Các nhà khoa học Williard Boyle và George E. Smith từ AT&T Bell Labs, trong khi làm việc trên chất bán dẫn -bubble-memory đã thiết kế một thiết bị và gọi nó là 'Charge Bubble Device', có thể được sử dụng như một Shift Register.
Sạc thiết bị kết hợp
Theo bản chất cơ bản của thiết bị, nó có khả năng chuyển điện tích từ một tụ điện lưu trữ tiếp theo, dọc theo bề mặt của chất bán dẫn, và nguyên tắc này tương tự như Thiết bị Lữ đoàn Xô (BBD), được phát minh vào những năm 1960 tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Phillips. Cuối cùng, từ tất cả các hoạt động nghiên cứu thử nghiệm như vậy, Thiết bị ghép nối sạc (CCD) được phát minh tại AT&T Bell Labs vào năm 1969.
Sạc thiết bị ghép nối (CCD)
Charge Coupled Devices có thể được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau tùy theo ứng dụng mà chúng được sử dụng hoặc dựa trên thiết kế của thiết bị.
Nó là một thiết bị được sử dụng cho sự chuyển động của điện tích bên trong nó để điều khiển điện tích, được thực hiện bằng cách thay đổi các tín hiệu qua các giai đoạn trong thiết bị tại một thời điểm.
Nó có thể được coi là cảm biến CCD, được sử dụng trong máy ảnh kỹ thuật số và video để chụp ảnh và quay video thông qua hiệu ứng quang điện. Nó được sử dụng để chuyển đổi ánh sáng thu được thành dữ liệu kỹ thuật số, được máy ảnh ghi lại.
Nó có thể được định nghĩa là mạch tích hợp nhạy sáng được in trên bề mặt silicon để tạo thành các phần tử nhạy sáng được gọi là pixel, và mỗi pixel được chuyển thành điện tích.
Nó được gọi là một thiết bị thời gian rời rạc được sử dụng để tín hiệu liên tục hoặc tương tự lấy mẫu tại các thời điểm rời rạc.
Các loại CCD
Có các CCD khác nhau như CCD nhân electron, CCD tăng cường, CCD chuyển khung và CCD kênh chôn. CCD có thể được định nghĩa một cách đơn giản là Thiết bị truyền phí. Các nhà phát minh ra CCD, Smith và Boyle cũng đã phát hiện ra CCD với hiệu suất phong phú hơn rất nhiều so với CCD Kênh bề mặt nói chung và các CCD khác mà nó được gọi là CCD kênh chôn và chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng thực tế.
Nguyên tắc hoạt động của thiết bị ghép nối sạc
Lớp biểu mô silicon hoạt động như một vùng quang hoạt và một vùng truyền thanh ghi dịch chuyển được sử dụng để chụp ảnh bằng CCD.
Qua thấu kính, hình ảnh được chiếu lên vùng hoạt động của ảnh gồm dãy tụ điện. Do đó, điện tích tỷ lệ với cường độ sáng của màu pixel ảnh trong phổ màu tại vị trí đó được tích lũy ở mỗi tụ điện.
Nếu hình ảnh được phát hiện bởi dãy tụ điện này, thì điện tích tích lũy trong mỗi tụ điện được chuyển sang tụ điện lân cận của nó bằng cách biểu diễn như đăng kí ca được điều khiển bởi mạch điều khiển.
Hoạt động của thiết bị kết hợp phí
Trong hình trên, từ a, b và c, việc chuyển các gói điện tích được hiển thị theo điện áp đặt vào các đầu cuối cổng. Cuối cùng, trong dãy điện tích của tụ điện cuối cùng được chuyển vào bộ khuếch đại điện tích, trong đó điện tích được biến đổi thành điện áp. Do đó, từ hoạt động liên tục của các nhiệm vụ này, toàn bộ điện tích của dãy tụ điện trong chất bán dẫn được chuyển thành một chuỗi điện áp.
Chuỗi điện áp này được lấy mẫu, số hóa và sau đó được lưu trữ trong bộ nhớ trong trường hợp thiết bị kỹ thuật số như máy ảnh kỹ thuật số. Trong trường hợp các thiết bị tương tự như máy quay video tương tự, chuỗi điện áp này được đưa đến bộ lọc thông thấp để tạo ra tín hiệu tương tự liên tục, sau đó tín hiệu được xử lý để truyền, ghi và cho các mục đích khác. Để hiểu nguyên lý thiết bị ghép điện tích và thiết bị ghép điện tích hoạt động chuyên sâu, chủ yếu cần hiểu các thông số sau.
Quy trình chuyển phí
Các gói cước có thể được di chuyển từ ô này sang ô khác bằng cách sử dụng nhiều lược đồ theo kiểu Bucket Brigade. Có nhiều kỹ thuật khác nhau như hai pha, ba pha, bốn pha, v.v. Mỗi tế bào bao gồm n dây đi qua nó trong sơ đồ n pha. Chiều cao của giếng tiềm năng được kiểm soát bằng cách sử dụng từng dây kết nối với đồng hồ chuyển giao. Các gói cước có thể được đẩy và kéo dọc theo dòng của CCD bằng cách thay đổi độ cao của giếng tiềm năng.
Quy trình chuyển phí
Xét sự truyền điện tích ba pha, trong hình trên, ba đồng hồ (C1, C2 và C3) có hình dạng giống hệt nhau nhưng ở các pha khác nhau được biểu diễn. Nếu cổng B lên cao và cổng A đi thấp, thì điện tích sẽ chuyển từ không gian A sang không gian B.
Kiến trúc của CCD
Các pixel có thể được chuyển qua các thanh ghi dọc song song hoặc CCD dọc (V-CCD) và thanh ghi ngang song song hoặc CCD ngang (H-CCD). Phí hoặc hình ảnh có thể được chuyển bằng cách sử dụng các kiến trúc quét khác nhau như đọc toàn bộ khung hình, truyền khung hình và truyền liên dòng. Nguyên tắc thiết bị kết hợp phí có thể dễ hiểu với các sơ đồ chuyển sau:
1. Đọc toàn khung hình
Đọc toàn khung hình
Đây là kiến trúc quét đơn giản nhất yêu cầu màn trập trong một số ứng dụng để cắt đầu vào ánh sáng và tránh làm mờ trong quá trình truyền điện tích qua các thanh ghi dọc song song hoặc CCD dọc và thanh ghi ngang song song hoặc CCD ngang và sau đó được chuyển sang đầu ra nối tiếp.
2. Chuyển khung
Chuyển khung
Bằng cách sử dụng quy trình bucket brigade, hình ảnh có thể được chuyển từ mảng ảnh sang mảng lưu trữ khung mờ. Vì nó không sử dụng bất kỳ thanh ghi nối tiếp nào nên nó là một quá trình nhanh so với các quá trình khác.
3. Chuyển tiền liên tuyến
Chuyển tiền liên tuyến
Mỗi pixel bao gồm một photodiode và ô lưu trữ điện tích mờ đục. Như trong hình, lần đầu tiên điện tích hình ảnh được chuyển từ PD nhạy sáng sang V-CCD mờ đục. Quá trình truyền này, vì hình ảnh bị ẩn, trong một chu kỳ truyền sẽ tạo ra vết nhòe hình ảnh tối thiểu, do đó, có thể đạt được hiệu ứng chớp quang học nhanh nhất.
Tụ điện MOS của CCD
Mỗi tế bào CCD đều có chất bán dẫn oxit kim loại, mặc dù cả tụ điện MOS kênh bề mặt và kênh chôn lấp đều được sử dụng trong sản xuất CCD. Nhưng CCD thường là được chế tạo trên chất nền loại P và được sản xuất bằng cách sử dụng các tụ điện MOS kênh chôn lấp cho vùng này một vùng loại N mỏng được hình thành trên bề mặt của nó. Một lớp silicon dioxide được phát triển như một chất cách điện trên đỉnh của vùng N, và các cổng được hình thành bằng cách đặt một hoặc nhiều điện cực trên lớp cách điện này.
CCD Pixel
Các electron tự do được hình thành từ hiệu ứng quang điện khi các photon va chạm vào bề mặt silicon, và do chân không, đồng thời, điện tích dương hoặc lỗ trống sẽ được tạo ra. Thay vì chọn quy trình khó đếm các dao động nhiệt hoặc nhiệt được hình thành do sự kết hợp lại của lỗ trống và điện tử, người ta ưu tiên thu thập và đếm các điện tử để tạo ra hình ảnh. Điều này có thể đạt được bằng cách thu hút các điện tử được tạo ra bởi các photon nổi bật trên bề mặt silicon về phía các khu vực khác biệt có phân cực dương.
CCD Pixel
Dung lượng giếng đầy đủ có thể được định nghĩa là số lượng electron tối đa có thể được giữ bởi mỗi pixel CCD và, thông thường, một pixel CCD có thể chứa 10ke đến 500ke, nhưng nó phụ thuộc vào kích thước của pixel (kích thước càng lớn thì càng nhiều electron có thể được tích lũy).
Làm mát bằng CCD
Làm mát bằng CCD
Nói chung, CCD hoạt động ở nhiệt độ thấp và năng lượng nhiệt có thể được sử dụng để kích thích các điện tử không thích hợp thành các pixel hình ảnh mà không thể phân biệt được với quang điện tử hình ảnh thực. Nó được gọi là quá trình dòng điện tối, tạo ra tiếng ồn. Tổng dòng điện tối có thể được giảm hai lần cho mỗi 6 đến 70 lần làm mát với các giới hạn nhất định. Các CCD không hoạt động dưới -1200 và tổng tiếng ồn tạo ra từ dòng điện tối có thể được loại bỏ bằng cách làm mát nó xung quanh -1000, bằng cách cách ly nhiệt trong môi trường sơ tán. CCD thường được làm mát bằng cách sử dụng nitơ lỏng, bộ làm mát nhiệt điện và máy bơm cơ học.
Hiệu quả lượng tử của CCD
Tốc độ tạo ra quang điện tử phụ thuộc vào ánh sáng tới trên bề mặt của CCD. Sự chuyển đổi của các photon thành điện tích do nhiều yếu tố đóng góp và được gọi là Hiệu suất lượng tử. Nó nằm trong khoảng tốt hơn từ 25% đến 95% đối với CCD so với kỹ thuật phát hiện ánh sáng khác.
Hiệu quả lượng tử của thiết bị chiếu sáng phía trước
Thiết bị chiếu sáng phía trước tạo ra tín hiệu sau khi ánh sáng đi qua cấu trúc cổng bằng cách làm suy giảm bức xạ tới.
Hiệu quả lượng tử của thiết bị chiếu sáng sau
CCD được chiếu sáng sau hoặc được làm mỏng ở mặt sau bao gồm silicon dư thừa ở mặt dưới của thiết bị, được in chìm theo cách cho phép tạo ra các quang điện tử một cách không giới hạn.
Do đó, bài viết này kết thúc với phần mô tả ngắn gọn về CCD và nguyên lý hoạt động của nó khi xem xét các thông số khác nhau như kiến trúc quét CCD, quá trình truyền phí, tụ điện MOS của CCD, pixel CCD, tóm tắt làm mát và hiệu suất lượng tử của CCD. Bạn có biết những ứng dụng tiêu biểu mà cảm biến CCD đang được sử dụng thường xuyên không? Vui lòng gửi bình luận của bạn bên dưới để biết thông tin chi tiết về cách làm việc và ứng dụng của CCD.
