Els científics Williard Boyle i George E. Smith d’AT&T Bell Labs, mentre que treballant en semiconductors -bubble-memory va dissenyar un dispositiu i el va anomenar 'Dispositiu de bombolla de càrrega', que es pot utilitzar com a registre de majúscules.
Dispositiu de càrrega acoblat
Segons la naturalesa fonamental del dispositiu, té la capacitat de transferir càrrega des de un condensador d'emmagatzematge al següent, al llarg de la superfície del semiconductor, i aquest principi és similar al Bucket-Brigade Device (BBD), que es va inventar als anys seixanta als Phillips Research Labs. Finalment, a partir de totes aquestes activitats experimentals de recerca, el dispositiu acoblat de càrrega (CCD) es va inventar a AT&T Bell Labs el 1969.
Dispositiu de càrrega acoblat (CCD)
Els dispositius de càrrega acoblats es poden definir de diferents maneres segons l’aplicació per a la qual s’utilitzen o en funció del disseny del dispositiu.
És un dispositiu que s’utilitza per al moviment de càrrega elèctrica al seu interior per a la manipulació de la càrrega, que es fa canviant els senyals a través de les etapes del dispositiu d’una en una.
Es pot tractar com un sensor CCD, que s'utilitza a càmeres digitals i de vídeo per fer imatges i gravar vídeos mitjançant efectes fotoelèctrics. S'utilitza per convertir la llum capturada en dades digitals, que la càmera registra.
Es pot definir com a circuit integrat sensible a la llum imprès en una superfície de silici per formar elements sensibles a la llum anomenats píxels, i cada píxel es converteix en una càrrega elèctrica.
Es denomina un dispositiu de temps discret utilitzat per senyal continu o analògic mostreig en moments discrets.
Tipus de CCD
Hi ha diferents CCD, com ara els multiplicadors d’electrons, els CCD intensificats, els CCD de transferència de trames i els CCD de canal enterrat. Un CCD es pot definir simplement com a dispositiu de transferència de càrrega. Els inventors del CCD, Smith i Boyle també van descobrir un CCD amb un rendiment molt enriquit que un CCD de canal superficial general i altres CCD, que es coneix com a CCD de canal enterrat i s’utilitza principalment per a aplicacions pràctiques.
Principi de funcionament del dispositiu acoblat de càrrega
La capa epitaxial de silici que actua com a regió fotoactiva i com a regió de transmissió-registre-transmissió s’utilitza per capturar imatges mitjançant un CCD.
A través de l'objectiu, la imatge es projecta sobre la regió fotoactiva que consisteix en un conjunt de condensadors. Per tant, la càrrega elèctrica proporcional a la intensitat lumínica del color de la imatge del píxel en l'espectre de color en aquesta ubicació s'acumula a cada condensador.
Si la imatge és detectada per aquesta matriu de condensadors, llavors la càrrega elèctrica acumulada a cada condensador es transfereix al condensador veí actuant com a registre de torns controlat pel circuit de control.
Funcionament del dispositiu de càrrega acoblat
A la figura anterior, a, b i c, es mostra la transferència de paquets de càrrega segons la tensió aplicada als terminals de la porta. Per fi, a la matriu la càrrega elèctrica del darrer condensador es transfereix a l'amplificador de càrrega en el qual la càrrega elèctrica es converteix en una tensió. Així, a partir del funcionament continu d'aquestes tasques, les càrregues senceres de la matriu de condensadors del semiconductor es converteixen en una seqüència de tensions.
Aquesta seqüència de tensions es mostra, es digitalitza i després s’emmagatzema en memòria en cas de dispositius digitals com ara càmeres digitals. En el cas de dispositius analògics com ara càmeres de vídeo analògiques, aquesta seqüència de tensions s’alimenta a un filtre de pas baix per produir un senyal analògic continu i, a continuació, el senyal es processa per a la transmissió, enregistrament i per a altres propòsits. Per entendre el principi del dispositiu acoblat a càrrega i el dispositiu acoblat a càrrega que treballa en profunditat, cal entendre principalment els paràmetres següents.
Procés de transferència de càrrecs
Els paquets de càrrega es poden moure de cel·la en cel·la utilitzant molts esquemes a l’estil Bucket Brigade. Hi ha diverses tècniques, com ara dues fases, tres fases, quatre fases, etc. Totes les cel·les consisteixen en fils n que passen per ella en un esquema de fase n. L'alçada dels pous potencials es controla mitjançant l'ús de cada cable connectat al rellotge de transferència. Els paquets de càrrega es poden empènyer i tirar al llarg de la línia del CCD variant l’alçada del pou potencial.
Procés de transferència de càrrecs
Penseu en una transferència de càrrega trifàsica, a la figura anterior, es mostren els tres rellotges (C1, C2 i C3) que tenen una forma idèntica, però en diferents fases. Si la porta B augmenta i la porta A baixa, la càrrega es mourà de l'espai A a l'espai B.
Arquitectura del CCD
Els píxels es poden transferir a través dels registres verticals paral·lels o del CCD vertical (V-CCD) i dels registres horitzontals paral·lels o del CCD horitzontal (H-CCD). La càrrega o la imatge es poden transferir utilitzant diferents arquitectures d’escaneig, com ara la lectura de fotogrames complets, la transferència de fotogrames i la transferència entre línies. El principi del dispositiu acoblat a càrrega es pot entendre fàcilment amb els següents esquemes de transferència:
1. Lectura de fotograma complet
Lectura de fotograma complet
És l’arquitectura d’escaneig més senzilla que requereix un obturador en diverses aplicacions per tallar l’entrada de llum i evitar untar durant el pas de càrregues a través de registres paral·lels-verticals o de registres CCD i paral·lels horitzontals o CCD horitzontals i després transferits a sortida en sèrie.
2. Transferència de fotogrames
Transferència de fotogrames
Mitjançant l'ús del procés de brigada de dipòsit, la imatge es pot transferir des de la matriu d'imatges a la matriu d'emmagatzematge de marcs opacs. Com que no utilitza cap registre sèrie, és un procés ràpid en comparació amb altres processos.
3. Transferència interline
Transferència interline
Cada píxel està format per un fotodiode i una cel·la d’emmagatzematge de càrrega opaca. Com es mostra a la figura, la càrrega de la imatge es transfereix primerament des de PD sensible a la llum al V-CCD opac. Aquesta transferència, ja que la imatge està oculta, en un cicle de transferència produeix un mínim frotis de la imatge, de manera que es pot aconseguir un obturador òptic més ràpid.
Condensador MOS de CCD
Totes les cèl·lules CCD tenen semiconductors d’òxid de metall, tot i que tant els condensadors MOS de canal superficial com de canal enterrat s’utilitzen en la fabricació del CCD. Però sovint els CCD són fabricat sobre un substrat tipus P. i fabricat mitjançant condensadors MOS de canal enterrat per a això, es forma una fina regió de tipus N a la seva superfície. Una capa de diòxid de silici es cultiva com a aïllant a la part superior de la regió N i les portes es formen col·locant un o més elèctrodes sobre aquesta capa aïllant.
Píxel CCD
Els electrons lliures es formen a partir de l’efecte fotoelèctric quan els fotons colpegen la superfície de silici i, a causa del buit, es generarà simultàniament càrrega positiva o el forat. En lloc d'escollir un procés difícil de comptar les fluctuacions tèrmiques o calor formades per la recombinació de forats i electrons, es prefereix recopilar i comptar electrons per produir una imatge. Això es pot aconseguir atraient electrons generats per fotons impactants sobre la superfície del silici cap a les zones diferenciades positivament positivades.
Píxel CCD
La capacitat de pou complet es pot definir com el nombre màxim d’electrons que pot contenir cada píxel CCD i, normalment, un píxel CCD pot contenir entre 10ke i 500ke, però depèn de la mida del píxel (com més gran sigui la mida de més electrons) s’acumulen).
Refrigeració CCD
Refrigeració CCD
Generalment els CCD funcionen a baixa temperatura i l'energia tèrmica es pot utilitzar per excitar electrons inadequats en píxels d'imatge que no es poden diferenciar dels fotoelectrons de la imatge real. Es coneix com un procés de corrent fosc, que genera soroll. La generació total de corrent fosc es pot reduir dues vegades per cada refrigeració de 6 a 70 amb certs límits. Els CCD no funcionen per sota de -1200 i el soroll total generat pel corrent fosc es pot eliminar refredant-lo al voltant de -1000, aïllant-lo tèrmicament en un entorn evacuat. Els CCD es refreden freqüentment mitjançant l’ús de nitrogen líquid, refrigeradors termoelèctrics i bombes mecàniques.
Eficiència quàntica del CCD
La velocitat de generació de fotoelectrons depèn de la llum incident a la superfície del CCD. La conversió dels fotons en càrrega elèctrica ve contribuïda per molts factors i s’anomena eficiència quàntica. Es troba entre el 25% i el 95% dels CCDs en comparació amb altres tècniques de detecció de llum.
Eficiència quàntica del dispositiu il·luminat frontal
El dispositiu il·luminat frontal genera un senyal després que la llum passi a través de l'estructura de la porta atenuant la radiació entrant.
Eficiència quàntica del dispositiu il·luminat posterior
El CCD retroil·luminat o aprimat posteriorment consisteix en excés de silici a la part inferior del dispositiu, que s’imprimeix de manera que permet la generació de fotoelectrons sense restriccions.
Per tant, aquest article conclou amb una breu descripció del CCD i el seu principi de treball considerant diferents paràmetres com ara arquitectures d’escaneig CCD, procés de transferència de càrrega, condensador MOS de CCD, píxels CCD, refrigeració i eficiència quàntica del CCD en breu. Coneixeu aplicacions típiques en què el sensor CCD s’utilitza amb freqüència? Envieu els vostres comentaris a continuació per obtenir informació detallada sobre el funcionament i les aplicacions dels CCD.
