ประเภทของอุปกรณ์ชาร์จคู่กับหลักการทำงาน

ลองใช้เครื่องมือของเราเพื่อกำจัดปัญหา





นักวิทยาศาสตร์ Williard Boyle และ George E.Smith จาก AT&T Bell Labs ในขณะที่ ทำงานเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์ - หน่วยความจำฟองออกแบบอุปกรณ์และเรียกมันว่า 'Charge Bubble Device' ซึ่งสามารถใช้เป็น Shift Register ได้

ชาร์จอุปกรณ์คู่

ชาร์จอุปกรณ์คู่



ตามลักษณะพื้นฐานของอุปกรณ์มีความสามารถในการถ่ายโอนประจุจาก ตัวเก็บประจุหนึ่งตัว ถัดไปตามพื้นผิวของเซมิคอนดักเตอร์และหลักการนี้คล้ายกับ Bucket-Brigade Device (BBD) ซึ่งถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1960 ที่ Phillips Research Labs ในที่สุดจากกิจกรรมการวิจัยเชิงทดลองทั้งหมด Charge Coupled Device (CCD) ถูกประดิษฐ์ขึ้นใน AT&T Bell Labs ในปีพ. ศ. 2512


ชาร์จอุปกรณ์คู่ (CCD)

Charge Coupled Devices สามารถกำหนดได้หลายวิธีตามแอพพลิเคชั่นที่ใช้หรือตามการออกแบบของอุปกรณ์



เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าภายในสำหรับการจัดการประจุซึ่งทำได้โดยการเปลี่ยนสัญญาณผ่านขั้นตอนภายในอุปกรณ์ทีละรายการ

สามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์ CCD ซึ่งใช้ในไฟล์ กล้องดิจิตอลและวิดีโอ สำหรับการถ่ายภาพและบันทึกวิดีโอผ่านเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค ใช้สำหรับแปลงแสงที่ถ่ายเป็นข้อมูลดิจิทัลซึ่งบันทึกโดยกล้อง

สามารถกำหนดเป็นไฟล์ วงจรรวมที่ไวต่อแสง ตราตรึงบนพื้นผิวซิลิกอนเพื่อสร้างองค์ประกอบที่ไวต่อแสงที่เรียกว่าพิกเซลและแต่ละพิกเซลจะถูกแปลงเป็นประจุไฟฟ้า


เรียกว่าเป็นอุปกรณ์เวลาไม่ต่อเนื่องที่ใช้สำหรับ สัญญาณต่อเนื่องหรืออนาล็อก สุ่มตัวอย่างในเวลาที่ไม่ต่อเนื่อง

ประเภทของ CCD

มี CCD ที่แตกต่างกันเช่น CCD ที่ทวีคูณอิเล็กตรอน CCD ที่เข้มข้นขึ้น CCD การถ่ายโอนเฟรมและ CCD แบบฝังช่อง CCD สามารถกำหนดได้ง่ายๆว่าเป็นอุปกรณ์ถ่ายโอนค่าธรรมเนียม นักประดิษฐ์ของ CCD, Smith และ Boyle ยังได้ค้นพบ CCD ที่มีประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับ CCD ของ Surface Channel ทั่วไปและ CCD อื่น ๆ ซึ่งเรียกว่า CCD ช่องฝังตัวและส่วนใหญ่ใช้สำหรับการใช้งานจริง

หลักการทำงานของอุปกรณ์คู่ชาร์จ

ชั้น epitaxial ของซิลิกอนที่ทำหน้าที่เป็นบริเวณที่มีการถ่ายภาพและขอบเขตการส่งข้อมูล shift-register ใช้สำหรับการถ่ายภาพโดยใช้ CCD

ผ่านภาพเลนส์จะฉายไปยังบริเวณที่ใช้งานภาพถ่ายซึ่งประกอบด้วยอาร์เรย์ตัวเก็บประจุ ดังนั้นประจุไฟฟ้าจึงเป็นสัดส่วนกับ ความเข้มของแสง ของสีพิกเซลของภาพในสเปกตรัมสี ณ ตำแหน่งนั้นจะถูกสะสมที่ตัวเก็บประจุแต่ละตัว

หากภาพถูกตรวจพบโดยอาร์เรย์ตัวเก็บประจุนี้ประจุไฟฟ้าที่สะสมในตัวเก็บประจุแต่ละตัวจะถูกถ่ายโอนไปยังตัวเก็บประจุเพื่อนบ้านโดยทำหน้าที่เป็น กะลงทะเบียน ควบคุมโดยวงจรควบคุม

การทำงานของอุปกรณ์ชาร์จคู่

การทำงานของอุปกรณ์ชาร์จคู่

ในรูปด้านบนจาก a, b และ c การถ่ายโอนแพ็คเก็ตประจุจะแสดงตามแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับขั้วประตู ในที่สุดในอาร์เรย์ประจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุตัวสุดท้ายจะถูกถ่ายโอนไปยังเครื่องขยายประจุซึ่งประจุไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นจากการทำงานอย่างต่อเนื่องของงานเหล่านี้ประจุทั้งหมดของอาร์เรย์ตัวเก็บประจุในเซมิคอนดักเตอร์จะถูกแปลงเป็นลำดับของแรงดันไฟฟ้า

ลำดับของแรงดันไฟฟ้านี้จะถูกสุ่มตัวอย่างแปลงเป็นดิจิทัลแล้วเก็บไว้ในหน่วยความจำในกรณีของอุปกรณ์ดิจิทัลเช่นกล้องดิจิทัล ในกรณีของอุปกรณ์อนาล็อกเช่นกล้องวิดีโออะนาล็อกลำดับของแรงดันไฟฟ้านี้จะถูกป้อนไปยังตัวกรองความถี่ต่ำเพื่อสร้างสัญญาณแอนะล็อกแบบต่อเนื่องจากนั้นสัญญาณจะถูกประมวลผลเพื่อการส่งบันทึกและเพื่อวัตถุประสงค์อื่น ๆ เพื่อให้เข้าใจหลักการของอุปกรณ์ชาร์จคู่และอุปกรณ์ชาร์จคู่ที่ทำงานในเชิงลึกโดยหลักแล้วจำเป็นต้องเข้าใจพารามิเตอร์ต่อไปนี้

กระบวนการโอนเงิน

สามารถย้ายแพ็คเก็ตการเรียกเก็บเงินจากเซลล์หนึ่งไปอีกเซลล์หนึ่งได้โดยใช้รูปแบบต่างๆในสไตล์ Bucket Brigade มีเทคนิคต่างๆเช่นสองเฟสสามเฟสสี่เฟสและอื่น ๆ ทุกเซลล์ประกอบด้วยสาย n ที่ผ่านในรูปแบบ n เฟส ความสูงของหลุมที่มีศักยภาพจะถูกควบคุมโดยใช้ลวดแต่ละเส้นที่เชื่อมต่อกับนาฬิกาถ่ายโอน สามารถผลักและดึงแพ็คเก็ตชาร์จไปตามแนวของ CCD ได้โดยการเปลี่ยนความสูงของหลุมที่มีศักยภาพ

กระบวนการโอนเงิน

กระบวนการโอนเงิน

พิจารณาการถ่ายโอนประจุแบบสามเฟสในรูปด้านบนนาฬิกาสามตัว (C1, C2 และ C3) ซึ่งมีรูปร่างเหมือนกัน แต่จะแสดงในระยะต่างกัน ถ้าประตู B สูงและประตู A ต่ำประจุจะเคลื่อนจากช่องว่าง A ไปยังช่องว่าง B

สถาปัตยกรรมของ CCD

พิกเซลสามารถถ่ายโอนผ่านรีจิสเตอร์แนวตั้งขนานหรือ CCD แนวตั้ง (V-CCD) และรีจิสเตอร์แนวนอนขนานหรือ CCD แนวนอน (H-CCD) สามารถถ่ายโอนประจุหรือรูปภาพได้โดยใช้สถาปัตยกรรมการสแกนที่แตกต่างกันเช่นการอ่านข้อมูลแบบเต็มเฟรมการถ่ายโอนเฟรมและการถ่ายโอนระหว่างบรรทัด หลักการชาร์จคู่อุปกรณ์สามารถเข้าใจได้ง่ายด้วยรูปแบบการถ่ายโอนต่อไปนี้:

1. การอ่านข้อมูลแบบเต็มเฟรม

การอ่านข้อมูลแบบเต็มเฟรม

การอ่านข้อมูลแบบเต็มเฟรม

เป็นสถาปัตยกรรมการสแกนที่ง่ายที่สุดซึ่งต้องใช้ชัตเตอร์ในแอปพลิเคชั่นจำนวนมากเพื่อตัดแสงที่ป้อนเข้าและเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดรอยเปื้อนในระหว่างการเคลื่อนย้ายของประจุผ่านรีจิสเตอร์แนวตั้งขนานหรือ CCD แนวตั้งและรีจิสเตอร์ขนานแนวนอนหรือ CCD แนวนอนแล้วโอน เอาต์พุตในอนุกรม

2. การถ่ายโอนเฟรม

การถ่ายโอนเฟรม

การถ่ายโอนเฟรม

ด้วยการใช้กระบวนการ bucket brigade ทำให้สามารถถ่ายโอนรูปภาพจากอาร์เรย์รูปภาพไปยังอาร์เรย์จัดเก็บเฟรมทึบแสงได้ เนื่องจากไม่ใช้การลงทะเบียนอนุกรมใด ๆ จึงเป็นกระบวนการที่รวดเร็วเมื่อเทียบกับกระบวนการอื่น ๆ

3. โอนเงินระหว่างประเทศ

โอนเงินระหว่างประเทศ

โอนเงินระหว่างประเทศ

แต่ละพิกเซลประกอบด้วยโฟโตไดโอดและเซลล์เก็บประจุทึบแสง ดังที่แสดงในภาพการชาร์จของภาพจะถูกถ่ายโอนจาก PD ที่ไวต่อแสงไปยัง V-CCD แบบทึบแสงก่อน การถ่ายโอนนี้ในขณะที่ภาพถูกซ่อนอยู่ในรอบการถ่ายโอนหนึ่งรอบจะทำให้เกิดการละเลงภาพขั้นต่ำดังนั้นจึงสามารถใช้ชัตเตอร์แบบออปติคอลที่เร็วที่สุดได้

MOS Capacitor ของ CCD

เซลล์ CCD ทุกเซลล์มีเซมิคอนดักเตอร์ของโลหะออกไซด์แม้ว่าทั้งช่องพื้นผิวและช่องฝังตัวเก็บประจุ MOS จะถูกใช้ในการผลิต CCD แต่ CCD บ่อยครั้งคือ ประดิษฐ์บนวัสดุพิมพ์ชนิด P และผลิตโดยใช้ตัวเก็บประจุ MOS แบบฝังช่องสำหรับพื้นที่ประเภท N บาง ๆ จะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิว ชั้นซิลิกอนไดออกไซด์เติบโตขึ้นเป็นฉนวนที่ด้านบนของพื้นที่ N และประตูเกิดขึ้นจากการวางอิเล็กโทรดอย่างน้อยหนึ่งชิ้นบนชั้นฉนวนนี้

CCD พิกเซล

อิเล็กตรอนอิสระเกิดขึ้นจากเอฟเฟกต์ตาแมวเมื่อโฟตอนกระทบพื้นผิวซิลิกอนและเนื่องจากสูญญากาศพร้อมกันประจุบวกหรือรูจะถูกสร้างขึ้น แทนที่จะเลือกกระบวนการที่ยากลำบากในการนับความผันผวนของความร้อนหรือความร้อนที่เกิดจากการรวมกันของรูและอิเล็กตรอนอีกครั้งขอแนะนำให้รวบรวมและนับอิเล็กตรอนเพื่อสร้างภาพ สิ่งนี้สามารถทำได้โดยการดึงดูดอิเล็กตรอนที่เกิดจากโฟตอนที่โดดเด่นบนพื้นผิวซิลิกอนไปยังบริเวณที่แตกต่างกันที่มีอคติในเชิงบวก

CCD พิกเซล

CCD พิกเซล

ความจุเต็มหลุมสามารถกำหนดเป็นจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดที่สามารถถือได้โดยพิกเซล CCD แต่ละพิกเซลและโดยทั่วไปแล้วพิกเซล CCD สามารถเก็บ 10ke ถึง 500ke ได้ แต่ขึ้นอยู่กับขนาดของพิกเซล (ยิ่งมีขนาดใหญ่เท่าใดอิเล็กตรอนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ถูกสะสม)

CCD คูลลิ่ง

CCD คูลลิ่ง

CCD คูลลิ่ง

โดยทั่วไป CCD จะทำงานที่อุณหภูมิต่ำและสามารถใช้พลังงานความร้อนสำหรับอิเล็กตรอนที่ไม่เหมาะสมที่น่าตื่นเต้นให้กลายเป็นพิกเซลของภาพซึ่งไม่สามารถแตกต่างจากโฟโตอิเล็กตรอนในภาพจริงได้ เรียกว่าเป็นกระบวนการกระแสมืดซึ่งสร้างสัญญาณรบกวน การสร้างกระแสมืดทั้งหมดสามารถลดลงได้สองเท่าสำหรับทุกๆ 6 ถึง 70 ของการระบายความร้อนด้วยขีด จำกัด บางประการ CCD ไม่ทำงานต่ำกว่า -1200 และสัญญาณรบกวนทั้งหมดที่เกิดจากกระแสมืดสามารถลบออกได้โดยการทำให้เย็นลงประมาณ -1000 โดยการแยกความร้อนออกจากสภาพแวดล้อมที่มีการอพยพ CCD มักถูกระบายความร้อนโดยใช้ไนโตรเจนเหลวเครื่องทำความเย็นแบบเทอร์โมไฟฟ้าและปั๊มเชิงกล

ประสิทธิภาพควอนตัมของ CCD

อัตราการสร้างโฟโตอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับแสงตกกระทบบนพื้นผิวของ CCD การแปลงโฟตอนเป็นประจุไฟฟ้านั้นมีสาเหตุมาจากหลายปัจจัยและเรียกว่าประสิทธิภาพเชิงควอนตัม CCD อยู่ในช่วงที่ดีกว่า 25% ถึง 95% เมื่อเทียบกับเทคนิคการตรวจจับแสงอื่น ๆ

ประสิทธิภาพควอนตัมของอุปกรณ์ส่องสว่างด้านหน้า

ประสิทธิภาพควอนตัมของอุปกรณ์ส่องสว่างด้านหน้า

อุปกรณ์ส่องสว่างด้านหน้าจะสร้างสัญญาณหลังจากที่แสงผ่านโครงสร้างประตูโดยลดรังสีที่เข้ามา

ประสิทธิภาพควอนตัมของอุปกรณ์เรืองแสงด้านหลัง

ประสิทธิภาพควอนตัมของอุปกรณ์เรืองแสงด้านหลัง

CCD ที่เรืองแสงด้านหลังหรือด้านหลังบางประกอบด้วยซิลิกอนส่วนเกินที่ด้านล่างของอุปกรณ์ซึ่งมีตราประทับในลักษณะที่อนุญาตให้สร้างโฟโตอิเล็กตรอนได้อย่างไม่ จำกัด

บทความนี้จึงสรุปด้วยคำอธิบายสั้น ๆ ของ CCD และหลักการทำงานโดยพิจารณาจากพารามิเตอร์ต่างๆเช่นสถาปัตยกรรมการสแกน CCD กระบวนการถ่ายโอนประจุตัวเก็บประจุ MOS ของ CCD พิกเซล CCD การระบายความร้อนและประสิทธิภาพควอนตัมของ CCD โดยสังเขป คุณทราบหรือไม่ว่าแอปพลิเคชันทั่วไปที่ใช้เซ็นเซอร์ CCD บ่อยๆ โปรดแสดงความคิดเห็นของคุณด้านล่างสำหรับข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับการทำงานและการใช้งาน CCD