סוגים של התקני חיוב עם עקרונות העבודה שלהם

המדענים וויליארד בויל וג'ורג 'א. סמית' ממעבדות הפעמון AT&T, ואילו עובדים על מוליכים למחצה זיכרון-bubble תכנן מכשיר, וכינה אותו כ- 'Charge Bubble Device', שיכול לשמש כ- Shift Register.

טעינה של מכשיר מצורף

על פי האופי הבסיסי של המכשיר, יש לו את היכולת להעביר מטען מ קבל אחסון אחד למשנהו, על פני מוליכים למחצה, ועיקרון זה דומה למכשיר ה- Bucket-Brigade (BBD), שהומצא בשנות השישים במעבדות המחקר של פיליפס. בסופו של דבר, מכל פעילויות המחקר הניסיוניות הללו, הומצא מכשיר ה- Charge Coupled (CCD) במעבדות הפעמונים של AT&T בשנת 1969.

טעינת התקן מצורף (CCD)

ניתן להגדיר התקני זיכרון טעינה בדרכים שונות על פי האפליקציה שלשמה הם משמשים או על סמך תכנון המכשיר.

זהו מכשיר המשמש לתנועת מטען חשמלי בתוכו לצורך מניפולציה במטען, הנעשה על ידי שינוי האותות בשלבים בתוך המכשיר בזה אחר זה.

ניתן להתייחס אליו כאל חיישן CCD, המשמש ב- מצלמות דיגיטליות ווידאו לצילום תמונות והקלטת סרטונים באמצעות אפקט פוטואלקטרי. הוא משמש להמרת האור שנתפס לנתונים דיגיטליים, אשר מוקלטים על ידי המצלמה.

ניתן להגדיר זאת כ- מעגל משולב רגיש לאור מוטבע על משטח סיליקון ליצירת אלמנטים רגישים לאור הנקראים פיקסלים, וכל פיקסל הופך למטען חשמלי.

זה מכונה מכשיר זמן נפרד המשמש אות רציף או אנלוגי דגימה בזמנים נפרדים.

סוגי CCD

ישנם CCDs שונים כגון CCDs המכפילים אלקטרונים, CCD מוגבר, CCD העברת מסגרת ו- CCD ערוץ קבור. ניתן להגדיר פשוט CCD כמכשיר העברת מטען. ממציאי ה- CCD, סמית 'ובייל גילו גם CCD עם ביצועים מועשרים מאוד מאשר CCD כללי של ערוץ פני השטח וכללי CCD אחרים, הוא מכונה CCD ערוץ קבור ומשמש בעיקר ליישומים מעשיים.

עקרון העבודה של מכשיר צמוד לטעינה

שכבת האפיטקסיאלית הסיליקונית הפועלת כאזור פוטואקטיבי ואזור העברת רישום משמרות משמשים לצילום תמונות באמצעות CCD.

דרך העדשה מוקרנת תמונה על האזור הפעיל בצילום המורכב ממערך קבלים. לפיכך, המטען החשמלי פרופורציונלי ל- עוצמת האור של צבע פיקסל התמונה בספקטרום הצבעים באותו מיקום נצבר בכל קבלים.

אם התמונה מתגלה על ידי מערך הקבלים הזה, המטען החשמלי שנצבר בכל קבלים מועבר לקבל השכן שלו על ידי ביצוע כ משמר משמרות נשלט על ידי מעגל הבקרה.

עבודה של מכשיר צמוד לטעינה

באיור לעיל, מ- a, b ו- c, העברת חבילות הטעינה מוצגת בהתאם למתח המופעל על מסופי השער. לבסוף, במערך המטען החשמלי של הקבל האחרון מועבר למגבר המטען בו המטען החשמלי מומר למתח. לפיכך, מהפעולה הרציפה של משימות אלה, מטענים שלמים של מערך הקבלים במוליכים למחצה מומרים לרצף של מתח.

רצף המתחים הזה נדגם, ממוחזר דיגיטלי ואז נשמר בזיכרון במקרה של מכשירים דיגיטליים כמו מצלמות דיגיטליות. במקרה של מכשירים אנלוגיים כמו מצלמות וידיאו אנלוגיות, רצף המתח הזה מוזרם למסנן בעל מעבר נמוך כדי לייצר אות אנלוגי רציף, ואז האות מעובד לשידור, הקלטה ולמטרות אחרות. כדי להבין את עקרון המכשיר המצויד במטען והתקן המצויד במטען שעומק לעומק, יש להבין בעיקר את הפרמטרים הבאים.

תהליך העברת תשלום

ניתן להעביר את חבילות הטעינה מתא לתא באמצעות תוכניות רבות בסגנון חטיבת דלי. ישנן טכניקות שונות כגון שני פאזות, שלוש פאזות, ארבע פאזות וכן הלאה. כל תא מורכב מחוטי n שעוברים דרכו בתכנית פאזה n. גובה הבארות הפוטנציאליות נשלט באמצעות כל חוט המחובר לשעון העברה. ניתן לדחוף ולמשוך חבילות טעינה לאורך קו ה- CCD על ידי שינוי גובה הפוטנציאל.

תהליך העברת תשלום

שקול העברת מטען תלת פאזי, באיור לעיל, מוצגים שלושת השעונים (C1, C2 ו- C3) זהים בצורתם אך בשלבים שונים. אם שער B הולך גבוה ושער A נמוך, המטען יעבור מחלל A לחלל B.

אדריכלות של CCD

ניתן להעביר את הפיקסלים דרך הרושמים האנכיים המקבילים או ה- CCD האנכי (V-CCD) והרשמים האופקיים המקבילים או ה- CCD האופקי (H-CCD). ניתן להעביר את המטען או את התמונה באמצעות ארכיטקטורות סריקה שונות כגון קריאת מסגרת מלאה, העברת מסגרת והעברה בין-קווית. ניתן להבין בקלות את עקרון המכשיר המצויד במטען באמצעות תוכניות ההעברה הבאות:

1. קריאה למסגרת מלאה

קריאת מסגרת מלאה

זוהי ארכיטקטורת הסריקה הפשוטה ביותר הדורשת תריס במספר יישומים כדי לנתק את קלט האור ולהימנע ממריחה במהלך מעבר המטענים דרך רושמים אנכיים מקבילים או רושמים CCD אנכיים ואופקיים מקבילים או CCD אופקי ואז מועברים פלט סדרתי.

2. העברת מסגרת

העברת מסגרת

באמצעות תהליך חטיבת הדלי ניתן להעביר את התמונה ממערך תמונות למערך אחסון מסגרות אטום. מכיוון שהוא אינו משתמש בשום רישום סדרתי, זהו תהליך מהיר בהשוואה לתהליכים אחרים.

3. העברה בין-לאומית

העברה בין-לאומית

כל פיקסל מורכב מפוטודיודה ותא אחסון אטום אטום. כפי שמוצג באיור, מטען התמונה מועבר תחילה מ- PD הרגיש לאור ל- V-CCD אטום. העברה זו, שכן התמונה מוסתרת, במחזור העברה אחד מייצרת מריחת תמונה מינימלית ומכאן שניתן להשיג את התריס האופטי המהיר ביותר.

קבלים MOS של CCD

בכל תא CCD יש מוליכים למחצה של תחמוצת מתכת, למרות שקבלים MOS עם ערוץ קבוע וערוץ קבור משמשים לייצור ה- CCD. אבל לעתים קרובות CCD הם מפוברק על מצע מסוג P ומיוצר באמצעות קבלים MOS ערוצים קבורים לשם כך נוצר אזור דק מסוג N על פניו. שכבת סיליקון דו-חמצני גדלה כמבודד בחלקו העליון של אזור N, ושערים נוצרים על ידי הנחת אלקטרודה אחת או יותר על שכבת בידוד זו.

פיקסל CCD

אלקטרונים חופשיים נוצרים מאפקט פוטואלקטרי כאשר הפוטונים פוגעים במשטח הסיליקון, ובגלל הוואקום, נוצר בו זמנית מטען חיובי או החור. במקום לבחור בתהליך קשה של ספירת התנודות התרמיות או החום שנוצר על ידי קומבינציה מחדש של חור ואלקטרון, עדיף לאסוף ולספור אלקטרונים כדי לייצר תמונה. ניתן להשיג זאת על ידי משיכת אלקטרונים הנוצרים על ידי מכה בפוטונים על משטח הסיליקון לעבר האזורים המובהקים המוטים באופן חיובי.

פיקסל CCD

יכול להיות מוגדר קיבולת באר מלאה כמו המספר המרבי של אלקטרונים שניתן להחזיק על ידי כל פיקסל CCD, ובדרך כלל, פיקסל CCD יכול להכיל 10ke עד 500ke, אבל זה תלוי בגודל הפיקסל (ככל שגודל גדול יותר של אלקטרונים יכולים להצטבר).

קירור CCD

קירור CCD

בדרך כלל CCDs עובדים בטמפרטורה נמוכה, וניתן להשתמש באנרגיה תרמית לצורך אלקטרונים לא הולמים מלהיבים לפיקסלים של תמונה שלא ניתן להבדיל בין הפוטו-אלקטרונים של התמונה האמיתית. זה נקרא כתהליך זרם אפל, שמייצר רעש. ניתן להפחית את הדור הנוכחי הכהה הכולל בפעמיים לכל 6 עד 70 קירור עם גבולות מסוימים. ה- CCDs אינם פועלים מתחת ל -1200 ואת הרעש המופק מהזרם החשוך ניתן להסיר על ידי קירורו סביב -1000, על ידי בידוד תרמי בסביבה מפונה. CCD מקוררים לעיתים קרובות באמצעות חנקן נוזלי, קירור תרמו-חשמלי ומשאבות מכניות.

יעילות קוונטית של CCD

קצב ייצור הפוטואלקטרונים תלוי באירוע האור על פני ה- CCD. המרת הפוטונים למטען חשמלי תורמת מגורמים רבים והיא מכונה יעילות קוונטית. זה נמצא בטווח טוב יותר של 25% עד 95% עבור CCDs בהשוואה לטכניקת זיהוי אור אחרת.

יעילות קוונטית של מכשיר מואר קדמי

המכשיר המואר קדמי מייצר אות לאחר שהאור עובר דרך מבנה השער על ידי החלשת הקרינה הנכנסת.

יעילות קוונטית של מכשיר מואר לגב

ה- CCD המואר או מאחור דליל מורכב מעודפי סיליקון בחלקו התחתון של המכשיר, המוטבע באופן המאפשר ללא הגבלה ייצור פוטו-אלקטרונים.

מאמר זה מסתיים בכך בתיאור הקצר של CCD ועיקרון העבודה שלו בהתחשב בפרמטרים שונים כגון ארכיטקטורות סריקת CCD, תהליך העברת טעינה, קבלים MOS של CCD, פיקסל CCD, קירור ויעילות קוונטית של CCD בקצרה. האם אתה מכיר יישומים אופייניים בהם נעשה שימוש תכוף בחיישן CCD? אנא פרסם את הערותיך למטה למידע מפורט אודות עבודה ויישומים של CCD.