| CCD (Şarj bağlantılı cihaz) veya CCD matrisi(İngilizcede. Şarj Bağlantılı Cihaz), silikon veya kalay oksit bazında yapılan ışığa duyarlı fotodiyotları içeren analog bir entegre devredir. Bu çip, CCD (Charge Coupled Device) teknolojisini kullanır.

CCD'nin Tarihçesi

İlk CCD 1969'da George Smith ve Willard Boyle tarafından Amerika Birleşik Devletleri'ndeki AT&T Bell Laboratuarlarında geliştirildi. Görüntülü telefon (Resimli Telefon) alanında gelişmeler yapıldı ve o dönemdeki gerçek olan “yarı iletken kabarcık hafızası”nın (Yarı İletken Kabarcık Hafızası) gelişimi gerçekleşti. Kısa süre sonra, şarj bağlantılı cihazlar, bir mikro devrenin giriş kaydına bir şarjın yerleştirilebileceği bellek cihazları olarak kullanılmaya başlandı. Ancak daha sonra, cihazın hafıza elemanının fotoelektrik etki nedeniyle şarj alabilmesi, CCD cihazlarının kullanımını ana hale getirdi.

1970 yılında Bell Lab araştırmacıları, en basit doğrusal cihazları kullanarak görüntülerin nasıl çekileceğini öğrendi.

Kısa süre sonra, Kazuo Iwama'nın önderliğinde Sony, CCD teknolojilerini aktif olarak geliştirmeye ve bunlarla ilgilenmeye başladı, buna büyük fonlar yatırdı ve video kameraları için CCD matrislerini toplu olarak üretmeyi başardı.

Kazuo Iwama, Ağustos 1982'de vefat etti. Katkılarını anmak için mezar taşına bir CCD çipi yerleştirildi.

2006'da Willard Boyle ve George Smith, CCD üzerindeki çalışmaları nedeniyle ABD Ulusal Mühendislik Akademisi'ne layık görüldü.

Daha sonra, 2009'da yaratıcılara Nobel Fizik Ödülü verildi.

CCD matrisinin çalışma prensibi

CCD matrisi esas olarak, silikon substrattan bir membranla ayrılan polisilikondan oluşur; burada, polisilikon kapılardan besleme voltajı uygulandığında, iletken elektrotların yakınındaki elektrik potansiyelleri büyük ölçüde değişir.

Elektrotlara belirli bir voltaj kombinasyonunu maruz bırakmadan ve uygulamadan önce, daha önce oluşan tüm yükler sıfırlanır ve tüm elemanlar aynı veya orijinal duruma dönüştürülür.

Daha sonra elektrotlar üzerindeki voltajların kombinasyonu, maruz kalma sırasında ışık ışınlarına maruz kalmanın bir sonucu olarak matrisin belirli bir pikselinde oluşan elektronları biriktirmek için potansiyel bir rezerv veya kuyu oluşturur. Pozlama sırasında ışık akısının gücü ne kadar yoğun olursa, potansiyel kuyusunda sırasıyla elektron stoğu ne kadar fazla birikirse, belirli bir pikselin son yükünün gücü o kadar yüksek olur.

Maruziyetten sonra, elektrotlar üzerindeki besleme geriliminde ardışık değişiklikler her bir pikselde oluşur ve onun yanında bir potansiyel dağılımı meydana gelir, bu da CCD matrisinin çıkış piksellerine belirli bir yönde bir yük akışına yol açar.

n-tipi cepli bir CCD piksel örneği

Not: Her üreticinin kendi alt piksel mimarisi vardır.

Diyagramdaki CCD piksel tanımları:

1 - Kamera merceğinden geçen ışık parçacıkları (fotonlar);
2 - Alt piksel mikrolensleri;
3 - Kırmızı alt piksel filtresi (Bayer filtresinin bir parçasıdır);
4 - Kalay oksit veya polikristal silikondan yapılmış ışık ileten elektrot;
5 - İzolatör (silikon oksitten oluşur);
6 - Özel n-tipi silikon kanal. Dahili fotoelektrik etki bölgesi (taşıyıcı üretim bölgesi);
7 - Olası stok veya çukur bölgesi (n-tipi cep). Taşıyıcı üretim bölgesinden elektronların toplandığı yer;
8 - p tipi silikon substrat.

Tam kare CCD aktarımı

Tamamen lens tarafından oluşturulan video görüntüsü CCD matrisine düşer, yani ışık ışınları CCD elemanlarının ışığa duyarlı yüzeyine düşer, amacı parçacıkların (fotonların) enerjisini bir enerjiye dönüştürmektir. elektrik şarjı.
Bu süreç şu şekilde ilerler.
Bir CCD elemanına çarpan bir foton için, olayların gelişimi için üç senaryo vardır - ya yüzeyden "uçar" ya da yarı iletkenin kalınlığı (matris malzeme bileşimi) tarafından emilir ya da yüzeyini kırar. . Bu nedenle geliştiricilerin, yansıma ve absorpsiyon kayıplarının en aza indirileceği böyle bir sensör oluşturmaları gerekmektedir. CCD matrisi tarafından absorbe edilen aynı parçacıklar, yarı iletkenin kristal kafesinin bir atomu ile zayıf bir etkileşim varsa veya etkileşim donör veya alıcı safsızlıkların atomları ile ise bir elektron deliği çifti oluşturur. Yukarıdaki olayların her ikisine de dahili fotoelektrik etki denir. Ancak, sensörün çalışması dahili fotoelektrik etki ile sınırlı değildir - asıl şey, yarı iletkenden "alınan" yük taşıyıcıları özel bir depoda saklamak ve sonra onları saymaktır.

CCD matrisinin elemanlarının yapısı

Genel olarak, bir CCD elemanının tasarımı şuna benzer: p-tipi bir silikon substrat, n-tipi bir yarı iletkenden kanallarla sağlanır. Bu kanalların üzerine yalıtkan silikon oksit membranlı polikristal silikon elektrotlar yerleştirilir. Bu elektrota bir elektrik potansiyeli uygulandıktan sonra, görevi elektronları kurtarmak olan n-tipi kanalın altındaki zayıflamış bölgede bir potansiyel tuzak (kuyu) oluşturulur. Silikona nüfuz eden bir ışık parçacığı, potansiyel bir tuzak tarafından çekilen ve içinde "sıkışan" bir elektronun oluşumuna yol açar. Çok sayıda foton veya parlak ışık, tuzağa daha fazla yük sağlar. Ardından, fotoakım olarak da adlandırılan alınan yükün değerini okumanız ve ardından yükseltmeniz gerekir.

CCD elemanlarının fotoakımlarının okunması, girişteki bir dizi yükü çıkışta bir pals dizisine dönüştüren, sözde seri kaydırma yazmaçları ile gerçekleşir. Oluşturulan darbe serisi, daha sonra amplifikatöre beslenen analog sinyaldir.

Böylece, bir kayıt yardımıyla, bir dizi CCD elemanının yüklerini bir analog sinyale dönüştürmek mümkündür. Uygulamada, bir satırda birleştirilmiş aynı CCD elemanları kullanılarak CCD matrislerinde bir seri kaydırma yazmacı uygulanır. Bu cihazın çalışması, şarj bağlantılı cihazların potansiyel tuzaklarının yüklerini değiş tokuş etme yeteneğine dayanmaktadır. Bu değişim, bitişik CCD elemanları arasında bulunan özel transfer elektrotlarının (İngiliz Transfer Kapısına göre) mevcudiyeti nedeniyle gerçekleşir. En yakın elektrota artan bir potansiyel uygulandığında, yük, potansiyel tuzağından onun altına “göç eder”. CCD elemanları arasında genellikle iki ila dört transfer elektrotu vardır ve transfer elektrotlarının sayısı, iki fazlı, üç fazlı veya dört fazlı olarak da adlandırılan kaydırma yazmacının fazını belirler.

Transfer elektrotlarına farklı potansiyellerin beslenmesi senkronize edilir, böylece yazmacın tüm CCD elemanlarının potansiyel tuzaklarının yükleri neredeyse aynı anda üzerinden geçer. Böylece bir transfer döngüsünde, CCD elemanları zincir boyunca yükleri sağdan sola veya soldan sağa aktarır. Ve aşırı CCD elemanı, şarjını kaydın çıkışında bulunan amplifikatöre verir.

Bu nedenle, bir seri kaydırma yazmacı, seri çıkışlı ve paralel girişli bir cihazdır. Kayıttan tüm yükleri kesinlikle okuduktan sonra, girişine yeni bir satır, ardından bir sonraki satıra uygulamak ve böylece iki boyutlu bir fotoakım dizisine dayalı sürekli bir analog sinyal oluşturmak mümkün hale gelir. Ardından, seri kaydırma yazmacı için giriş paralel akışı, paralel kaydırma yazmacı olarak adlandırılan bir dizi dikey olarak yönlendirilmiş seri kaydırma yazmacı tarafından sağlanır ve tüm montaj sadece bir CCD matrisi adı verilen bir cihazdır.

Görüntülerin katı hal fotoelektrik dönüştürücüleri (SFEC'ler), CRT'lerin iletilmesinin analoglarıdır.

TFEC'ler, CCD'ler olarak adlandırılan 1970 yılına kadar uzanır ve MIS veya MOS kapasitörleri olan bireysel hücreler temelinde oluşturulur. Böyle bir temel kapasitörün plakalarından biri bir metal film M'dir, ikincisi ise bir yarı iletken substrat P'dir ( p- veya n-iletkenlik), dielektrik D, substrat P üzerine ince bir tabaka şeklinde bırakılan bir yarı iletkendir. Bir alıcı ile katkılı silikon ( p-tip) veya bağışçı ( n-tipi) kirlilik ve D olarak - silikon oksit SiO 2 (bkz. şek.8.8).

Pirinç. 8.8. MOS Kapasitör

Pirinç. 8.9. Elektrik alanın etkisi altında yüklerin hareketi

Pirinç. 8.10.Üç Fazlı CCD Sisteminin Çalışma Prensibi

Pirinç. 8.11.İki fazlı bir CCD sisteminde yüklerin hareketi

Bir metal elektrota voltaj uygulandığında, altında küçük taşıyıcıların (bizim durumumuzda elektronların) "birikebileceği" bir "cep" veya potansiyel bir kuyu oluşur ve çoğunluk taşıyıcılar, delikler itilir. M. Yüzeyden belirli bir uzaklıkta, küçük taşıyıcıların konsantrasyonu, ana taşıyıcıların konsantrasyonundan daha yüksek olabilir. P substratındaki dielektrik D'nin yakınında, iletkenlik tipinin tersine değiştiği bir inversiyon tabakası ortaya çıkar.

CCD'deki şarj paketi, elektriksel olarak veya ışık üretimi yoluyla verilebilir. Işık üretimi sırasında, silikonda meydana gelen fotoelektrik süreçler, potansiyel kuyularda azınlık taşıyıcıların birikmesine yol açacaktır. Biriken şarj, aydınlatma ve birikim süresi ile orantılıdır.. Bir CCD'de yönlü yük transferi, MOS kapasitörlerini, tükenme bölgeleri örtüşecek ve potansiyel kuyuları birbirine bağlayacak şekilde birbirine yakın yerleştirilerek sağlanır. Bu durumda azınlık taşıyıcılarının mobil yükü, potansiyel kuyunun daha derin olduğu yerde birikecektir.

Elektrot altında biriken ışık yükünün etkisi altında bırakın sen 1 (bkz. Şekil 8.9). Şimdi bitişik elektrotta ise sen 2 voltaj uygula sen 2 > U 1 , daha sonra yakınlarda, daha derinde başka bir potansiyel kuyu görünecektir ( sen 2 > U bir). Aralarında bir elektrik alan bölgesi belirecek ve azınlık taşıyıcılar (elektronlar) daha derin bir "cebe" sürüklenecek (akacaktır) (bakınız Şekil 8.9). Yük transferindeki çift yönlülüğü ortadan kaldırmak için, 3 elektrotlu gruplar halinde birleştirilmiş bir dizi elektrot kullanılır (bkz. Şekil 8.10).

Örneğin, elektrot 4'ün altında bir yük birikirse ve bunu sağa aktarmak gerekirse, sağ elektrota 5 daha yüksek bir voltaj uygulanır ( sen 2 > U 1) ve yük ona akar, vb.

Elektrot setinin neredeyse tamamı üç tekerleğe bağlıdır:

ben - 1, 4, 7, ...

II - 2, 5, 8, ...

III - 3, 6, 9, ...

Bizim durumumuzda, "alım" voltajı ( sen 2) elektrot 2 ve 5 üzerinde olacaktır, ancak elektrot 2, yükün depolandığı elektrot 4'ten elektrot 3 (ki bu

sen 3 = 0), bu nedenle sola taşma olmayacaktır.

Bir CCD'nin üç döngülü çalışması, TV görüntüsü öğesi başına üç elektrotun (hücre) varlığını ima eder, bu da ışık akısı tarafından kullanılan kullanılabilir alanı azaltır. CCD'nin hücre (elektrot) sayısını azaltmak için, kademeli bir şekilde metal elektrotlar ve bir dielektrik katman oluşturulur (bkz. Şekil 8.11). Bu, elektrotlara voltaj darbeleri uygularken, farklı bölümlerinin altında farklı derinliklerde potansiyel kuyular oluşturmaya izin verir. Bitişik hücreden gelen yüklerin çoğu daha derindeki çukura akar.

İki fazlı bir CCD sistemi ile, matristeki elektrotların (hücrelerin) sayısı üçte bir oranında azalır, bu da potansiyel rahatlamanın okunmasını olumlu yönde etkiler.

CCD'lerin başlangıçta bilgisayar teknolojisinde depolama aygıtları, kaydırmalı yazmaçlar olarak kullanılması önerildi. Zincirin başlangıcında, sisteme bir yük getiren bir enjeksiyon diyotu ve devrenin sonunda bir çıkış diyotu, genellikle bu yerleştirildi. n-p- veya p-n- CCD zincirlerinin ilk ve son elektrotları (hücreleri) ile alan etkili transistörler oluşturan MOS yapı geçişleri.

Ancak kısa süre sonra CCD'lerin ışığa karşı çok hassas olduğu anlaşıldı ve bu nedenle onları depolama aygıtı olarak değil, ışık dedektörleri olarak kullanmanın daha iyi ve daha verimli olduğu ortaya çıktı.

Fotodedektör olarak bir CCD dizisi kullanılıyorsa, bir elektrot veya diğeri altında yük biriktirme işlemi optik bir yöntemle (ışık enjeksiyonu) gerçekleştirilebilir. CCD matrislerinin doğası gereği ışığa duyarlı analog kaydırma yazmaçları olduğu söylenebilir. Günümüzde CCD'ler depolama aygıtı (bellek aygıtı) olarak değil, yalnızca fotodedektör olarak kullanılmaktadır. Faks makinelerinde, tarayıcılarda (CCD dizileri), kameralarda ve kameralarda (CCD dizileri) kullanılırlar. Tipik olarak, TV kameraları sözde CCD çiplerini kullanır.

Masrafların %100'ünün bitişik cebe aktarıldığını varsaydık. Bununla birlikte, pratikte kişinin kayıpları hesaba katması gerekir. Kayıp kaynaklarından biri, bir süre için suçlamaları yakalayıp tutabilen "tuzaklardır". Aktarım hızı yüksekse, bu ücretlerin bitişik cebe akacak zamanı yoktur.

İkinci sebep, akış mekanizmasının kendisidir. İlk anda, yük aktarımı güçlü bir elektrik alanında gerçekleşir - E. Ancak yükler aktıkça alan kuvveti azalır ve sürüklenme süreci sona erer, bu nedenle son kısım difüzyon nedeniyle sürüklenmeden 100 kat daha yavaş hareket eder. Son kısmı beklemek, performansı yavaşlatmak anlamına gelir. Drift, %90'dan fazla aktarım sağlar. Ancak kayıpların belirlenmesinde esas olan son yüzdelerdir.

Bir transfer döngüsünün transfer katsayısı şuna eşit olsun: k= 0.99, olması gereken döngü sayısı varsayarsak N= 100, toplam transfer katsayısını belirleriz:

0,99 100 = 0,366

Çok sayıda elemanla, bir elemandaki önemsiz kayıpların bile bir bütün olarak zincir için büyük önem kazandığı açıktır.

Bu nedenle, bir CCD dizisindeki yük transferlerinin sayısının azaltılması konusu özellikle önemlidir. Bu bakımdan, iki fazlı bir CCD dizisinin yük transfer katsayısı, üç fazlı bir sisteminkinden biraz daha yüksek olacaktır.

CCD("kısa" P ile cihaz h sıradan İle birlikte kravat") veya CCD matrisi(kısa ingilizce CCD, "Şarj Bağlantılı Cihaz") - özel analog entegre devreışığa duyarlı fotodiyotlar dayalı silikon teknolojiyi kullanmak CCD- şarj bağlantılı cihazlar.

CCD matrisleri firmalar tarafından üretilmekte ve aktif olarak kullanılmaktadır. Nikon, kanon, Sony, fuji, Kodak, Matsushita, Philips Ve bircok digerleri. Rusya'da, CCD matrisleri şu anda CJSC NPP ELAR, St. Petersburg tarafından geliştirilmekte ve üretilmektedir.

1 CCD'nin Tarihçesi 2 Genel cihaz ve çalışma prensibi 2.1 Bir n-tipi cep CCD alt pikseli örneği 3 Tamponlama yöntemiyle sınıflandırma 3.1 Tam kare transfer sensörleri 3.2 Çerçeve tamponlu matrisler 3.3 Sütun tamponlu matrisler 4 Süpürme türüne göre sınıflandırma 4.1 Video kameralar için matrisler 5 Fotoğraf matrislerinin boyutları 6 Bazı özel matris türleri 6.1 Işığa duyarlı cetveller 6.2 Koordinat ve açı sensörleri 6.3 Arkadan aydınlatmalı sensörler 7 Işık hassaslığı 8 Ayrıca bakınız 9 Notlar

CCD'nin Tarihçesi

Şarj bağlantılı cihaz icat edildi 1969 Willard Boyle ve George Smith Bell Laboratuvarlarında (AT&T) Bell Laboratuvarları). Video telefonda çalışan laboratuvarlar ( ingilizce resim telefon) ve "yarı iletken kabarcık belleğinin" geliştirilmesi ( ingilizce yarı iletken kabarcık hafıza ). Şarj bağlantılı aygıtlar, yalnızca aygıtın giriş kaydına bir şarj yerleştirilebilen bellek aygıtları olarak hayata başladı. Ancak, cihazın hafıza elemanının şarj alabilme özelliği, fotoelektrik etki CCD cihazlarının bu uygulamasını ana akım haline getirdi.

AT 1970 araştırmacılar Bell Laboratuvarları basit doğrusal aygıtları kullanarak nasıl resim çekileceğini öğrendi.

Daha sonra, Katsuo Iwama'nın önderliğinde ( Kazuo Iwama) şirket Sony CCD'lere aktif olarak katılmaya başladı, buna büyük yatırımlar yaptı ve video kameraları için CCD'lerin seri üretimini kurmayı başardı.

Iwama ağustosta öldü 1982. Yonga CCD katkılarını anmak için mezar taşına konuldu.

Ocak ayında 2006 CCD üzerinde çalışmak için W. Boyle ve J. Smithödüllendirildi ABD Ulusal Mühendislik Akademisi (ingilizce Ulusal Akademi nın-nin Mühendislik).

AT 2009 bu CCD üreticileri ödüllendirildi Nobel Fizik Ödülü.

Genel cihaz ve çalışma prensibi

CCD dizisi şunlardan oluşur: polisilikon, polisilikon kapılardan voltaj uygulandığında, elektrik potansiyellerinin yakınlarda değiştiği silikon substrattan ayrılmış elektrotlar.

Maruz kalmadan önce, genellikle elektrotlara belirli bir voltaj kombinasyonu uygulanarak, önceden oluşturulmuş tüm yükler boşaltılır ve tüm elemanlar aynı duruma getirilir.

Ayrıca, elektrotlar üzerindeki voltajların kombinasyonu, maruz kalma sırasında ışığa maruz kalmanın bir sonucu olarak matrisin belirli bir pikselinde oluşan elektronların birikebileceği potansiyel bir kuyu oluşturur. sırasında ışık akısı ne kadar yoğun olursa maruziyet, daha fazla birikmiş elektronlar sırasıyla potansiyel bir kuyuda, verilen bir kuyudaki nihai yük ne kadar yüksekse piksel.

Maruz kaldıktan sonra, elektrotlar üzerindeki voltajdaki ardışık değişiklikler, her pikselde ve onun yanında, matrisin çıkış elemanlarına belirli bir yönde bir yük akışına yol açan bir potansiyel dağılımı oluşturur.

Bir n-tipi cep CCD alt pikseli örneği

Piksel mimarisi üreticiden üreticiye değişir.

n-tipi cepli bir CCD dizisinin alt piksellerinin şeması (kırmızı bir fotodedektör örneğinde)

Alt piksel diyagramındaki tanımlamalar CCD:

1 - Kamera merceğinden geçen ışık fotonları;

2 - Alt piksel mikrolensleri;

3 - R - alt piksel kırmızı ışık filtresi, parça Bayer filtresi;

4 - Şeffaf elektrot polikristal silikon veya Kalay oksit;

5 - İzolatör (silikon oksit);

6 - Silikon kanal n-tipi. Taşıyıcı üretim bölgesi (dahili fotoelektrik etki bölgesi);

7 - Elektronların taşıyıcı üretim bölgesinden toplandığı potansiyel kuyu bölgesi (n-tipi cep);

8 - p tipi silikon substrat;

Tamponlama yöntemiyle sınıflandırma

[Tam çerçeve aktarımlı matrisler

Çerçeve tamponlu matrisler

Sütun tamponlu matrisler

Fotoğraf matrislerinin boyutları

Koordinat ve açı sensörleri

Arkadan aydınlatmalı sensörler

Polikristal silikon elektrotların kullanıldığı klasik CCD devresinde, ışığın elektrot yüzeyi tarafından kısmen saçılması nedeniyle ışık hassasiyeti sınırlıdır. Bu nedenle, spektrumun mavi ve ultraviyole bölgelerinde artan ışık hassasiyeti gerektiren özel koşullarda çekim yaparken arkadan aydınlatmalı matrisler kullanılır ( ingilizce geri- aydınlatılmış matris). Bu tip sensörlerde, kayıtlı ışık alt tabaka üzerine düşer, ancak gerekli dahili fotoelektrik etki için alt tabaka 10-15 kalınlığa kadar parlatılır mikron. Bu işleme aşaması, matrisin maliyetini önemli ölçüde artırdı, cihazların çok kırılgan olduğu ve montaj ve çalıştırma sırasında daha fazla özen gösterilmesi gerektiği ortaya çıktı. Ve ışık akısını zayıflatan ışık filtreleri kullanıldığında, hassasiyeti artırmak için yapılan tüm pahalı işlemler anlamını yitirir. Bu nedenle, arkadan aydınlatmalı matrisler esas olarak astronomik fotoğrafçılık.

Işık hassaslığı

Matrisin ışık duyarlılığı, tüm bileşenlerinin ışık duyarlılığının toplamıdır. fotosensörler(piksel) ve genellikle şunlara bağlıdır:

integral ışığa duyarlılık, değerin oranı olan fotoelektrik etki ile ışık normalleştirilmiş bir spektral bileşime sahip bir radyasyon kaynağından (lümen cinsinden) akış;

monokromatik ışığa duyarlılık"- büyüklük oranları fotoelektrik etki değere ışık belirli bir dalga boyuna karşılık gelen radyasyon enerjisi (milielektronvolt cinsinden);

seçilen parça için tüm monokromatik ISO değerleri seti spektrumışık spektral ışığa duyarlılık- ışığa duyarlılığın ışığın dalga boyuna bağımlılığı;

(lang: 'ru')

Bir önceki yayında başladığım cihazla ilgili sohbete devam ediyorum.

Dijital kamerayı film kameralarından ayıran ana unsurlardan biri, görüntü yoğunlaştırıcı tüp veya ışığa duyarlı olarak adlandırılan ışığa duyarlı bir unsurdur. dijital kamera. Zaten kamera matrislerinden bahsetmiştik ama şimdi okuyucuyu çok fazla yormamak için yüzeysel olsa da cihaza ve matrisin çalışma prensibine daha yakından bakalım.

Bugünlerde çoğu dijital kamera aşağıdakilerle donatılmıştır: CCD matrisleri.

CCD matrisi. Cihaz. Çalışma prensibi.

Hadi cihaza bir göz atalım CCD sensörleri.

Yarı iletkenlerin n-tipi ve p-tipi yarı iletkenler olarak ikiye ayrıldığı bilinmektedir. n-tipi bir yarı iletkende fazla miktarda serbest elektron vardır ve p-tipi bir yarı iletkende fazla miktarda pozitif yük, "delikler" (ve dolayısıyla elektron eksikliği) vardır. Tüm mikroelektronik, bu iki tür yarı iletkenin etkileşimine dayanır.

Yani, eleman Dijital kameranın CCD sensörleri aşağıdaki gibi düzenlenmiştir. Şekil 1'e bakın:

Şekil 1

Ayrıntılara girmezseniz, İngilizce transkripsiyonda bir CCD elemanı veya şarj bağlantılı cihaz: şarj bağlantılı cihaz - CCD, bir MIS (metal-dielektrik-yarı iletken) kapasitörüdür. P tipi bir substrattan oluşur - bir silikon tabakası, bir silikon dioksit yalıtkanı ve elektrot plakaları. Elektrotlardan birine pozitif bir potansiyel uygulandığında, altında ana taşıyıcılardan - deliklerden yoksun bir bölge oluşur, çünkü bunlar elektrik alanı tarafından elektrottan alt tabakaya derinlemesine itilir. Böylece, bu elektrot altında potansiyel bir kuyu, yani azınlık taşıyıcıların, elektronların içine hareketi için uygun bir enerji bölgesi oluşur. Bu kuyu negatif bir yük biriktirir. İçinde delik olmaması ve dolayısıyla elektronların rekombinasyon nedenlerinden dolayı bu kuyuda uzun süre saklanabilir.

ışığa duyarlı matrisler elektrotlar, spektrumun görünür bölgesinde şeffaf olan polikristal silikondan filmlerdir.

Matris üzerine düşen ışık fotonları, silikon alt tabakaya girerek, içinde bir delik-elektron çifti oluşturur. Delikler, yukarıda bahsedildiği gibi, substratın derinliklerine yer değiştirir ve elektronlar potansiyel kuyusunda birikir.

Biriken yük, elemente gelen fotonların sayısıyla, yani ışık akısının yoğunluğuyla orantılıdır. Böylece matris üzerinde optik görüntüye karşılık gelen bir yük tahliyesi oluşturulur.

Bir CCD dizisindeki yüklerin hareketi.

Her CCD elemanı, farklı potansiyellerin uygulandığı birkaç elektrota sahiptir.

Komşu elektrota verilen elektrottan daha büyük bir potansiyel uygulandığında (bkz. Şekil 3), altında daha derin bir potansiyel kuyusu oluşur ve bu kuyu, ilk potansiyel kuyusundan gelen yükün içine hareket eder. Bu şekilde, yük bir CCD hücresinden diğerine geçebilir. Şekil 3'te gösterilen CCD elemanına üç fazlı denir, ayrıca 4 fazlı elemanlar da vardır.

Şekil 4. Üç fazlı şarj bağlantılı bir cihazın çalışma şeması - bir vardiya kaydı.

Yükleri akım darbelerine (fotoakım) dönüştürmek için seri kaydırma yazmaçları kullanılır (bkz. Şekil 4). Böyle bir kaydırma yazmacı, bir CCD öğeleri dizisidir. Akım darbelerinin genliği, aktarılan yük miktarıyla orantılıdır ve dolayısıyla gelen ışık akısı ile orantılıdır. Yüklerin sırasını okuyarak üretilen akım darbelerinin sırası daha sonra amplifikatörün girişine uygulanır.

Yakın aralıklı CCD elemanlarının çizgileri birleştirilir. CCD. Böyle bir matrisin çalışması, bir elektrik alanı tarafından oluşturulan potansiyel kuyularda yerel bir yükün oluşturulmasına ve aktarılmasına dayanır.

Şek.5.

Kayıttaki tüm CCD elemanlarının ücretleri, eşzamanlı olarak komşu CCD elemanlarına taşınır. Son hücrede bulunan yük, kayıttan çıkarılır ve daha sonra amplifikatörün girişine beslenir.

Bir seri kaydırma yazmacının girişi, topluca paralel kaydırmalı yazmaç olarak adlandırılan dikey kaydırmalı yazmaçların yükleriyle beslenir. Paralel ve seri kaydırma yazmaçları CCD matrisini oluşturur (bkz. Şekil 4).

Seri kaydına dik olan kaydırma yazmaçlarına sütun denir.

Paralel kayıt ücretlerinin hareketi kesinlikle senkronize edilir. Bir satırın tüm yükleri aynı anda bir sonrakine kaydırılır. Son satırın ücretleri seri kayıt defterine düşer. Böylece, bir çalışma döngüsünde, paralel kayıttan bir dizi yük, seri kaydın girişine girerek yeni oluşan yüklere yer açar.

Seri ve paralel kayıtların çalışması saat üreteci tarafından senkronize edilir. Bölüm dijital kamera sensörleri ayrıca register transfer elektrotlarına potansiyel sağlayan ve bunların çalışmasını kontrol eden bir mikro devre içerir.

Bu tipteki bir görüntü yoğunlaştırıcı tüp, tam çerçeve matrisi (tam çerçeve CCD matrisi) olarak adlandırılır. Çalışması için, önce görüntü yoğunlaştırıcı tüpü ışığa maruz bırakmak için açan, ardından matris elemanlarında yeterli bir yükün birikmesi için gerekli foton sayısı ona çarptığında, kapatan opak bir kapağa sahip olmak gerekir. ışıktan. Böyle bir kapak, film kameralarında olduğu gibi mekanik bir deklanşördür. Böyle bir deklanşörün yokluğu, kaydırma yazmacında yükler hareket ettiğinde, hücrelerin ışıkla ışınlanmaya devam etmesine ve her pikselin yüküne belirli bir noktanın ışık akışına karşılık gelmeyen ekstra elektronlar eklemesine yol açar. . Bu, sırasıyla yükün "bulaşmasına", sonuçta ortaya çıkan görüntünün bozulmasına yol açar.

CCD nedir?

biraz tarih

Fotoğraf malzemeleri daha önce bir ışık alıcısı olarak kullanılıyordu: fotoğraf plakaları, fotoğraf filmi, fotoğraf kağıdı. Daha sonra televizyon kameraları ve PMT'ler (fotoelektrik çarpan) ortaya çıktı.
60'ların sonlarında ve 70'lerin başında, CCD olarak kısaltılan "Şarj Bağlantılı Cihazlar" geliştirilmeye başlandı. İngilizce'de kısaca "şarj bağlantılı cihazlar" veya CCD'ye benziyor. CCD'lerin arkasındaki ilke, silikonun görünür ışığa yanıt verebilme yeteneğiydi. Ve bu gerçek, bu ilkenin parlak nesnelerin görüntülerini elde etmek için kullanılabileceği fikrine yol açtı.

Astronomlar, CCD'lerin görüntüleme için olağanüstü yeteneklerini ilk tanıyanlar arasındaydı. 1972'de JPL'den (Jet Propulsion Laboratory, ABD) bir grup araştırmacı astronomi ve uzay araştırmaları için CCD geliştirme programını kurdu. Üç yıl sonra, Arizona Üniversitesi'nden bilim adamları ile birlikte bu ekip, ilk astronomik CCD görüntüsünü elde etti. Uranüs'ün 1,5 metrelik bir teleskop kullanılarak yapılan yakın kızılötesi görüntüsünde, gezegenin güney kutbunun yakınında metan varlığını gösteren karanlık noktalar bulundu ...

CCD matrislerinin kullanımı günümüzde geniş uygulama alanı bulmuştur: dijital kameralar, video kameralar; Cep telefonlarında bile kamera benzeri bir CCD matrisini yerleştirmek mümkün hale geldi.

CCD cihazı

Tipik bir CCD cihazı (Şekil 1): yarı iletken yüzeyinde, üzerine iletken elektrot şeritlerinin (metal veya polikristal silikondan yapılmış) yerleştirildiği ince (0,1-0,15 μm) bir dielektrik katman (genellikle oksit) vardır. Bu elektrotlar doğrusal veya matris düzenli bir sistem oluşturur ve elektrotlar arasındaki mesafeler o kadar küçüktür ki komşu elektrotların karşılıklı etkisinin etkileri önemlidir. Bir CCD'nin çalışma prensibi, elektrotlara harici elektrik voltajları uygulandığında bir yarı iletkenin yüzeye yakın katmanında oluşan potansiyel kuyularda şarj paketlerinin üretilmesi, depolanması ve yönlendirilmiş aktarımına dayanır.

Pirinç. 1. Bir CCD matrisinin ana aygıtı.

Şek. 1, C1, C2 ve C3 sembolleri MOS kapasitörlerini (metal-oksit-yarı iletken) belirtir.

Herhangi bir elektrota pozitif bir U voltajı uygulanırsa, MIS yapısında, çoğu taşıyıcının (delikler) çok hızlı bir şekilde (birkaç pikosaniye içinde) yarı iletken yüzeyinden ayrıldığı bir elektrik alanı ortaya çıkar. Sonuç olarak, yüzeyin yakınında, kalınlığı bir mikrometrenin kesirleri veya birimleri olan tükenmiş bir katman oluşur. Herhangi bir işlemin (örneğin, termal) etkisi altında tükenme katmanında üretilen veya yarı iletkenin nötr bölgelerinden difüzyon etkisi altında oraya ulaşan azınlık taşıyıcılar (elektronlar) (alan etkisi altında) yarı iletkene hareket edecektir. -dielektrik arayüz ve dar bir ters katmanda lokalize olabilir. Böylece, elektronlar için potansiyel bir kuyu, alanın etkisi altında tükenmiş katmandan yuvarlandıkları yüzeye yakın görünür. Tüketim katmanında üretilen çoğunluk taşıyıcılar (delikler), alanın etkisi altında yarı iletkenin nötr kısmına atılır.
Belirli bir zaman aralığında, her piksel, içine giren ışık miktarıyla orantılı olarak kademeli olarak elektronlarla doldurulur. Bu sürenin sonunda her pikselin biriktirdiği elektrik yükleri sırayla cihazın "çıkışına" aktarılır ve ölçülür.

Matrislerin ışığa duyarlı pikselinin boyutu, bir veya iki ila birkaç on mikron arasında değişir. Fotoğrafik filmin ışığa duyarlı tabakasındaki gümüş halojenür kristallerinin boyutu 0,1 (pozitif emülsiyonlar) ile 1 mikron (son derece hassas negatif olanlar) arasında değişir.

Matrisin ana parametrelerinden biri sözde kuantum verimliliğidir. Bu ad, absorbe edilen fotonları (kuanta) fotoelektronlara dönüştürme verimliliğini yansıtır ve fotoğrafın fotosensitivite kavramına benzer. Işık kuantumunun enerjisi renklerine (dalga boyuna) bağlı olduğundan, örneğin yüz heterojen foton akışını emdiğinde bir matris pikselinde kaç elektron doğacağını açık bir şekilde belirlemek imkansızdır. Bu nedenle, kuantum verimliliği genellikle matris pasaportunda dalga boyunun bir fonksiyonu olarak verilir ve spektrumun bazı bölümlerinde %80'e ulaşabilir. Bu, fotoğrafik emülsiyon veya gözden çok daha fazlasıdır (yaklaşık %1).

CCD matrisleri nedir?

Pikseller bir sıra halinde düzenlenirse alıcıya CCD çizgisi denir, ancak yüzey alanı çift sıralarla doldurulursa alıcıya CCD matrisi denir.

CCD cetveli, 80'li ve 90'lı yıllarda astronomik gözlemler için çok çeşitli uygulamalara sahipti. Görüntüyü CCD cetveli boyunca tutmak yeterliydi ve bilgisayar monitöründe belirdi. Ancak bu sürece birçok zorluk eşlik etti ve bu nedenle şu anda CCD dizilerinin yerini giderek CCD matrisleri alıyor.

İstenmeyen Etkiler

CCD yük transferinin gözlemlere engel olabilen istenmeyen yan etkilerinden biri, küçük bir alanın parlak görüntü alanları yerine parlak dikey şeritler (sütunlar) olmasıdır. Ayrıca, CCD matrislerinin olası istenmeyen etkileri şunları içerir: yüksek karanlık parazit, "kör" veya "sıcak" piksellerin varlığı, matris alanı boyunca eşit olmayan hassasiyet. Karanlık gürültüyü azaltmak için, CCD matrislerinin otonom soğutması -20°C ve altındaki sıcaklıklarda kullanılır. Veya önceki karenin yapıldığı süre (pozlama) ve sıcaklıkta karanlık bir kare (örneğin, kapalı bir mercekle) alınır. Ardından bilgisayardaki özel bir program, karanlık çerçeveyi görüntüden çıkarır.

CCD tabanlı televizyon kameraları, 752 x 582 piksel çözünürlükle saniyede 25 kareye kadar görüntü yakalama yeteneği sağlamaları bakımından iyidir. Ancak bu tür bazı kameraların astronomik gözlemler için uygun olmaması, üreticinin alınan karelerin görerek daha iyi algılanması için iç görüntü ön işleme (okuma - bozulmalar) uygulamasıdır. Bu AGC (otomatik kontrol ayarı) ve sözde. "keskin sınırların" ve diğerlerinin etkisi.

İlerlemek…

Genel olarak, CCD alıcılarının kullanımı, dijital olmayan ışık alıcılarının kullanımına göre çok daha uygundur, çünkü hemen elde edilen veriler, bir bilgisayarda işlenmeye uygun bir biçimde ortaya çıkar ve buna ek olarak, elde etme hızı. bireysel kareler çok yüksektir (saniyede birkaç kareden dakikaya kadar).

Şu anda, CCD matrislerinin üretimi hızla gelişiyor ve gelişiyor. Matrislerin "megapiksel" sayısı artıyor - matrisin birim alanı başına ayrı piksel sayısı. CCD'ler vb. ile elde edilen görüntülerin kalitesinin iyileştirilmesi.

Kullanılan kaynaklar:
1. 1. Viktor Belov. Bir mikronun onda biri kadar hassas.
2. 2. S.E. Guryanov. CCD ile tanışın.