CCD. Principiul fizic al funcționării CCD. matricea CCD. Ce este o matrice CCD

Dispozitivul cuplat cu încărcare a fost inventat în 1969 de Willard Boyle și George Smith la AT&T Bell Labs. Laboratoarele lucrau la video telefonie. telefon poza) și dezvoltarea „memoriei cu bule semiconductoare” (ing. memorie cu bule de semiconductor). Dispozitivele cuplate cu încărcare și-au început viața ca dispozitive de memorie în care o încărcare putea fi plasată doar în registrul de intrare al dispozitivului. Cu toate acestea, capacitatea elementului de memorie al dispozitivului de a primi o încărcare datorită efectului fotoelectric a făcut ca această aplicație a dispozitivelor CCD să fie cea principală.

Structura generală și principiul de funcționare

Înainte de expunere, de obicei prin aplicarea unei anumite combinații de tensiuni la electrozi, toate sarcinile formate anterior sunt resetate și toate elementele sunt aduse într-o stare identică.

În continuare, combinația de tensiuni pe electrozi creează un puț de potențial în care se pot acumula electronii formați într-un anumit pixel al matricei ca urmare a expunerii la lumină în timpul expunerii. Cu cât fluxul de lumină este mai intens în timpul expunerii, cu atât se acumulează mai mulți electroni în puțul de potențial și, în consecință, cu atât sarcina finală a unui pixel dat este mai mare.

După expunere, modificările succesive ale tensiunii pe electrozi formează o distribuție de potențial în fiecare pixel și alături de acesta, care duce la fluxul de sarcină într-o direcție dată, către elementele de ieșire ale matricei.

Exemplu de subpixel CCD cu un buzunar de tip n

Producătorii au arhitecturi de pixeli diferite.

Denumiri pe diagrama subpixelilor CCD: 1 - fotoni de lumină care trec prin lentila camerei;
2 - ;
3 - R - filtru subpixel roșu, fragment de filtru Bayer;
4 - electrod transparent din siliciu policristalin sau un aliaj de oxid de indiu și staniu;
5 - oxid de siliciu;
6 - canal de siliciu de tip n: zonă de generare a purtătorului - zonă de efect fotoelectric intern;
7 - zona puțului de potențial (buzunar de tip n), unde sunt colectați electronii din zona de generare a purtătorului de sarcină;
8 - substrat de siliciu de tip p.

Clasificare prin metoda tamponării

Senzori de transfer full frame

Imaginea formată de lentilă cade pe matricea CCD, adică razele de lumină cad pe suprafața fotosensibilă a elementelor CCD, a căror sarcină este să transforme energia fotonilor într-o sarcină electrică. Se întâmplă aproximativ după cum urmează.

Pentru un foton care cade pe un element CCD, există trei opțiuni pentru desfășurarea evenimentelor - fie va „ricoșeta” de la suprafață, fie va fi absorbit în grosimea semiconductorului (materialul matricei) sau va „perfora” „zona sa de lucru”. În mod evident, dezvoltatorilor li se cere să creeze un senzor în care pierderile de la „ricoșetare” și „trage prin” să fie minimizate. Aceiași fotoni care au fost absorbiți de matrice formează o pereche electron-gaură dacă a existat o interacțiune cu un atom al rețelei cristaline semiconductoare sau doar un electron (sau gaură) dacă interacțiunea a fost cu atomi de impurități donor sau acceptor și ambele fenomene se numesc efect fotoelectric intern. Desigur, activitatea senzorului nu se limitează la efectul fotoelectric intern - este necesar să stocați purtătorii de sarcină „luați” din semiconductor într-un depozit special și apoi să îi numărați.

element CCD

În general, designul unui element CCD arată astfel: un substrat de siliciu de tip p este echipat cu canale realizate dintr-un semiconductor de tip n. Electrozi din siliciu policristalin cu un strat izolator de oxid de siliciu sunt creați deasupra canalelor. După aplicarea unui potențial electric unui astfel de electrod, se creează un puț de potențial în zona de epuizare de sub canalul de tip n, al cărui scop este stocarea electronilor. Un foton care pătrunde în siliciu are ca rezultat generarea unui electron, care este atras de puțul de potențial și rămâne în el. Mai mulți fotoni (lumină strălucitoare) asigură mai multă încărcare puțului. Apoi trebuie să calculați valoarea acestei încărcături, numită și fotocurent, și să o amplificați.

Citirea fotocurenților elementelor CCD este efectuată de așa-numitele registre de deplasare în serie, care convertesc un șir de sarcini la intrare într-o serie de impulsuri la ieșire. Această serie reprezintă un semnal analogic, care este alimentat ulterior unui amplificator.

Astfel, folosind un registru, este posibilă convertirea sarcinilor unei linii de elemente CCD într-un semnal analogic. De fapt, registrul de deplasare serială în matrice CCD este implementat folosind aceleași elemente CCD combinate într-un rând. Funcționarea unui astfel de dispozitiv se bazează pe capacitatea dispozitivelor cuplate la sarcină (asta este ceea ce înseamnă abrevierea CCD) de a schimba încărcături ale puțurilor lor potențiale. Schimbul se realizează datorită prezenței electrozilor de transfer speciali (poarta de transfer) amplasați între elementele CCD adiacente. Când un potențial crescut este aplicat celui mai apropiat electrod, sarcina „curge” sub acesta din puțul de potențial. Între elementele CCD pot fi amplasați de la doi până la patru electrozi de transfer, „faza” registrului de deplasare, care poate fi numită bifazată, trifazată sau cu patru faze, depinde de numărul acestora.

Alimentarea cu potențiale la electrozii de transfer este sincronizată în așa fel încât mișcarea sarcinilor puțurilor de potențial ale tuturor elementelor CCD ale registrului să aibă loc simultan. Și în timpul unui ciclu de transfer, elementele CCD par să „transmite sarcini de-a lungul lanțului” de la stânga la dreapta (sau de la dreapta la stânga). Ei bine, elementul CCD care se dovedește a fi „extremul” își dă sarcina dispozitivului situat la ieșirea registrului, adică amplificatorului.

În general, un registru cu deplasare serial este un dispozitiv cu intrare paralelă și ieșire în serie. Prin urmare, după citirea tuturor sarcinilor din registru, este posibil să se aplice o nouă linie la intrarea sa, apoi următoarea, și astfel să se genereze un semnal analogic continuu bazat pe o matrice bidimensională de fotocurenți. La rândul său, intrarea paralelă către registrul de deplasare în serie (adică șiruri ale unei rețele bidimensionale de fotocurenți) este furnizată de un set de registre de deplasare în serie orientate vertical, care se numește registru de deplasare paralelă, iar întreaga structură este tocmai un dispozitiv numit matrice CCD.

Registrele de deplasare seriale „verticale” care le alcătuiesc pe cele paralele se numesc coloane CCD, iar funcționarea lor este complet sincronizată. Matricea bidimensională de fotocurenți ai matricei CCD este deplasată simultan pe un rând în jos, iar acest lucru se întâmplă numai după ce încărcările rândului anterior din registrul de deplasare în serie situat „în partea de jos” au ajuns la amplificator. Până la eliberarea registrului serial, cel paralel este forțat să funcționeze în gol. Ei bine, pentru funcționare normală, matricea CCD în sine trebuie să fie conectată la un microcircuit (sau la un set al acestora) care furnizează potențiale electrozilor ambelor registre de deplasare seriale și paralele, precum și să sincronizeze funcționarea ambelor registre. În plus, este nevoie de un generator de ceas.

Senzor cadru complet

Acest tip de senzor este cel mai simplu din punct de vedere al designului și se numește matrice CCD full-frame. În plus față de microcircuitele „tuburi”, acest tip de matrice necesită și un obturator mecanic care blochează fluxul de lumină după terminarea expunerii. Înainte ca obturatorul să fie complet închis, încărcăturile de citire nu pot începe - în timpul ciclului de funcționare al unui registru cu deplasare paralelă, electronii suplimentari vor fi adăugați la fotocurent al fiecăruia dintre pixelii săi, cauzați de fotonii care lovesc suprafața deschisă a matricei CCD. Acest fenomen se numește „smearing” a încărcăturii într-o matrice full-frame (full-frame matrix smear).

Astfel, viteza de citire a cadrelor într-o astfel de schemă este limitată de viteza de funcționare atât a registrelor de deplasare paralele cât și seriale. De asemenea, este evident că este necesară blocarea fluxului de lumină care vine de la lentilă până la finalizarea procesului de citire, astfel că intervalul dintre expuneri depinde și de viteza de citire.

Matrici cu cadru tampon

Există o versiune îmbunătățită a matricei full-frame, în care sarcinile registrului paralel nu sunt furnizate linie cu linie la intrarea celui serial, ci sunt „stocate” într-un registru paralel tampon. Acest registru este situat sub registrul principal de deplasare paralelă, fotocurenții sunt mutați linie cu linie în registrul tampon și de acolo intră în intrarea registrului de deplasare în serie. Suprafața registrului tampon este acoperită cu un panou opac (de obicei metalic), iar întregul sistem se numește matrice CCD de transfer de cadru. Matrice cu cadru tampon În această schemă, găurile potențiale ale registrului principal de deplasare paralelă sunt „golite” mult mai repede, deoarece la transferul rândurilor în buffer, nu este nevoie să așteptați un ciclu complet al registrului serial pentru fiecare rând. Prin urmare, intervalul dintre expuneri este redus, deși viteza de citire scade și ele trebuie să „călătorească” de două ori mai mult. Astfel, intervalul dintre expuneri este redus pentru doar două cadre, deși costul dispozitivului datorită registrului tampon crește considerabil. Cu toate acestea, cel mai vizibil dezavantaj al matricelor cu cadru tampon este „traseul” prelungit al fotocurenților, care afectează negativ siguranța valorilor acestora. Și în orice caz, obturatorul mecanic trebuie activat între cadre, deci nu este nevoie să vorbim despre un semnal video continuu.

Matrici cu tampon de coloană

Un nou tip de matrice a fost dezvoltat special pentru tehnologia video, în care intervalul dintre expuneri a fost minimizat nu pentru o pereche de cadre, ci pentru un flux continuu. Desigur, pentru a asigura această continuitate a fost necesar să se prevadă abandonarea oblonului mecanic.

De fapt, această schemă, numită matrice cu tampon de coloană (matrice CCD-interline), este oarecum similară cu sistemele cu tampon de cadru - folosește, de asemenea, un registru de deplasare paralelă a tamponului, ale cărui elemente CCD sunt ascunse sub un strat opac. Cu toate acestea, acest buffer nu este situat ca un singur bloc sub registrul paralel principal, coloanele sale sunt „amestecate” între coloanele registrului principal. Ca urmare, lângă fiecare coloană a registrului principal există o coloană tampon, iar imediat după expunere, fotocurenții se deplasează nu „de sus în jos”, ci „de la stânga la dreapta” (sau „de la dreapta la stânga”) și doar în un ciclu de lucru ei intră în registrul tampon, eliberând complet și complet găurile potențiale pentru următoarea expunere. Taxele plasate în registrul tampon sunt citite în mod obișnuit printr-un registru de deplasare în serie, adică „de sus în jos”. Deoarece descărcarea fotocurenților în registrul tampon are loc într-un singur ciclu, chiar și în absența unui obturator mecanic, nu se observă nimic asemănător cu „pătarea” încărcăturii în senzorul cu cadru complet. Dar timpul de expunere pentru fiecare cadru în majoritatea cazurilor corespunde ca durată cu intervalul petrecut pentru citirea completă a registrului paralel al tamponului. Datorită tuturor acestora, devine posibil să se creeze un semnal video cu o rată de cadre ridicată - cel puțin 30 de cadre pe secundă. Matrice cu tampon de coloană Adesea, în literatura rusă, matricele cu tampon de coloană sunt numite în mod eronat „intercalate”. Acest lucru se datorează probabil faptului că denumirile englezești „interline” (line buffering) și „interlaced” (interlaced scanning) sună foarte asemănător. De fapt, atunci când toate liniile sunt citite într-un singur ciclu de ceas, putem vorbi despre o matrice cu scanare progresivă, iar când sunt citite linii impare în primul ciclu de ceas și linii pare în al doilea (sau invers), vorbim despre o matrice cu scanare intercalată).

Dimensiunile matricelor camerei

Desemnare		Lăţime	Înălţime	Diagonală	Pătrat	Exemplu
Cadru complet, film tip 135.	1 - 1,01	35,8 - 36	23,8 - 24	43 - 43,3	852-864	Canon EOS 5D, Canon EOS-1Ds (senzor CMOS)
APS-H	1,26 - 1,28	28,1 - 28,7	18,7 - 19,1	33,8 - 34,5	525,5 - 548,2	Canon EOS-1D Mark III (senzor CMOS)
	1,33	27	18	32,4	486	Leica M8
APS-C, , 1,8"	1,44 - 1,74	20,7 - 25,1	13,8 - 16,7	24,9 - 30,1	285,7 - 419,2	Pentax K10D
Foveon X3	1,74	20,7	13,8	24,9	285,7	Sigma SD14
4/3 "	1,92 - 2	17,3 - 18	13 −13,5	21,6 - 22,5	224,9 - 243	Olympus E-330
1"	2,7	12,8	9,6	16	122,9	Sony ProMavica MVC-5000
2/3"	3,93	8,8	6,6	11	58,1	Pentax EI-2000
1/1,6"	≈4	8	6	10	48	Panasonic Lumix DMC-LX3
1/1,65"	≈4					Panasonic Lumix DMC-LX2
1/1,7"	≈4,5	7,6	5,7	9,5	43,3	Canon PowerShot G10
1/1,8"	4,84	7,176	5,319	8,9	38,2	Casio EXILIM EX-F1
1/1,9"	≈5					Samsung Digimax V6
1/2"	5,41	6,4	4,8	8	30,7	Sony DSC-D700
1/2,3"	≈6	6,16	4,62	7,70	28,46	Olympus SP-560 Marea Britanie
1/2,35"	≈6					Pentax Optio V10
1/2,4"	≈6					Fujifilm FinePix S8000fd
1/2,5"	5,99	5,8	4,3	7,2	24,9	Panasonic Lumix DMC-FZ8
1/2,6"	≈6					HP Photosmart M447
1/2,7"	6,56	5,27	3,96	6,6	20,9	Zoom Olympus C-900
1/2,8"	≈7					Canon DC40
1/2,9"	≈7					Sony HDR-SR7E
1/3"	7,21	4,8	3,6	6	17,3	Canon PowerShot A460
1/3,1"	≈7					Sony HDR-SR12E
1/3,2"	7,62	4,536	3,416	5,7	15,5	Canon HF100
1/3,4"	≈8					Canon MVX35i
1/3,6"	8,65	4	3	5	12	JVC GR-DZ7
1/3,9"	≈9					Canon DC22
1/4"						Canon XM2
1/4,5"						Samsung VP-HMX10C
1/4,7"						Panasonic NV-GS500EE-S
1/5"						Sony DCR-SR80E
1/5,5"						JVC Everio GZ-HD7
1/6"	14,71	2,4	1,7	2,9	4,1	Sony DCR-DVD308E
1/8"						Sony DCR-SR45E

Dimensiunile camerelor de filmat digitale

Desemnare	corespondenţă format filme	Lăţime

| matricea CCD (Dispozitiv cuplat cu încărcare) sau matricea CCD(în limba engleză. Dispozitiv cuplat cu încărcare) este un circuit integrat analog care include fotodiode sensibile la lumină din siliciu sau oxid de staniu. Acest cip folosește tehnologia CCD (Charge-Coupled Device).

Istoria matricei CCD

Primul dispozitiv cuplat la încărcare a fost dezvoltat în 1969 de George Smith și Willard Boyle la AT&T Bell Labs din SUA. Au fost realizate dezvoltări în domeniul telefoniei video (Picture Phone) și dezvoltarea actualei „memorii cu bule de semiconductor” (Semiconductor Bubble Memory). Dispozitivele cuplate cu încărcare au început în curând să fie folosite ca dispozitive de memorie în care o încărcare putea fi plasată în registrul de intrare al cipului. Dar, mai târziu, capacitatea elementului de memorie al dispozitivului de a primi o încărcare datorită efectului fotoelectric a făcut ca utilizarea dispozitivelor CCD să fie curentă.

În 1970, cercetătorii Bell Labs au învățat să capteze imagini folosind dispozitive liniare simple.

Curând, sub conducerea lui Kazuo Iwama, Sony a început să dezvolte și să se implice activ în tehnologiile CCD, investind sume uriașe de bani în ele și a reușit să producă în masă matrice CCD pentru camerele sale video.

Kazuo Iwama a murit în august 1982. Pentru a comemora contribuțiile sale, pe piatra funerară a fost instalat un cip CCD.

În 2006, Willard Boyle și George Smith au fost premiați cu Academia Națională de Inginerie din SUA pentru munca lor la CCD.

Mai târziu, în 2009, creatorii au primit Premiul Nobel pentru Fizică.

Principiul de funcționare al matricei CCD

Matricea CCD constă în principal din polisiliciu, separat de substratul de siliciu printr-o membrană, în care, atunci când se aplică o tensiune de alimentare prin porțile din polisiliciu, potențialele electrice din apropierea electrozilor conductori se modifică foarte mult.

Înainte de expunere și aplicarea unei anumite combinații de tensiuni la electrozi, toate sarcinile formate anterior sunt resetate și toate elementele sunt convertite într-o stare identică sau originală.

Apoi, combinația de tensiuni pe electrozi creează o rezervă de potențial sau un puț în care se acumulează electronii formați într-un anumit pixel al matricei ca urmare a expunerii la razele de lumină în timpul expunerii. Cu cât este mai intens fluxul de lumină în timpul expunerii, cu atât este mai mare acumularea de electroni în puțul de potențial și, în consecință, cu atât puterea sarcinii finale a unui anumit pixel este mai mare.

După expunere, în fiecare pixel individual se formează modificări succesive ale tensiunii de alimentare a electrozilor, iar lângă acesta are loc o distribuție de potențial, ceea ce duce la fluxul de sarcină într-o direcție dată către pixelii de ieșire ai matricei CCD.

Exemplu de pixel CCD cu un buzunar de tip n

Notă: fiecare producător are propria sa arhitectură subpixel.

Denumirile pixelilor CCD în diagramă:

1 - Particule de lumină (fotoni) care trec prin lentila unei camere video;
2 - Microlens subpixel;
3 - Filtru subpixel roșu (este un fragment al filtrului Bayer);
4 - Electrod de transmisie a luminii din oxid de staniu sau siliciu policristalin;
5 - Izolator (constă din oxid de siliciu);
6 - Canal special de siliciu de tip n. Zona internă de efect fotoelectric (zona de generare a purtătorului);
7 - Zona de stoc posibil sau groapă (buzunar de tip n). Locul unde sunt colectați electronii din zona de generare a purtătorului;
8 - substrat de siliciu de tip P.

Transfer CCD full-frame

Imaginea video formată complet de lentilă cade pe matricea CCD, adică razele de lumină cad pe suprafața fotosensibilă a elementelor CCD, al căror scop este acela de a transforma energia particulelor (fotoni) într-o sarcină electrică.
Acest proces decurge după cum urmează.
Pentru un foton care lovește un element CCD, există trei scenarii pentru dezvoltarea evenimentelor - fie va „zbura” de la suprafață, fie va fi absorbit de grosimea semiconductorului (compoziția materialului matricei), fie va străpunge. suprafața acestuia. Prin urmare, dezvoltatorii trebuie să creeze un senzor în care pierderile de reflecție și absorbție sunt minime. Aceleași particule care au fost absorbite de matricea CCD formează o pereche electron-gaură dacă a existat o interacțiune slabă cu un atom al rețelei cristaline a semiconductorului sau interacțiunea a fost cu atomi de impurități donor sau acceptor. Ambele fenomene de mai sus se numesc efect fotoelectric intern. Dar activitatea senzorului nu se limitează la efectul fotoelectric intern - principalul lucru este să stocați purtătorii de sarcină „luați” din semiconductor într-o unitate de depozitare specializată și apoi să le numărați.

Structura elementelor matricei CCD

În general, designul unui element CCD arată cam așa: un substrat de siliciu de tip p este furnizat cu canale de la un semiconductor de tip n. Deasupra acestor canale sunt electrozi de siliciu policristalin cu o membrană izolatoare din oxid de siliciu. După aplicarea unui potențial electric acestui electrod, se creează o capcană de potențial (puț) în zona slăbită sub canalul de tip n, a cărei sarcină este de a conserva electronii. O particulă de siliciu care pătrunde în lumină duce la generarea unui electron, care este atras de o capcană potențială și rămâne „blocat” în ea. Un număr mare de fotoni sau lumină puternică oferă mai multă încărcare capcanei. Apoi trebuie să citiți valoarea încărcăturii rezultate, numită și fotocurent, și apoi să o amplificați.

Citirea fotocurenților elementelor CCD are loc cu așa-numitele registre de deplasare în serie, care convertesc un șir de sarcini la intrare într-o serie de impulsuri la ieșire. Seria creată de impulsuri este un semnal analogic, care este ulterior trimis la amplificator.

Astfel, folosind un registru, este posibilă convertirea sarcinilor unei linii de elemente CCD într-un semnal analogic. În practică, un registru de deplasare serial în matrice CCD este implementat folosind aceleași elemente CCD combinate într-un singur rând. Funcționarea acestui dispozitiv se bazează pe capacitatea dispozitivelor cuplate de încărcare de a schimba încărcăturile potențialelor lor capcane. Acest schimb are loc datorită prezenței electrozilor de transfer specializați (Transfer Gate) localizați între elementele CCD adiacente. Când un potențial crescut este aplicat celui mai apropiat electrod, sarcina „migrează” sub acesta din capcana de potențial. Între doi și patru electrozi de transfer sunt de obicei amplasați între elementele CCD, iar faza registrului de deplasare, numită și bifazată, trifazată sau cu patru faze, depinde de numărul acestora.

Alimentarea cu potențiale diferite către electrozii de transfer este sincronizată astfel încât fluxul de sarcini ale capcanelor de potențial ale tuturor elementelor CCD ale registrului are loc aproape simultan. Deci, într-un ciclu de transfer, elementele CCD transferă încărcături de-a lungul lanțului de la dreapta la stânga sau de la stânga la dreapta. Iar elementul CCD cel mai exterior își dă sarcina amplificatorului situat la ieșirea registrului.

Deci, un registru cu deplasare serial este un dispozitiv cu o ieșire serială și o intrare paralelă. După citirea absolută a tuturor sarcinilor din registru, devine posibil să se aplice o nouă linie la intrarea sa, apoi următoarea, și astfel să se formeze un semnal analogic continuu bazat pe o matrice bidimensională de fotocurenți. Apoi, intrarea paralelă către registrul de deplasare în serie este furnizată de un set de registre de deplasare în serie orientate vertical numit registru de deplasare paralelă, iar întregul ansamblu este un dispozitiv numit matrice CCD.

Ce este o matrice CCD?

Matricea CCD / Dispozitiv cuplat cu încărcare sau matrice CCD / Dispozitiv cuplat cu încărcare este un circuit integrat analog care conține fotodiode fotosensibile din siliciu sau oxid de staniu. Principiul de funcționare al acestui microcircuit se bazează pe tehnologia dispozitivului cuplat cu încărcare (CCD).

Istoria matricei CCD

Dispozitivul cuplat cu încărcare a fost folosit pentru prima dată de George Smith și Willard Boyle la laboratoarele Bell ale celei mai mari corporații americane AT&T Bell Labs în 1969. Ei au efectuat cercetări în domeniul telefoniei video și așa-numita „memorie cu bule de semiconductor”.

Curând, dispozitivele miniaturale au devenit destul de răspândite și au început să fie folosite ca dispozitive de memorie în care încărcarea a fost plasată în registrul de intrare al microcircuitului. După ceva timp, capacitatea unui element de memorie de a primi o încărcare datorită efectului fotoelectric a devenit scopul principal pentru utilizarea dispozitivelor CCD.

Un an mai târziu, în 1970, cercetătorii de la același Laborator au reușit să captureze imagini folosind cele mai simple dispozitive liniare, pe care inginerii Sony le-au adoptat de fapt. Această companie continuă să lucreze activ în domeniul tehnologiilor CCD, investind investiții financiare uriașe în acest domeniu și dezvoltând în orice mod posibil producția de matrice CCD pentru camerele sale video. Apropo, cipul CCD a fost instalat pe piatra funerară a CEO-ului Sony Kazuo Iwama, care a murit în 1982. La urma urmei, el a fost cel care a stat la originile începutului producției în masă a matricelor CCD.

Contribuția inventatorilor matricei CCD nu a trecut neobservată în 2006, Willard Boyle și George Smith au primit un premiu de la Academia Națională de Inginerie din SUA pentru dezvoltarea lor în acest domeniu, iar în 2009 au primit Premiul Nobel pentru Fizică; .

Principiul de funcționare al matricei CCD

Matricea CCD este realizată aproape în întregime din polisiliciu, care a fost inițial separată de substratul de siliciu printr-o membrană specială. Când tensiunea este aplicată membranei prin porți de polisiliciu, potențialele electrice situate în apropierea electrozilor conductori se modifică foarte mult.

Înainte de expunere și aplicarea unei anumite puteri de tensiune la electrozi, toate sarcinile care s-au format anterior sunt resetate și toate elementele sunt transformate într-o stare identică sau originală.

Combinația de tensiuni pe electrozi creează o rezervă de potențial sau așa-numita put, unde electronii se acumulează într-un anumit pixel al matricei în timpul expunerii sub influența razelor de lumină. În funcție de intensitatea fluxului luminos, se determină și volumul de electroni acumulați în puțul de potențial, deci cu cât acesta este mai mare, cu atât va fi mai mare puterea sarcinii finale a unui anumit pixel.

După finalizarea expunerii, în fiecare pixel individual apar modificări succesive ale tensiunii de alimentare a electrozilor, alături de care se observă o distribuție potențială, în urma căreia sarcinile se deplasează într-o direcție dată - către pixelii de ieșire ai matricei CCD.

Compoziția elementelor matricei CCD

În termeni generali, designul unui element CCD poate fi reprezentat ca un substrat de siliciu de tip p echipat cu canale semiconductoare de tip n. Deasupra acestor canale sunt electrozi de siliciu policristalin cu o membrană izolatoare din oxid de siliciu.

După aplicarea unui potențial electric acestor electrozi, apare o capcană de potențial (puț) în zona slăbită sub canalul de tip n. Sarcina sa principală este conservarea electronilor. O particulă de lumină care intră în siliciu provoacă generarea de electroni, care sunt atrași de capcana potențialului și rămân în ea. Un număr mare de fotoni sau lumină puternică asigură o încărcare puternică capcanei, după care este necesar să se calculeze și să se amplifice valoarea încărcării rezultate, pe care experții o numesc fotocurent.

Procesul de citire a fotocurenților elementelor CCD se realizează cu așa-numitele registre de deplasare în serie, care convertesc un șir de sarcini la intrare într-o serie de impulsuri la ieșire. Acest flux de impulsuri este de fapt un semnal analogic care merge la amplificator.

Astfel, încărcările unei linii din elemente CCD pot fi convertite într-un semnal analogic folosind un registru. În practică, registrul de deplasare secvențială în matrice CCD este realizat folosind aceleași elemente CCD construite pe un rând. Mai mult, funcționarea acestui dispozitiv se bazează pe capacitatea dispozitivelor cuplate de încărcare de a schimba încărcăturile potențialelor lor capcane. Acest proces se realizează datorită prezenței electrozilor de transfer specializați, care sunt plasați între elementele CCD adiacente. În momentul în care un potențial crescut este aplicat celui mai apropiat electrod, sarcina trece pe sub acesta din puțul de potențial. În același timp, între elementele CCD se află de obicei doi până la patru electrozi de transfer, al căror număr determină faza registrului de deplasare, numită bifazată, trifazată sau cu patru faze.

Alimentarea cu diferite potențiale la electrozii de transfer este sincronizată în așa fel încât tranziția sarcinilor capcanelor de potențial ale tuturor elementelor CCD ale registrului să fie efectuată aproape simultan. Deci, într-un „pas” de transfer, elementele CCD mută încărcăturile de-a lungul lanțului de la dreapta la stânga sau de la stânga la dreapta. În acest caz, elementul CCD cel mai exterior își dă sarcina amplificatorului, care este situat la ieșirea registrului. Astfel, devine destul de evident că un registru de deplasare serial este un dispozitiv de ieșire în serie, de intrare paralelă.

După ce procesul de citire a absolut toate taxele din registru este finalizat, devine posibil să trimiteți o nouă linie la intrarea sa, apoi alta și așa mai departe. Rezultatul este un semnal analogic continuu bazat pe un flux bidimensional de fotocurenți. După aceea, fluxul de intrare paralel către registrul de deplasare în serie este furnizat de o colecție de registre de deplasare în serie orientate vertical numite registru de deplasare în paralel. Întreaga structură asamblată este tocmai dispozitivul numit astăzi matrice CCD.

Ce este un CCD?

Puțină istorie

Anterior, materialele fotografice erau folosite ca receptori de lumină: plăci fotografice, folie fotografică, hârtie fotografică. Mai târziu, au apărut camerele de televiziune și tuburile fotomultiplicatoare (PMT).
La sfârșitul anilor 60 și începutul anilor 70, așa-numitele „Dispozitive cuplate de încărcare”, prescurtate ca CCD-uri, au început să fie dezvoltate. În engleză arată ca „dispozitive cuplate de încărcare” sau abreviat ca CCD. Principiul din spatele matricelor CCD a fost faptul că siliciul este capabil să răspundă la lumina vizibilă. Și acest fapt a condus la ideea că acest principiu poate fi folosit pentru a obține imagini ale obiectelor luminoase.

Astronomii au fost printre primii care au recunoscut capacitățile extraordinare ale CCD-urilor pentru înregistrarea imaginilor. În 1972, un grup de cercetători de la JPL (Jet Propulsion Laboratory, SUA) a fondat un program de dezvoltare a CCD-urilor pentru cercetarea în astronomie și spațiu. Trei ani mai târziu, împreună cu oamenii de știință de la Universitatea din Arizona, echipa a obținut prima imagine astronomică CCD. O imagine în infraroșu apropiat a lui Uranus folosind un telescop de un metru și jumătate a dezvăluit pete întunecate în apropierea polului sudic al planetei, indicând prezența metanului...

Utilizarea matricelor CCD astăzi și-a găsit o aplicație largă: camere digitale, camere video; A devenit posibil să se integreze o matrice CCD ca o cameră chiar și în telefoanele mobile.

dispozitiv CCD

Un dispozitiv CCD tipic (Fig. 1): pe suprafața semiconductorului există un strat subțire (0,1-0,15 μm) de dielectric (de obicei oxid), pe care sunt amplasate benzi de electrozi conductori (din metal sau siliciu policristalin). Acești electrozi formează un sistem regulat liniar sau matricial, iar distanțele dintre electrozi sunt atât de mici încât efectele influenței reciproce a electrozilor vecini sunt semnificative. Principiul de funcționare al CCD-urilor se bazează pe apariția, stocarea și transmiterea direcțională a pachetelor de sarcină în puțurile de potențial formate în stratul apropiat de suprafață al unui semiconductor atunci când electrozilor li se aplică tensiuni electrice externe.

Orez. 1. Proiectarea de bază a unei matrice CCD.

În fig. 1, simbolurile C1, C2 și C3 indică condensatori MOS (metal-oxid-semiconductor).

Dacă o tensiune pozitivă U este aplicată oricărui electrod, atunci în structura MIS apare un câmp electric, sub influența căruia purtătorii majoritari (găurile) se îndepărtează foarte repede (în câteva picosecunde) de suprafața semiconductorului. Ca rezultat, la suprafață se formează un strat epuizat, a cărui grosime este fracțiuni sau unități de micrometru. Purtătorii minoritari (electroni) generați în stratul de epuizare sub influența unor procese (de exemplu, termice) sau ajungând acolo din regiunile neutre ale semiconductorului sub influența difuziei se vor deplasa (sub influența câmpului) către semiconductor. -interfata izolatoare si sa fie localizata intr-un strat invers ingust. Astfel, la suprafață apare un puț de potențial pentru electroni, în care se rostogolesc din stratul de epuizare sub influența câmpului. Purtătorii majoritari (găuri) generați în stratul de epuizare sunt ejectați în partea neutră a semiconductorului sub influența câmpului.
Într-un interval de timp dat, fiecare pixel este umplut treptat cu electroni proporțional cu cantitatea de lumină care intră în el. La sfârșitul acestui timp, sarcinile electrice acumulate de fiecare pixel sunt transferate pe rând către „ieșirea” dispozitivului și măsurate.

Dimensiunea pixelului fotosensibil al matricelor variază de la unul sau doi până la câteva zeci de microni. Dimensiunea cristalelor de halogenură de argint din stratul fotosensibil al filmului fotografic variază de la 0,1 (emulsii pozitive) la 1 micron (negativ foarte sensibil).

Unul dintre principalii parametri ai matricei este așa-numita eficiență cuantică. Acest nume reflectă eficiența conversiei fotonilor absorbiți (quanta) în fotoelectroni și este similar cu conceptul fotografic de fotosensibilitate. Deoarece energia cuantelor de lumină depinde de culoarea lor (lungimea de undă), este imposibil să se determine fără ambiguitate câți electroni se vor naște într-un pixel de matrice atunci când acesta absoarbe, de exemplu, un flux de o sută de fotoni eterogene. Prin urmare, eficiența cuantică este de obicei dată în pașaportul matricei în funcție de lungimea de undă, iar în anumite părți ale spectrului poate ajunge la 80%. Aceasta este mult mai mult decât cea a emulsiei fotografice sau a ochiului (aproximativ 1%).

Ce tipuri de matrice CCD există?

Dacă pixelii sunt aliniați pe un rând, atunci receptorul se numește matrice CCD, dar dacă suprafața este umplută cu rânduri uniforme, atunci receptorul se numește matrice CCD.

Matricea CCD a avut o gamă largă de aplicații în anii 80 și 90 pentru observații astronomice. A fost suficient să muți imaginea de-a lungul liniei CCD și a apărut pe monitorul computerului. Dar acest proces a fost însoțit de multe dificultăți și, prin urmare, în prezent, matricele CCD sunt din ce în ce mai mult înlocuite cu matrice CCD.

Efecte nedorite

Un efect secundar nedorit al transferului de încărcare pe un CCD care poate interfera cu observațiile sunt dungi verticale luminoase (stâlpi) în locul zonelor luminoase ale unei imagini cu suprafață mică. Posibilele efecte nedorite ale matricelor CCD includ, de asemenea: zgomot întunecat ridicat, prezența pixelilor „orbi” sau „fierbinți”, sensibilitate neuniformă în câmpul matricei. Pentru a reduce zgomotul întunecat, răcirea autonomă a matricelor CCD este utilizată la temperaturi de -20°C și mai mici. Sau este luată o ramă întunecată (de exemplu, cu lentila închisă) cu aceeași durată (expunere) și temperatură precum a fost luată cadrul precedent. Ulterior, un program special de pe computer scade cadrul întunecat din imagine.

Lucrul bun despre camerele de televiziune bazate pe CCD este că pot captura imagini cu până la 25 de cadre pe secundă cu o rezoluție de 752 x 582 pixeli. Dar nepotrivirea unor camere de acest tip pentru observațiile astronomice constă în faptul că în ele producătorul implementează preprocesarea internă a imaginii (a se citi: distorsiune) pentru o mai bună percepție a cadrelor rezultate prin viziune. Aceasta include AGC (ajustarea automată a controlului) și așa-numita. efectul „granițelor ascuțite” și altele.

Progres…

În general, utilizarea receptoarelor CCD este mult mai convenabilă decât utilizarea receptoarelor de lumină non-digitale, deoarece datele primite sunt imediat într-o formă adecvată pentru procesare pe un computer și, în plus, viteza de obținere a cadrelor individuale este foarte mare. mare (de la câteva cadre pe secundă la minute).

În prezent, producția de matrice CCD se dezvoltă și se îmbunătățește rapid. Numărul de „megapixeli” de matrice crește - numărul de pixeli individuali pe unitate de suprafață a matricei. Se îmbunătățește calitatea imaginilor obținute folosind matrice CCD etc.

Surse folosite:
1. 1. Victor Belov. Precizie la zecimi de micron.
2. 2. S.E Guryanov. Faceți cunoștință cu CCD.

Convertoarele fotoelectrice în stare solidă (SPEC) ale imaginilor sunt analoge ale CRT-urilor de transmisie.

TFEC-urile datează din 1970, cu așa-numitele CCD și sunt formate pe baza celulelor individuale, care sunt condensatoare ale structurii MIS sau MOS. Una dintre plăcile unui astfel de condensator elementar este o peliculă metalică M, a doua este un substrat semiconductor P ( p- sau n-conductivitate), dielectricul D este un semiconductor depus sub forma unui strat subtire pe substratul P. Substratul P este siliciu dopat cu acceptor ( p-tip) sau donator ( n-tip) impuritate, iar ca D – oxid de siliciu SiO 2 (vezi Fig. 8.8).

Orez. 8.8. Condensator MOS

Orez. 8.9. Mișcarea sarcinilor sub influența unui câmp electric

Orez. 8.10. Principiul de funcționare al sistemului CCD trifazat

Orez. 8.11. Mișcarea sarcinilor într-un sistem CCD în două faze

Când se aplică tensiune unui electrod metalic, sub acesta se formează un „buzunar” sau un puț de potențial, în care purtătorii minoritari (în cazul nostru, electroni) se pot „acumula”, iar purtătorii majoritari, găurile, vor fi respinși din M. La o anumită distanță de suprafață, concentrația de purtători minoritari poate fi mai mare decât concentrația de purtători majori. În apropierea dielectricului D, în substratul P apare un strat de inversare, în care tipul de conductivitate se schimbă în sens opus.

Pachetul de încărcare din CCD poate fi introdus electric sau folosind generarea de lumină. În timpul generării luminii, procesele fotoelectrice care au loc în siliciu vor duce la acumularea de purtători minoritari în puțurile potențiale. Sarcina acumulată este proporțională cu iluminarea și timpul de acumulare. Transferul direcțional al încărcăturii în CCD este realizat prin plasarea condensatoarelor MOS atât de aproape unul de celălalt încât regiunile lor de epuizare se suprapun și puțurile de potențial sunt conectate. În acest caz, taxa de telefonie mobilă a transportatorilor minoritari se va acumula în locul unde potențialul put este mai adânc.

Lasă o sarcină să se acumuleze sub electrod sub influența luminii U 1 (vezi Fig. 8.9). Dacă acum la electrodul adiacent U 2 aplicați tensiune U 2 >U 1, apoi va apărea o altă gaură potențială în apropiere, mai adâncă ( U 2 >U 1). Între ele va apărea o regiune de câmp electric, iar purtătorii minoritari (electroni) vor deriva (curge) într-un „buzunar” mai adânc (vezi Fig. 8.9). Pentru a elimina bidirecționalitatea în transferul sarcinilor, se utilizează o secvență de electrozi, combinați în grupuri de 3 electrozi (vezi Fig. 8.10).

Dacă, de exemplu, o sarcină s-a acumulat sub electrodul 4 și este necesar să o transferați la dreapta, atunci electrodulului drept 5 se aplică o tensiune mai mare ( U 2 >U 1) și sarcina curge către ea etc.

Aproape întregul set de electrozi este conectat la trei magistrale:

I – 1, 4, 7, …

II – 2, 5, 8, …

III – 3, 6, 9, …

În cazul nostru, tensiunea de „recepție” ( U 2) va fi pe electrozii 2 și 5, dar electrodul 2 este separat de electrodul 4, unde este stocată sarcina, de electrodul 3 (care

U 3 = 0), deci nu va exista nici un flux spre stânga.

Funcționarea CCD în trei cicluri implică prezența a trei electrozi (celule) per element de imagine TV, ceea ce reduce suprafața utilizabilă utilizată de fluxul luminos. Pentru a reduce numărul de celule CCD (electrozi), electrozi metalici și un strat dielectric sunt formați în formă în trepte (vezi Fig. 8.11). Acest lucru permite, atunci când pulsurile de tensiune sunt aplicate electrozilor, să se creeze puțuri de potențial de diferite adâncimi sub diferite părți ale electrozilor. Majoritatea sarcinilor din celula vecină curg în gaura mai adâncă.

Cu un sistem CCD cu două faze, numărul de electrozi (celule) din matrice este redus cu o treime, ceea ce are un efect benefic asupra citirii potențialului relief.

Inițial, CCD-urile au fost propuse pentru a fi utilizate în calcul ca dispozitive de stocare și registre de deplasare. La începutul lanțului s-a plasat o diodă de injecție, introducând o sarcină în sistem, iar la sfârșitul lanțului s-a instalat o diodă de ieșire, de obicei aceasta n-p- sau p-n- tranziții ale structurilor MOS care formează tranzistori cu efect de câmp cu primul și ultimul electrod (celule) ai unui lanț CCD.

Dar curând a devenit clar că CCD-urile sunt foarte sensibile la lumină și, prin urmare, sunt mai bune și mai eficiente de utilizat ca detectoare de lumină, mai degrabă decât ca dispozitive de stocare.

Dacă o matrice CCD este utilizată ca fotodetector, atunci acumularea de încărcare sub unul sau altul electrod poate fi efectuată folosind metoda optică (injecție de lumină). Putem spune că CCD-urile sunt în esență registre de deplasare analogice sensibile la lumină. Astăzi, CCD-urile nu sunt folosite ca dispozitive de stocare (dispozitive de memorie), ci doar ca fotodetectoare. Acestea sunt utilizate în aparate de fax, scanere (matrice CCD) și camere și camere video (matrice CCD). De obicei, camerele TV folosesc așa-numitele cipuri CCD.

Am presupus că 100% din taxe sunt transferate în buzunarul adiacent. Cu toate acestea, în practică trebuie să luăm în calcul pierderile. Una dintre sursele de pierderi sunt „capcanele” care pot captura și reține acuzații pentru o perioadă de timp. Aceste taxe nu au timp să curgă în buzunarul vecin dacă viteza de transmisie este mare.

Al doilea motiv este mecanismul de curgere în sine. În primul moment, transferul de sarcină are loc într-un câmp electric puternic - deriva în interior E. Cu toate acestea, pe măsură ce sarcinile curg, puterea câmpului scade și procesul de derive se estompează, astfel încât ultima porțiune se mișcă din cauza difuziei, de 100 de ori mai lent decât deriva. Așteptarea ultimei porțiuni înseamnă reducerea performanței. Drift asigură mai mult de 90% din transfer. Dar ultimul procent este cel mai important în determinarea pierderilor.

Fie coeficientul de transmisie al unui ciclu de transfer egal cu k= 0,99, presupunând că numărul de cicluri este egal N= 100, determinăm coeficientul total de transmisie:

0,99 100 = 0,366

Devine evident că, cu un număr mare de elemente, chiar și pierderile minore ale unui element devin de mare importanță pentru lanțul în ansamblu.

Prin urmare, problema reducerii numărului de transferuri de taxe în matricea CCD este deosebit de importantă. În acest sens, coeficientul de transfer de sarcină al unei matrice CCD bifazate va fi puțin mai mare decât într-un sistem trifazat.