Para saintis Williard Boyle dan George E. Smith dari AT&T Bell Labs, sementara mengusahakan semikonduktor -bubble-memory merancang peranti, dan diistilahkan sebagai ‘Charge Bubble Device’, yang dapat digunakan sebagai Shift Register.
Perisian Gandingan Berpasangan
Mengikut sifat asas peranti, ia mempunyai kemampuan untuk memindahkan caj dari satu kapasitor simpanan ke seterusnya, di sepanjang permukaan semikonduktor, dan prinsip ini mirip dengan Bucket-Brigade Device (BBD), yang diciptakan pada tahun 1960-an di Phillips Research Labs. Akhirnya, dari semua aktiviti penyelidikan eksperimental tersebut, Charge Coupled Device (CCD) diciptakan di AT&T Bell Labs pada tahun 1969.
Perisian Coupled (CCD)
Charge Coupled Devices dapat didefinisikan dengan cara yang berbeza sesuai dengan aplikasi yang digunakan atau berdasarkan reka bentuk peranti.
Ini adalah perangkat yang digunakan untuk pergerakan cas elektrik di dalamnya untuk manipulasi cas, yang dilakukan dengan mengubah isyarat melalui tahap dalam peranti satu per satu.
Ini dapat diperlakukan sebagai sensor CCD, yang digunakan di kamera digital dan video untuk mengambil gambar dan merakam video melalui kesan fotoelektrik. Ini digunakan untuk mengubah cahaya yang ditangkap menjadi data digital, yang direkam oleh kamera.
Ia boleh didefinisikan sebagai litar bersepadu sensitif cahaya dicetak pada permukaan silikon untuk membentuk elemen sensitif cahaya yang disebut piksel, dan setiap piksel diubah menjadi muatan elektrik.
Ia disebut sebagai peranti masa diskrit yang digunakan untuk isyarat berterusan atau analog persampelan pada masa yang diskrit.
Jenis CCD
Terdapat CCD yang berbeza seperti CCD penggandaan elektron, CCD intensif, CCD pemindahan bingkai dan CCD saluran terkubur. CCD hanya boleh didefinisikan sebagai Charge Transfer Device. Pencipta CCD, Smith dan Boyle juga menemui CCD dengan prestasi yang sangat diperkaya daripada CCD Saluran Permukaan umum dan CCD lain yang dikenali sebagai CCD saluran Buried dan sebahagian besarnya digunakan untuk aplikasi praktikal.
Prinsip Kerja Perisian Bercantum
Lapisan epitaksial silikon yang bertindak sebagai kawasan fotoaaktif dan kawasan transmisi peralihan-daftar digunakan untuk menangkap gambar menggunakan CCD.
Melalui lensa gambar diproyeksikan ke kawasan aktif foto yang terdiri daripada array kapasitor. Oleh itu, cas elektrik berkadar dengan intensiti cahaya warna piksel gambar dalam spektrum warna di lokasi tersebut terkumpul pada setiap kapasitor.
Sekiranya gambar dikesan oleh array kapasitor ini, maka muatan elektrik yang terkumpul di setiap kapasitor dipindahkan ke kapasitor tetangganya dengan melakukan sebagai daftar syif dikawal oleh litar kawalan.
Mengendalikan Perisian Berpasangan Caj
Pada rajah di atas, dari a, b dan c, pemindahan paket cas ditunjukkan mengikut voltan yang dikenakan pada terminal gerbang. Akhirnya, dalam array muatan elektrik kapasitor terakhir dipindahkan ke penguat cas di mana cas elektrik ditukar menjadi voltan. Oleh itu, dari operasi berterusan tugas-tugas ini, keseluruhan cas array kapasitor dalam semikonduktor diubah menjadi urutan voltan.
Urutan voltan ini diambil sampel, didigitalkan dan kemudian disimpan dalam memori sekiranya terdapat peranti digital seperti kamera digital. Sekiranya peranti analog seperti kamera video analog, urutan voltan ini dimasukkan ke penapis lulus rendah untuk menghasilkan isyarat analog berterusan, dan kemudian isyarat diproses untuk penghantaran, rakaman dan untuk tujuan lain. Untuk memahami prinsip peranti gandingan cas dan peranti gandingan cas berfungsi secara mendalam, terutamanya parameter berikut perlu difahami.
Proses Pemindahan Caj
Paket cas dapat dipindahkan dari sel ke sel dengan menggunakan banyak skema dalam gaya Bucket Brigade. Terdapat pelbagai teknik seperti dua fasa, tiga fasa, empat fasa, dan sebagainya. Setiap sel terdiri daripada kabel n yang melaluinya dalam skema fasa-n. Ketinggian sumur berpotensi dikendalikan dengan menggunakan setiap wayar yang disambungkan ke jam pemindahan. Paket cas boleh didorong dan ditarik sepanjang garis CCD dengan mengubah ketinggian sumur berpotensi.
Proses Pemindahan Caj
Pertimbangkan pemindahan caj tiga fasa, dalam gambar di atas, tiga jam (C1, C2 dan C3) yang sama bentuk tetapi dalam fasa yang berbeza ditunjukkan. Sekiranya pintu B naik tinggi dan pintu A rendah, maka cas akan bergerak dari ruang A ke ruang B.
Senibina CCD
Piksel boleh dipindahkan melalui register menegak selari atau CCD menegak (V-CCD) dan register mendatar selari atau CCD mendatar (H-CCD). Bayaran atau gambar boleh dipindahkan menggunakan seni bina imbasan yang berbeza seperti pembacaan bingkai penuh, pemindahan bingkai dan pemindahan antara talian. Prinsip peranti berpasangan boleh difahami dengan mudah dengan skema pemindahan berikut:
1. Bacaan Rangka Penuh
Bacaan Bingkai Penuh
Ini adalah seni bina pengimbasan termudah yang memerlukan pengatup dalam sejumlah aplikasi untuk memotong input cahaya dan untuk mengelakkan smear semasa berlakunya cas melalui register selari-menegak atau CCD menegak dan register selari-mendatar atau CCD mendatar dan kemudian dipindahkan ke keluaran secara bersiri.
2. Pemindahan Rangka
Pemindahan Rangka
Dengan menggunakan proses bucket brigade gambar dapat dipindahkan dari array gambar ke array penyimpanan bingkai legap. Oleh kerana ia tidak menggunakan daftar siri, ini adalah proses yang cepat dibandingkan dengan proses lain.
3. Pemindahan talian
Pemindahan Talian Talian
Setiap piksel terdiri daripada sel penyimpanan cas fotodiod dan legap. Seperti yang ditunjukkan dalam gambar, caj gambar pertama kali dipindahkan dari PD sensitif cahaya ke V-CCD legap. Pemindahan ini, kerana gambar disembunyikan, dalam satu kitaran pemindahan menghasilkan smear gambar minimum, oleh itu, shuttering optik terpantas dapat dicapai.
Kapasitor MOS CCD
Setiap sel CCD mempunyai semikonduktor oksida logam, walaupun kedua-dua saluran permukaan dan kapasitor MOS saluran terkubur digunakan dalam pembuatan CCD. Tetapi selalunya CCD adalah dibuat pada substrat jenis-P dan dihasilkan dengan menggunakan kapasitor MOS saluran terkubur untuk ini kawasan tipis N terbentuk di permukaannya. Lapisan silikon dioksida ditanam sebagai penebat di bahagian atas wilayah-N, dan gerbang dibentuk dengan meletakkan satu atau lebih elektrod pada lapisan penebat ini.
Pixel CCD
Elektron bebas terbentuk dari kesan fotolistrik ketika foton menyerang permukaan silikon, dan kerana vakum, secara bersamaan, cas positif atau lubang akan dihasilkan. Daripada memilih proses yang sukar untuk mengira turun naik terma atau haba yang terbentuk oleh penggabungan lubang dan elektron, lebih disukai untuk mengumpulkan dan mengira elektron untuk menghasilkan gambar. Ini dapat dicapai dengan menarik elektron yang dihasilkan dengan memukul foton pada permukaan silikon ke arah kawasan yang berlainan positif.
Pixel CCD
Kapasiti telaga penuh dapat didefinisikan sebagai jumlah maksimum elektron yang dapat dipegang oleh setiap piksel CCD dan, biasanya, piksel CCD dapat menahan 10ke hingga 500ke, tetapi bergantung pada ukuran piksel (semakin besar ukuran lebih banyak elektron dapat terkumpul).
Penyejukan CCD
Penyejukan CCD
Umumnya CCD berfungsi pada suhu rendah, dan tenaga haba dapat digunakan untuk elektron yang tidak sesuai menjadi piksel gambar yang tidak dapat dibezakan dari elektron gambar nyata. Ia disebut sebagai proses arus gelap, yang menghasilkan kebisingan. Jumlah generasi arus gelap dapat dikurangkan dua kali untuk setiap 6 hingga 70 penyejukan dengan had tertentu. CCD tidak berfungsi di bawah -1200 dan jumlah bunyi yang dihasilkan dari arus gelap dapat dikeluarkan dengan menyejukkannya sekitar -1000, dengan mengasingkannya secara termal di persekitaran yang dipindahkan. CCD sering disejukkan dengan menggunakan nitrogen cair, pendingin termo-elektrik dan pam mekanikal.
Kecekapan Kuantum CCD
Kadar penghasilan fotoelektron bergantung kepada kejadian cahaya di permukaan CCD. Penukaran foton menjadi cas elektrik disumbangkan oleh banyak faktor dan diistilahkan sebagai Kecekapan Kuantum. Ini berada dalam julat 25% hingga 95% yang lebih baik untuk CCD berbanding dengan teknik pengesanan cahaya yang lain.
Kecekapan Kuantum Peranti Bercahaya Depan
Peranti yang diterangi depan menghasilkan isyarat setelah cahaya melewati struktur gerbang dengan mengurangkan radiasi yang masuk.
Kecekapan Kuantum Peranti Bercahaya Belakang
CCD back-illuminated atau back-thin terdiri daripada silikon yang berlebihan di bahagian bawah peranti, yang dicetak dengan cara yang membolehkan pembatasan fotolistron tanpa had.
Oleh itu, artikel ini diakhiri dengan penerangan ringkas mengenai CCD dan prinsip kerjanya dengan mempertimbangkan parameter yang berbeza seperti arkitek pengimbasan CCD, proses pemindahan caj, kapasitor MOS CCD, piksel CCD, penyejukan dan kecekapan kuantum CCD secara ringkas. Adakah anda tahu aplikasi biasa di mana sensor CCD sering digunakan? Sila hantarkan komen anda di bawah untuk maklumat terperinci mengenai kerja dan aplikasi CCD.
