muutmise kaudu seadme järkude kaupa.
Seda saab käsitleda CCD andurina, mida kasutatakse digitaalsed ja videokaamerad pildistamiseks ja videote salvestamiseks fotoelektrilise efekti kaudu. Seda kasutatakse pildistatud valguse teisendamiseks digitaalandmeteks, mida kaamera salvestab.
Seda saab määratleda kui valgustundlik integreeritud vooluahel räni pinnale, moodustades valgustundlikud elemendid, mida nimetatakse piksliteks, ja iga piksel muudetakse elektrilaenguks.
Seda nimetatakse diskreetse aja seadmena, mida kasutatakse pidev või analoogsignaal proovide võtmine diskreetsetel aegadel.
CCD tüübid
On erinevaid CCD-sid, näiteks elektrone paljundavad CCD-d, intensiivistatud CCD, kaadri ülekande CCD ja maetud kanaliga CCD. CCD-d saab lihtsalt määratleda kui laadimisseadet. CCD leiutajad, Smith ja Boyle, avastasid ka oluliselt rikastatud jõudlusega CCD kui üldine pinnakanali CCD ja muud CCD-d, seda tuntakse kui maetud kanali CCD-d ja seda kasutatakse peamiselt praktilistel eesmärkidel.
Laadige ühendatud seadme tööpõhimõte
Räniepitaksiaalset kihti, mis toimib fotoaktiivse piirkonnana, ja nihkeregistri ülekandepiirkonda kasutatakse piltide jäädvustamiseks CCD abil.
Läbi läätse projitseeritakse pilt foto aktiivsele piirkonnale, mis koosneb kondensaatorimassiidist. Seega on elektrilaeng proportsionaalne valgustugevus igas kondensaatoris akumuleerub selle koha värvispektris oleva pildipiksli värv.
Kui selle kondensaatorimassiivi abil tuvastatakse pilt, kantakse igasse kondensaatorisse kogunenud elektrilaeng naaberkondensaatorisse, toimides vahetuste register juhitakse juhtimisahelaga.
Laadimisega ühendatud seadme töö
Ülaltoodud joonisel on punktidest a, b ja c näidatud laadimispakettide ülekanne vastavalt värava klemmidele rakendatud pingele. Lõpuks kantakse massiivi viimane kondensaator elektrilaeng laenguvõimendisse, milles elektrilaeng muudetakse pingeks. Seega teisendatakse nende ülesannete pidevast töötamisest pooljuhi kondensaatorimassiivi kogu laeng pingete jadaks.
Digitaalseadmete, näiteks digikaamerate puhul võetakse sellest pingete järjestusest proovid, need digiteeritakse ja salvestatakse seejärel mällu. Analoogseadmete, näiteks analoogvideokaamerate korral juhitakse see pingejada madalpääsfiltrisse pideva analoogsignaali saamiseks ning seejärel töödeldakse signaali edastamiseks, salvestamiseks ja muudel eesmärkidel. Laadimisseadme põhimõtte ja sügavuti töötava laadimisseadme mõistmiseks tuleb mõista peamiselt järgmisi parameetreid.
Laengu edastamise protsess
Laengupakette saab rakust lahtrisse teisaldada, kasutades paljusid Bucket Brigade stiilis skeeme. On erinevaid tehnikaid, näiteks kahefaasiline, kolmefaasiline, neljafaasiline ja nii edasi. Iga element koosneb n-juhtmest, mis läbib seda n-faasilises skeemis. Potentsiaalsete kaevude kõrgust reguleeritakse iga ülekandekellaga ühendatud juhtme abil. Laadimispakette saab lükata ja tõmmata piki CCD joont, muutes potentsiaalkaevu kõrgust.
Laengu edastamise protsess
Vaatleme kolmefaasilist laenguülekannet, ülaltoodud joonisel on näidatud kolm kella (C1, C2 ja C3), mis on kuju poolest identsed, kuid erinevates faasides. Kui värav B läheb kõrgele ja värav A madalale, siis liigub laeng ruumist A ruumi B.
CCD arhitektuur
Piksleid saab edastada paralleelsete vertikaalsete registrite või vertikaalse CCD (V-CCD) ja paralleelsete horisontaalsete registrite või horisontaalse CCD (H-CCD) kaudu. Laengut või pilti saab teisaldada erinevate skannimisarhitektuuride abil, näiteks täiskaadri lugemine, kaadriülekanne ja interline-ülekanne. Laadimisseadme põhimõte võib olla järgmiste ülekandeskeemide abil hõlpsasti mõistetav:
1. Täiskaadernäit
Täiskaadri näit
See on kõige lihtsam skaneeriv arhitektuur, mis nõuab paljudes rakendustes katikut, et katkestada valguse sisend ja vältida määrimist paralleelselt vertikaalsete registrite või vertikaalse CCD ja paralleelselt horisontaalse registri või horisontaalse CCD kaudu. väljund seerias.
2. Kaadriülekanne
Kaadriülekanne
Kasutades ämbribrigaadi protsessi, saab pildi teisaldada pildimassiivist läbipaistmatusse kaadrisse. Kuna see ei kasuta ühtegi jadaregistrit, on see teiste protsessidega võrreldes kiire protsess.
3. Interline ülekanne
Interline Transfer
Iga piksel koosneb fotodioodist ja läbipaistmatu laengu salvestuselemendist. Nagu joonisel näidatud, kantakse pildilaeng esmalt valgustundlikust PD-st läbipaistmatule V-CCD-le. Kuna pilt on peidetud, annab see ühe edastamistsükli jooksul minimaalse pildi määrimise, seega on võimalik saavutada kiireim optiline katik.
CCD MOS-kondensaator
Igal CCD-elemendil on metalloksiidi pooljuhid, kuigi CCD tootmisel kasutatakse nii pinnakanali kui ka maetud kanaliga MOS-kondensaatoreid. Kuid sageli on CCD-d valmistatud P-tüüpi substraadil ja selle valmistamiseks kasutatakse selleks maetud kanaliga MOS-kondensaatoreid. selle pinnale moodustub õhuke N-tüüpi piirkond. N-piirkonna ülaosas kasvatatakse isolaatorina ränidioksiidikihti ja väravad moodustatakse ühe või mitme elektroodi paigaldamisega sellele isoleerkihile.
CCD piksel
Vabad elektronid tekivad fotoelektrilisest efektist, kui footonid räni pinnale löövad, ja vaakumi tõttu tekib samaaegselt positiivne laeng või auk. Selle asemel, et valida aukude ja elektronide rekombineerimisel tekkivate termiliste kõikumiste või soojuse loendamise keeruline protsess, on pildi saamiseks eelistatav elektrone koguda ja loendada. Seda on võimalik saavutada, kui meelitada räni pinnal löövate footonite tekitatud elektrone positiivselt kallutatud eraldiseisvate alade suunas.
CCD piksel
Täiskaevu mahtu saab määratleda kui maksimaalset elektronide arvu, mida iga CCD-piksel mahutab, ja tavaliselt mahutab CCD-piksel 10–500-ndat, kuid see sõltub piksli suurusest (seda suurem on suurus, mida rohkem elektrone saab koguneda).
CCD jahutus
CCD jahutus
Üldiselt töötavad CCD-d madalal temperatuuril ja soojusenergiat saab kasutada põnevate sobimatute elektronide saamiseks pildipiksliteks, mida ei saa eristada reaalse pildi fotoelektroonidest. Seda nimetatakse tumeda voolu protsessiks, mis tekitab müra. Tumevoolu kogu genereerimist saab teatud piiridega vähendada kaks korda iga 6–70 jahutuse kohta. CCD-d ei tööta alla -1200 ja kogu pimedast voolust tuleneva müra saab eemaldada jahutades seda umbes -1000, soojustades seda evakueeritud keskkonda. CCD-sid jahutatakse sageli vedela lämmastiku, termoelektriliste jahutite ja mehaaniliste pumpade abil.
CCD kvanttõhusus
Fotoelektroonide tekkimise kiirus sõltub CCD pinnale langevast valgusest. Footonite muundamine elektrilaenguks on tingitud paljudest teguritest ja seda nimetatakse kvantefektiivsuseks. CCD-de puhul on see paremas vahemikus 25–95% võrreldes muu valguse tuvastamise tehnikaga.
Esiosa valgustatud seadme kvantefektiivsus
Esiosa valgustatud seade genereerib sissetulevat kiirgust summutades signaali pärast valguse läbimist värava struktuuri.
Tagantvalgustusega seadme kvantefektiivsus
Tagantvalgustatud või tahenenud CCD koosneb seadme alaküljel olevast räni liigsest kogusest, mis on trükitud viisil, mis piiramatult võimaldab fotoelektroonide genereerimist.
See artikkel on seega lõpetatud CCD ja selle tööpõhimõtte lühikirjeldusega, võttes arvesse erinevaid parameetreid, nagu CCD skaneerimise arhitektuurid, laadimise ülekandeprotsess, CCD MOS kondensaator, CCD piksel, jahutus ja CCD kvantefektiivsus lühidalt. Kas teate tüüpilisi rakendusi, milles CCD andurit kasutatakse sageli? CCD-de töö ja rakenduste kohta üksikasjaliku teabe saamiseks saatke oma kommentaarid allpool.
