Ученые Уильям Бойл и Джордж Э. Смит из AT&T Bell Labs, а работает над полупроводником -bubble-memory разработал устройство и назвал его «Charge Bubble Device», который можно использовать в качестве регистра сдвига.
Устройство с зарядовой связью
Согласно фундаментальному характеру устройства, оно имеет способность передавать заряд от один накопительный конденсатор к следующему, по поверхности полупроводника, и этот принцип аналогичен устройству Bucket-Brigade Device (BBD), которое было изобретено в 1960-х годах в исследовательских лабораториях Phillips. В конце концов, в результате всех таких экспериментальных исследований в 1969 году в лаборатории AT&T Bell Labs было изобретено устройство с зарядовой связью (CCD).
Устройство с зарядовой связью (CCD)
Устройства с зарядовой связью могут быть определены по-разному в зависимости от приложения, для которого они используются, или в зависимости от конструкции устройства.
Это устройство, используемое для перемещения электрического заряда внутри него для манипулирования зарядом, которое осуществляется путем изменения сигналов через этапы внутри устройства по одному за раз.
Его можно рассматривать как датчик CCD, который используется в цифровые и видеокамеры для фото- и видеосъемки с фотоэлектрическим эффектом. Он используется для преобразования захваченного света в цифровые данные, которые записываются камерой.
Его можно определить как светочувствительная интегральная схема отпечатывается на поверхности кремния, образуя светочувствительные элементы, называемые пикселями, и каждый пиксель преобразуется в электрический заряд.
Это устройство с дискретным временем, используемое для непрерывный или аналоговый сигнал отбор проб в дискретное время.
Типы ПЗС-матриц
Существуют различные ПЗС, такие как ПЗС с электронным умножением, ПЗС с усилением, ПЗС с переносом кадра и ПЗС со скрытым каналом. ПЗС-матрицу можно просто определить как устройство переноса заряда. Изобретатели ПЗС Смит и Бойл также открыли ПЗС-матрицу со значительно улучшенными характеристиками, чем обычная ПЗС-матрица с поверхностным каналом и другие ПЗС-матрицы. Она известна как ПЗС со скрытым каналом и широко используется в практических приложениях.
Принцип работы устройства с зарядовой связью
Кремниевый эпитаксиальный слой, действующий как светочувствительная область, и область пропускания сдвигового регистра используются для захвата изображений с помощью ПЗС.
Через линзу изображение проецируется на фотоактивную область, состоящую из массива конденсаторов. Таким образом, электрический заряд, пропорциональный Интенсивность света цвета пикселя изображения в цветовом спектре в этом месте накапливается на каждом конденсаторе.
Если изображение обнаруживается этой решеткой конденсаторов, то электрический заряд, накопленный в каждом конденсаторе, передается его соседнему конденсатору, выполняя функцию регистр сдвига контролируется схемой управления.
Работа устройства с зарядовой связью
На приведенном выше рисунке, от a, b и c, передача пакетов заряда показана в соответствии с напряжением, приложенным к клеммам затвора. Наконец, в решетке электрический заряд последнего конденсатора передается в усилитель заряда, в котором электрический заряд преобразуется в напряжение. Таким образом, в результате непрерывной работы этих задач все заряды массива конденсаторов в полупроводнике преобразуются в последовательность напряжений.
Эта последовательность напряжений дискретизируется, оцифровывается и затем сохраняется в памяти в случае цифровых устройств, таких как цифровые камеры. В случае аналоговых устройств, таких как аналоговые видеокамеры, эта последовательность напряжений подается на фильтр нижних частот для создания непрерывного аналогового сигнала, а затем сигнал обрабатывается для передачи, записи и для других целей. Чтобы понять принцип работы устройства с зарядовой связью и детально изучить устройство с зарядовой связью, в первую очередь необходимо понимать следующие параметры.
Процесс перевода заряда
Зарядные пакеты можно перемещать из ячейки в ячейку, используя множество схем в стиле Bucket Brigade. Существуют различные методы, такие как двухфазный, трехфазный, четырехфазный и так далее. Каждая ячейка состоит из n-проводов, проходящих через нее по n-фазной схеме. Высота потенциальных ям контролируется с помощью каждого провода, подключенного к часам передачи. Пакеты заряда можно толкать и тянуть вдоль линии ПЗС, изменяя высоту потенциальной ямы.
Процесс перевода заряда
Рассмотрим трехфазную передачу заряда. На приведенном выше рисунке показаны три тактовых генератора (C1, C2 и C3), которые идентичны по форме, но находятся в разных фазах. Если ворота B поднимаются высоко, а ворота A - низко, то заряд переместится из области A в область B.
Архитектура CCD
Пиксели могут передаваться через параллельные вертикальные регистры или вертикальные ПЗС (V-CCD) и параллельные горизонтальные регистры или горизонтальные ПЗС (H-CCD). Заряд или изображение могут быть переданы с использованием различных архитектур сканирования, таких как полнокадровое считывание, передача кадров и межстрочный перенос. Принцип устройства с зарядовой связью можно легко понять с помощью следующих схем передачи:
1. Полнокадровое считывание
Полнокадровое считывание
Это простейшая архитектура сканирования, для которой в ряде приложений требуется заслонка, чтобы отрезать световой вход и избежать размытия при прохождении зарядов через параллельно-вертикальные регистры или вертикальные ПЗС и параллельно-горизонтальные регистры или горизонтальные ПЗС, а затем переносятся на вывод серийно.
2. Передача кадров
Передача кадров
Используя процесс bucket brigade, изображение может быть перенесено из массива изображений в массив хранения непрозрачных кадров. Поскольку он не использует последовательный регистр, это быстрый процесс по сравнению с другими процессами.
3. Интерлайн-перевод
Интерлайн-перевод
Каждый пиксель состоит из фотодиода и непрозрачного накопителя заряда. Как показано на рисунке, заряд изображения сначала передается со светочувствительного частичного устройства на непрозрачный V-CCD. Этот перенос, когда изображение скрыто, за один цикл передачи дает минимальное размытие изображения, следовательно, может быть достигнуто самое быстрое оптическое затворение.
МОП-конденсатор ПЗС-матрицы
Каждая ячейка CCD содержит металлооксидный полупроводник, даже несмотря на то, что в производстве CCD используются МОП-конденсаторы с поверхностным и скрытым каналом. Но часто ПЗС изготовлен на подложке P-типа и изготовлен с использованием МОП-конденсаторов со скрытым каналом, для чего на его поверхности сформирована тонкая область N-типа. Слой диоксида кремния выращивают как изолятор наверху N-области, а вентили формируются путем размещения одного или нескольких электродов на этом изолирующем слое.
ПЗС-пиксель
Свободные электроны образуются в результате фотоэлектрического эффекта, когда фотоны ударяются о поверхность кремния, и из-за вакуума одновременно генерируется положительный заряд или дырка. Вместо того чтобы выбирать сложный процесс подсчета тепловых флуктуаций или тепла, образующегося при рекомбинации дырки и электрона, предпочтительно собирать и подсчитывать электроны для создания изображения. Это может быть достигнуто путем притяжения электронов, генерируемых ударами фотонов на поверхности кремния, к положительно смещенным отдельным областям.
ПЗС-пиксель
Полную емкость лунки можно определить как максимальное количество электронов, которое может удерживать каждый пиксель ПЗС, и, как правило, пиксель ПЗС может содержать от 10 до 500 кэ, но это зависит от размера пикселя (чем больше размер, тем больше электронов может накапливаться).
CCD охлаждение
CCD охлаждение
Обычно ПЗС-матрицы работают при низкой температуре, и тепловая энергия может использоваться для возбуждения несоответствующих электронов в пикселях изображения, которые невозможно отличить от фотоэлектронов реального изображения. Это называется темновым процессом, который генерирует шум. Общее генерирование темнового тока может быть уменьшено в два раза на каждые 6–70 циклов охлаждения с определенными пределами. ПЗС-матрицы не работают при температурах ниже -1200, и общий шум, создаваемый темновым током, можно удалить, охладив их примерно до -1000, путем термической изоляции в вакуумированной среде. ПЗС-матрицы часто охлаждаются с помощью жидкого азота, термоэлектрических охладителей и механических насосов.
Квантовая эффективность ПЗС-матрицы
Скорость генерации фотоэлектронов зависит от света, падающего на поверхность ПЗС-матрицы. Преобразованию фотонов в электрический заряд способствует множество факторов, и это называется квантовой эффективностью. Для ПЗС он находится в лучшем диапазоне от 25% до 95% по сравнению с другими методами обнаружения света.
Квантовая эффективность устройства с передней подсветкой
Устройство с передней подсветкой генерирует сигнал после того, как свет проходит через структуру затвора, ослабляя входящее излучение.
Квантовая эффективность устройства с задней подсветкой
ПЗС-матрица с обратной подсветкой или с обратной тонкостью состоит из избыточного кремния на нижней стороне устройства, отпечатанного таким образом, чтобы неограниченно генерировать фотоэлектроны.
Таким образом, эта статья завершается кратким описанием ПЗС и принципа ее работы с учетом различных параметров, таких как архитектура сканирования ПЗС, процесс передачи заряда, МОП-конденсатор ПЗС, пиксель ПЗС, охлаждение и квантовая эффективность ПЗС. Знаете ли вы типичные приложения, в которых часто используется CCD-датчик? Пожалуйста, оставьте свои комментарии ниже для получения подробной информации о работе и применении ПЗС-матриц.
