Qu'est-ce qu'une matrice CCD?

Un peu d'histoire

Un matériau photographique a été utilisé comme récepteur de lumière plus tôt: photoplastique, photoplot, papier photo. Plus tard, les caméras de télévision et la FEU sont apparues (multiplicateur photo-électrique).
À la fin des années 60 - au début des années 70, les "charges avec charge" ont été développées, qui est abrégée en tant que CCD. Sur le langue Anglaise Il ressemble à des "appareils couplés de charge" ou abrégé - CCD. En principe, les matrices CCD déposent le fait que le silicium est capable de réagir à la lumière visible. Et ce fait a conduit à la pensée que ce principe peut être utilisé pour obtenir des images d'objets lumineux.

Les astronomes ont été parmi les premiers qui ont reconnu la capacité extraordinaire CCD à enregistrer des images. En 1972, un groupe de chercheurs du JPL (Laboratoire de Jet Movement, USA) a fondé le programme de développement de la CCD pour l'astronomie et la recherche spatiale. Trois ans plus tard, en collaboration avec des scientifiques de l'Université d'Arizona, cette équipe a reçu la première image de CCD astronomique. Sur la photo de l'uranium dans la plage d'infrarouges proches, des taches sombres près du pôle sud de la planète ont été découvertes avec un télescope demi-demi-télescope, témoignant de ce méthane ...

L'utilisation des matrices CCD a été largement utilisée: caméras numériques, caméscopes; La matrice CCD que la caméra est devenue possible d'intégrer même dans les téléphones mobiles.

Dispositif CCD

Un dispositif CCD typique (Fig. 1): Sur la surface semi-conductrice est mince (0,1-0,15 μm) la couche diélectrique (généralement oxydée), sur laquelle sont situées les bandes d'électrodes conductrices (de silicium polycristallin). Ces électrodes forment un système régulier linéaire ou matriciel, et les distances entre les électrodes sont si petites, ce qui est essentiel aux effets de l'influence mutuelle des électrodes adjacentes. Le principe de fonctionnement du CCD est basé sur l'occurrence, le stockage et la transmission directionnelle de paquets de charge dans des puits potentiels formés dans la couche semi-conductrice proche de la surface lorsqu'elles sont appliquées à des électrodes de contraintes électriques externes.

Figure. 1. Dispositif principal de la matrice CCD.

En figue. Les caractères 1 C1, C2 et C3 indiquent des condensateurs MOS (métal-semi-conducteur en métal).

S'il y a une tension positive de U à n'importe quelle électrode, un champ électrique survient dans la structure du MDP, sous l'action dont les principaux porteurs (trous) sont très rapidement (pour les unités Picosecondes) laissent la surface du semi-conducteur. En conséquence, la surface forme une couche épuisée, dont l'épaisseur est une part ou une unité d'un micromètre. Les porteurs nézostables (électrons) générés dans la couche épuisée sous l'action de tout procédé (par exemple, de la chaleur) ou des zones semi-conductrices neutres sous l'action de diffusion, se déplaceront (sous l'action du champ) vers la frontière du semi-conducteur -section-mode et localisé dans une couche inverse étroite. Ainsi, la surface se produit une fosse potentielle pour les électrons dans lesquels ils se déroulent de la couche épuisée sous l'action du champ. Les principaux porteurs générés dans la couche épuisée (trous) sous l'action du champ sont jetés dans la partie neutre du semi-conducteur.
Au cours de l'intervalle de temps spécifié, chaque pixel est rempli progressivement d'électrons proportionnellement au nombre de lumière. À la fin de cette période charges électriquesCumulée par chaque pixel, à son tour, sont transmis à la "sortie" du dispositif et sont mesurées.

La taille des matrices de pixels photosensibles est de une à deux à plusieurs dizaines de microns. La taille des cristaux d'argent halogène dans la couche photosensible de photoflinks varie de 0,1 (émulsions positives) à 1 micron (négatif très sensible).

L'un des principaux paramètres de la matrice est l'efficacité dite quantique. Ce nom reflète l'efficacité de la conversion de photons absorbés (Quanta) en photoélectrons et similaires au concept photographique de photosensibilité. Étant donné que l'énergie de la lumière quant dépend de leur couleur (longueur d'onde), il est impossible de déterminer de manière unique combien d'électrons seront nés dans le pixel matriciel lorsqu'ils les absorbent, par exemple, un flux de cent photons hétérogènes. Par conséquent, l'efficacité quantique est généralement donnée dans le passeport sur la matrice en fonction de la longueur d'onde et dans certaines sections du spectre peut atteindre 80%. C'est beaucoup plus grand que celui de la photoémulsion ou des yeux (environ 1%).

Quelles sont les matrices CCD?

Si les pixels sont construits en une rangée, le récepteur est appelé la règle PZS-Rulière, si la surface est remplie de lignes, alors le récepteur est appelé matrice CCD.

La ligne PZS avait une large gamme d'applications dans les années 80 et 90 pour les observations astronomiques. Il suffisait d'effectuer une image sur la ligne CCD et il est apparu sur le moniteur d'ordinateur. Mais ce processus était accompagné de nombreuses difficultés et donc à l'heure actuelle, la ligne PZS est de plus en plus déplacée par les matrices CCD.

Effets indésirables

L'un des effets secondaires indésirables du transfert de charge sur la matrice de la CCD, qui peut interférer avec les observations, sont des bandes verticales lumineuses (poteaux) sur le site des zones lumineuses de l'image d'une petite zone. De plus, les éventuels effets indésirables des matrices CCD peuvent être attribués: un bruit sombre élevé, la présence de pixels "aveugles" ou "chauds", une sensibilité inégale dans le champ matriciel. Pour réduire le bruit sombre, le refroidissement autonome des matrices CCD est utilisé pour des températures -20 ° C et ci-dessous. Soit le cadre sombre est éliminé (par exemple avec une lentille fermée) avec la même durabilité (exposition) et la même température, avec laquelle la trame précédente a été produite. Ensuite programme spécial Un cadre sombre de l'image est soustrait sur l'ordinateur.

Les caméras de télévision basées sur des matrices CCD sont bonnes car elles permettent d'obtenir des images à une vitesse maximale de 25 images par seconde avec une résolution de 752 x 582 pixels. Mais l'inadaptation des objets de ce type d'observations astronomiques est que le fabricant est mis en œuvre par les chemins internes du fabricant (lecture - distorsion) pour une meilleure perception du personnel résultant de la vision. Ceci est Aru (ajustement automatisé de contrôle) et dit. L'effet des «frontières nettes» et autres.

Le progrès…

En règle générale, l'utilisation de récepteurs CCD est beaucoup plus pratique que d'utiliser des récepteurs de lumière non POPWare, car les données obtenues sont immédiatement appropriées pour être appropriées sur un ordinateur et, de plus, la vitesse d'obtention de cadres individuels est très élevée (de plusieurs cadres par seconde à quelques minutes).

DANS actuellement La production de matrices CCD est également développée par un rythme rapide. Le nombre de "mégapixels" de matrices augmente - le nombre de pixels individuels par unité de la matrice. La qualité des images obtenues par les matrices CCD est améliorée, etc.

Sources d'occasion:
1. 1. Victor Belov. Avec une précision des dixièmes du micron.
2. 2. S.E.Guryanov. Rencontre - CCD.

Qu'est-ce qu'une matrice CCD?

Dispositif à couplage de charcuterie CCD ou appareil de remplacement de la matrice / de charge CCD - analogique microcircuit intégré, Dans le cadre de laquelle il existe des photodiodes photosensibles en silicium ou oxyde d'étain. Le principe de fonctionnement de ce microcircuit est basé sur la technologie des instruments avec la relation de charge (CCD).

Histoire de la matrice CCD

Pour la première fois, le dispositif de charge a été appliqué par George Smith et Willard Boyle (Willard Boyle) dans Bella Laboratories aux États-Unis At & T Bell Labs Corporation en 1969. Ils ont mené des recherches dans le domaine de la téléphonie vidéo et de la soi-disant » Mémoire à bulles semi-conductrice ".

Bientôt, les appareils miniatures étaient assez répandus et ont commencé à être utilisés comme dispositifs de mémoire dans lesquels la charge a été placée dans le registre d'entrée de la puce. Après un certain temps, la capacité de l'élément de mémoire à recevoir des frais en raison de l'effet photoélectrique était l'objectif principal de l'utilisation de périphériques CCD.

AVEN Un an plus tard, en 1970, les chercheurs ont pu corriger des images à l'aide des appareils de ligne les plus simples, qui ont réellement attribué des ingénieurs Sony. Cette société travaille toujours activement dans le domaine des technologies de la CCD, investissant d'énormes investissements financiers dans cette direction, à toutes reprendre la production de matrices CCD pour ses caméscopes. À propos, la puce CCD-Matrix a été installée sur la pierre tombale de la tête de Sony Kadzuo Iwam, décédé en 1982. Après tout, c'était celui qui se tenait aux origines du début de la production de la matrice de la CCD dans le volume de masse.

La contribution des inventeurs de la matrice CCD n'a pas été ignorée. En 2006, Willard Boyle et George Smith ont reçu une récompense de l'Académie nationale d'ingénierie américaine pour leurs développements dans ce domaine et ont été présentés en 2009 avec le prix Nobel de la physique.

Principe opérations de CCD- satisfaire

La matrice CCD est presque entièrement composée de polycamine, qui a été séparée à l'origine d'un substrat de silicium avec une membrane spéciale. Lorsque la contrainte est fournie à la membrane au moyen de passerelles polycémiques, les potentiels électriques situés à proximité des électrodes conductrices sont fortement modifiés.

Avant l'exposition et l'alimentation aux électrodes d'une puissance de tension spécifique, toutes les charges sont réinitialisées, qui ont été formées plus tôt, et il existe également une conversion de tous les éléments à un état identique ou initial.

La combinaison de contraintes sur les électrodes crée une marge potentielle ou une fosse dite, où les électrons s'accumulent, qui apparaissent dans une matrice de pixels spécifique pendant le processus d'exposition sous l'influence des rayons lumineux. En fonction de l'intensité du flux de lumière, la quantité d'électrons accumulées dans la fosse potentielle est également située, de sorte que plus la puissance de la charge finale d'un certain pixel.

Une fois l'exposition terminée, des modifications séquentielles de la tension d'alimentation des électrodes se produisent dans chaque pixel individuel, à côté de laquelle la répartition des potentiels est observée, à la suite de laquelle les charges sont déplacées dans une direction donnée - aux pixels de sortie de la matrice CCD.

Composition des éléments matriciels CCD

En termes généraux, la conception de l'élément CCD peut être représentée sous forme de type de substrat de silicium équipé de canaux de la semi-conducteur de type N. Sur les canaux, il y a des électrodes de silicium polycrystallin avec une membrane d'oxyde de silicium isolant.

Une fois que le potentiel électrique est fourni aux données des électrodes, dans une zone affaiblie sous le canal de type N, un piège potentiel se produit. Sa tâche principale est de sauver des électrons. Une particule de lumière tombant dans le silicium provoque la génération d'électrons qui sont attirés par un piège potentiel et y restent. Un grand nombre de photons ou de lumière vive offre une charge puissante de pièges, après quoi il est nécessaire de calculer et de renforcer la valeur de la charge reçue, quels spécialistes s'appellent un photocourant.

Le processus de lecture des cellules photo CCD est effectué avec les registres de décalage séquentiels, qui convertissent les lignes de charges à l'entrée de la série d'impulsions de sortie. Ce flux Les impulsions sont en fait un signal analogique qui entre dans l'amplificateur.

Dedans signal analogique Vous pouvez convertir les charges de la chaîne des éléments CCD à l'aide du registre. En pratique, un registre de changement de série dans les matrices CCD est effectué par tous les mêmes éléments CCD intégrés en une ligne. Dans ce cas, le fonctionnement de cet appareil est basé sur l'habileté avec les charges avec l'échange de liaison de charge les charges de leurs pièges potentiels. Un tel processus est effectué par la présence d'électrodes de transfert spécialisées, situées entre des éléments CCD adjacents. Au moment de la dépôt de l'électrode la plus proche d'un potentiel accru, alors que la charge passe sous elle d'un puits potentiel. Dans le même temps, deux à quatre électrodes de transfert sont généralement situées entre des éléments CCD, la phase du registre de décalage mentionnée par deux phases, triphasé ou quatre phases dépend du nombre dont dépend.

La fourniture de différents potentiels aux électrodes de transfert est synchronisée de manière à ce que la transition des pièges potentielles de tous les registres CCD soit effectuée presque simultanément. Donc, pour une "étape" du transfert, les éléments de la CCD se déplacent le long de la chaîne de charge à droite ou de gauche à droite. Dans le même temps, l'élément extrême CCD donne sa propre charge à l'amplificateur, situé à la sortie du registre. Ainsi, il devient assez évident que le registre de changement de série est un périphérique avec une sortie séquentielle et une entrée parallèle.

Une fois le processus de lecture terminé, toutes les charges du registre apparaissent absolument de la capacité de la soumettre à son entrée. nouvelle chaîne, alors un de plus et ainsi de suite. En conséquence, un signal analogique continu est obtenu, qui est basé sur un flux bidimensionnel de phototoks. Après cela, le flux parallèle d'entrée entrant dans le registre de cisaillement séquentiel est fourni par un ensemble de registres de cisaillement consécutifs orientés verticalement appelé registre à décalage parallèle. Tout ce conception est sous la forme assemblée et est un appareil appelé aujourd'hui matrice CCD.

Les images de convertisseurs photovoltaïques de l'état solide (TFEP) sont des analogues de transmission de CRT.

TFEP a commencé depuis 1970, avec le soi-disant CCD et se forma sur la base de cellules individuelles représentant les condensateurs de la structure MDP ou MOS. L'une des plaques d'un tel condensateur élémentaire est le film métallique M, le second substrat semi-conducteur P ( p.- ou alors n.-Ronomiales), diélectrique D sert un semi-conducteur appliqué comme une couche mince sur le substrat P. en tant que substrat p silicium dopé avec accepteur ( p.-Type) ou donateur ( n.-TYPE) impureté et comme d - oxyde de silicium Sio. 2 (voir fig.8.8).

Figure. 8.8.Condenseur MOS-STRUCTURE

Figure. 8.9.Frais de déplacement sous l'action du champ électrique

Figure. 8.10.Le principe de fonctionnement du système CCD triphasé

Figure. 8.11.Frais de déplacement dans un système de CCD en deux phases

Lorsque vous postulez pour une électrode de tension métallique, une "poche" ou une fosse potentielle est formée sous celle-ci, dans laquelle les porteurs non noces peuvent "accumuler" (dans notre cas) et les principaux porteurs, des trous seront repoussés de M. Sur une distance de la surface de la surface, la concentration de supports non essentiels peut être supérieure à la concentration principale. Près du diélectrique D dans le substrat n survient une couche d'inversion dans laquelle le type de conductivité change à l'opposé.

Le package de charge dans le CCD peut être administré par électrose ou par génération de lumière. Avec la génération de la lumière de procédés photovoltaïques découlant du silicium, entraînera l'accumulation de supports non essentiels dans des fosses potentielles. La charge accumulée est proportionnelle à l'éclairage et au temps de l'accumulation. La charge directionnelle de la charge dans le CCD est assurée par l'emplacement des condensateurs MOS à une distance aussi étroite l'une de l'autre, que leurs zones appauvries se chevauchent et des puits potentiels sont connectés. Dans le même temps, la charge mobile des transporteurs non essentielles s'accumulera à la place où la fosse potentielle est plus profonde.

Laisser sous l'influence de la charge accumulée de la lumière sous l'électrode U. 1 (voir fig.8.9). Si maintenant sur l'électrode adjacente U. 2 Soumettre la tension U. 2 \u003e U. 1, puis une fosse potentielle différente apparaît près, plus profondément ( U. 2 \u003e U. une). Une région du champ électrique et des transporteurs non principaux se posera entre eux (électrons) va dériver (écoulement) dans une "poche" plus profonde (voir Fig. 8.9). Pour exclure la transmission bidirectionnelle en matière de charge, la séquence d'électrodes combinées en groupes de 3 électrodes est utilisée (voir Fig. 8.10).

Si, par exemple, une charge accumulée sous l'électrode 4 et il est nécessaire de le transférer vers la droite, une tension supérieure est fournie à l'électrode droite 5 ( U. 2 \u003e U. 1) Et la charge s'écoule, etc.

Presque toute la totalité des électrodes est connectée aux trois pneus:

I - 1, 4, 7, ...

II - 2, 5, 8, ...

III - 3, 6, 9, ...

Dans notre cas, la tension "réception" ( U. 2) sera sur les électrodes 2 et 5, mais l'électrode 2 est séparée de l'électrode 4, où la charge est stockée, l'électrode 3 (à partir de laquelle

U. 3 \u003d 0), le flux à gauche ne sera pas.

Le fonctionnement du bibelot de la CCD implique la présence de trois électrodes (cellules) à un élément de l'image TV, qui réduit la surface utile utilisée par le flux de lumière. Pour réduire le nombre de cellules (électrodes) du CCD, des électrodes métalliques et une couche diélectrique sont formées par une forme étagée (voir la figure 8.11). Cela permet, lorsque les impulsions de tension sont fournies aux électrodes, des fosses potentielles de différentes profondeurs sous ses différentes sections. Dans une fosse plus profonde, la plupart des charges du flux de cellules voisines.

Avec un système CCD à deux phases, le nombre d'électrodes (cellules) dans la matrice est réduit d'un tiers, ce qui affecte favorablement le relief de lecture.

La CCC a d'abord été proposée à utiliser dans la technologie informatique comme périphériques de stockage, des registres de changement de vitesse. Au début de la chaîne, une diode d'injection a été chargée et à la fin de la chaîne - une diode de sortie est généralement n-p- ou alors p-n-mOP transitions des structures formant avec les premières et les dernières électrodes (cellules) des chaînes de transistors de champ CCD.

Mais bientôt, il s'est avéré que le CCD est très sensible à la lumière, et ils sont donc meilleurs et plus efficaces à utiliser comme reproductures légères et non comme des dispositifs de stockage.

Si la matrice CCD est utilisée comme photodétecteur, l'accumulation de charge sous une ou une autre électrode peut être effectuée par la méthode optique (lumière injectante). On peut dire que les matrices CCD sont essentiellement des registres analogiques analogiques photosensibles. Aujourd'hui, le CCD n'est pas utilisé comme périphériques de stockage (mémoire), mais uniquement en tant que photodétecteurs. Ils sont utilisés dans les télécopieurs, les scanners (règles de la CCD), dans les caméras de la caméra et des caméras vidéo (matrice CCD). Habituellement, les jetons dits CCD sont utilisés dans les caméras de télévision.

Nous avons supposé que tous les frais de 100% sont transmis à la poche voisine. Cependant, dans la pratique, il doit être considéré comme des pertes. L'une des sources de pertes est "pièges" capable de capturer et de tenir des charges. Ces accusations n'ont pas le temps de couler dans la poche voisine, si le taux de transfert est génial.

La deuxième raison est le mécanisme d'écoulement lui-même. Au premier instant, le transfert de charges se produit dans un fort champ électrique - dérive dans E.. Cependant, comme des charges chargées, la force de terrain tombe et le processus de dérive s'estompe, de sorte que la dernière partie se déplace en raison de la diffusion, une dérive 100 fois plus lente. Attendez la dernière partie - cela signifie réduire la vitesse. Draif donne plus de 90% du transfert. Mais ce sont les derniers pourcentages fondamentaux lors de la détermination des pertes.

Laisser le coefficient de transmission d'un cycle de transfert est égal à k. \u003d 0,99, croyant le nombre de cycles égaux N. \u003d 100, nous définissons le coefficient de transmission total:

0,99 100 = 0,366

Cela devient évident que quand grand nombre Éléments Même des pertes mineures sur un élément sont d'une grande importance pour la chaîne dans son ensemble.

Par conséquent, la question de la réduction du nombre de charges de charges dans la matrice de la CCD est particulièrement importante. À cet égard, la matrice d'un CCD à deux phases Le coefficient de transmission de charge sera quelque peu large que dans un système triphasé.

introduction

Dans ce cours, je vais considérer général À propos des périphériques de charge, des paramètres, de l'historique de la création, des caractéristiques des chambres de la CCD modernes de la plage infrarouge moyenne.

À la suite de l'exécution papier à terme Il a étudié la littérature sur la création, le principe d'action, caractéristiques et l'utilisation de caméras CCD de la gamme moyenne IR.

CCD. Principe physique du fonctionnement du CCD. PZD-Matrix

Le dispositif de charge (CCD) est une série de structures de TIR simples (semi-conducteur de métal-diélectrique), formées sur un substrat à semi-conducteur commun de telle sorte que les bandes d'électrodes métalliques forment un système régulier linéaire ou matriciel dans lequel les distances entre Les électrodes adjacentes sont des mâles suffisants (Fig. 1). Cette circonstance détermine le fait que l'appareil définit l'influence mutuelle des structures TIR voisines.

Figure 1 - Structure CCD

Maintenance fins fonctionnelles CCD sensible à la photo - transformation des images optiques en une séquence d'impulsions électriques (génération vidéo), ainsi que de stockage et de traitement des informations numériques et analogiques.

Le CCD est effectué sur la base d'un seul silicium cristallin. Pour ce faire, sur la surface de la plaque de silicium, la méthode d'oxydation thermique crée un film diélectrique mince (0,1-0,0,15 μm) de dioxyde de silicium. Ce processus est effectué de manière à assurer la perfection de la section semi-conductrice semi-conductrice - diélectrique et minimisant la concentration de recombinations de centres à la frontière. Les électrodes d'éléments TIR individuelles sont en aluminium, leur longueur est de 3 à 7 microns, l'espace entre les électrodes est de 0,2-3 μm. Le nombre typique d'éléments TIR 500-2000 en linéaire et dans la matrice CCD; La zone de la plaque sous les électrodes extrêmes de chaque ligne est fabriquée par des transitions de transition destinées à l'entrée - sortie de la partie des charges (paquets chargés) de l'électricité. dans la méthode (injection p-n-entrée). Avec photoélectrique. La saisie des paquets chargés CCD est éclairée du côté frontal ou arrière. Avec l'éclairage frontal, les électrodes en aluminium sont utilisées pour éviter les effets d'ombrage des électrodes en aluminium, elles sont généralement remplacées par des films de silicium polycristallin fort (polycamine), transparent dans un spectre IR visible et voisin.

Principe de fonctionnement du CCD

Le principe général du CCD est le suivant. Si une tension négative est appliquée à n'importe quelle électrode métallique en métal, puis sous l'action du champ électrique du champ électrique, qui sont les principaux porteurs du substrat, laissent la surface de la profondeur du semi-conducteur. La surface forme également une zone appauvrie, laquelle dans le diagramme d'énergie est une fosse potentielle pour les supports non centraux - trous. Les trous de quelque manière que ce soit dans cette zone sont attirés par l'interface entre le semi-conducteur diélectrique et sont localisés dans une couche de surface étroite.

Si maintenant à l'électrode adjacente pour attacher une tension négative d'une plus grande amplitude, une fosse potentielle plus profonde est formée et les trous y avancent. Application des contraintes de contrôle nécessaires sur différentes électrodes du CCD, il est possible de fournir un stockage de charges dans certaines surfaces proches et de mouvements directionnels des charges le long de la surface (de la structure à la structure). L'introduction de l'emballage de charge (enregistrement) peut être effectuée soit la transition P-N située, par exemple, près de l'élément extrême CCD, ou de la génération de lumière. La sortie de charge du système (lecture) est le moyen le plus simple d'être effectué à l'aide de la transition P-N. Ainsi, le CCD est un dispositif dans lequel des informations externes (électriques ou signaux lumineux) Il est converti en paquets de charge de supports mobiles, définis dans les zones proches de la surface et les informations de traitement sont effectuées par le mouvement contrôlé de ces paquets le long de la surface. Évidemment, sur la base du CCD, vous pouvez construire des systèmes numériques et analogiques. Pour systèmes numériques Seul le fait de la présence ou de l'absence d'une charge de trous dans un ou plusieurs éléments du CCD est important, avec traitement analogique, ils traitent des valeurs des charges en mouvement.

Si un CCD à plusieurs éléments ou matricielle est d'envoyer le flux de lumière, la partie du semi-conducteur, la photogogénéoration des paires d'électrons débutera dans le semi-conducteur. Trouver dans la région de la CCD épuisée, les porteurs sont séparés et les trous s'accumulent dans des puits potentiels (la magnitude de la charge accumulée est proportionnelle à l'éclairage local). Après un certain temps (environ quelques millisecondes), une image de paquets de charge sera stockée dans la matrice CCD de la matrice CCD correspondant à la distribution d'illumination. Lorsque les impulsions d'horloge sont activées, les packages de charge se déplaceront vers le périphérique de sortie de lecture qui les convertit en signaux électriques. En conséquence, la sortie entraînera une séquence d'impulsions avec une amplitude différente, l'enveloppe, qui donne un signal vidéo.

Le principe de l'opération CCD sur l'exemple d'un fragment d'une chaîne des FPZS, contrôlée par un circuit TROTHOTA (trotho-phase), est illustré à la figure 2. Pendant l'horloge I (perception, accumulation et stockage d'informations vidéo) aux électrodes 1, 4, 7 est appliqué par t. N. Tension de stockage UXP, poussant les principaux porteurs - trous dans le cas de type silicone R-Type - dans la profondeur de la semi-conducteur et la formation de couches dressées avec une profondeur de 0,5 à 2 μm - des fosses potentielles pour les électrons. L'éclairage de la surface des FPZS génère des paires de trous d'électrons en excès dans le volume de silicium, et les électrons sont serrés dans des fosses potentielles, sont localisés dans une mince (0,01 μm) de la couche de surface proche sous les électrodes 1, 4.7, signal de formage Paquets de charge.

chargement de la caméra de communication infrarouge

Figure 2 - Schéma de travail d'un instrument triphasé avec relation de charge - registre de cisaillement

La valeur de la charge dans chaque paquet est proportionnelle à l'exposition de surface près de cette électrode. Dans des structures TIR bien formées, les charges générées à proximité des électrodes peuvent être maintenues relativement longtemps, mais sont progressivement dues à la génération de supports de charge par des centres d'impuretés, des défauts en volume ou au bord de la section ces charges s'accumuleront dans des puits potentiels jusqu'à ce que Les frais de signal dépassent et même remplissent complètement les fosses.

Au cours de TACT II (transfert de charge) aux électrodes 2, 5, 8, etc., la tension de lecture est supérieure à la tension de stockage. Par conséquent, sous les électrodes 2, 5 et 8, le potentiel plus profond se produit. Les casseroles que sous les électrons 1, 4 et 7, et en raison de la proximité des électrodes 1 et 2, 4 et 5,7 et 8, les barrières entre eux disparaissent et les électrons coulent dans les fosses potentielles plus profondes et plus profondes.

Au cours de l'horloge III, la tension sur les électrodes 2, 5, 8 diminue vers et depuis les électrodes 1, 4, 7 est retirée.

T. À propos. Tous les paquets de charge sont transférés le long de la chaîne PZS à droite à une étape égale à la distance entre les électrodes adjacentes.

À tout moment de fonctionnement sur les électrodes, directement non connectés à des potentiels ou, une petite tension de déplacement (1-3 B) (1-3 B) est supportée, ce qui permet d'être appauvrir les porteurs de charge de toute la surface du semi-conducteur et de l'atténuation sur les effets de recombinaison.

La répétition du processus de commutation de la tension est répétée, replacement via la transition extrême R-H de manière séquentielle tous les emballages de charge, excité, par exemple, la lumière dans la chaîne. Dans le même temps, les impulsions de tension surviennent dans la chaîne de sortie, proportionnelle à la valeur de charge ce paquet. Le motif d'éclairage est transformé en relief de charge de surface, qui, après la promotion, le long de la rangée entière est converti en séquence d'impulsions électriques. Plus le nombre d'éléments dans une chaîne ou une matrice (récepteurs numériques 1-IR; éléments à 2 tampons; 3 ccds, transmission incomplète de l'emballage de charge d'une électrode à l'autre et améliorée par cette distorsion d'informations. Pour éviter toute distorsion de Le signal vidéo accumulé en raison de la poursuite du temps d'éclairage de l'éclairage, sur le cristal FPZS crée des zones de perception spatialement séparées - l'accumulation et la lecture de stockage et de la première fois à fournir une photosensibilité maximale, et la seconde, au contraire, blindée de lumière. En FPZ linéaires (fig. 3, a) charges accumulées dans la chaîne 1 pour un cycle, transmise au registre 2 (des éléments pairs) et dans le registre 3 (d'impair). À l'époque, selon ces Registres, les informations sont transmises via la sortie 4 dans le schéma de combinaison du signal 5, une nouvelle trame vidéo s'accumule en ligne 1. FPZS avec transfert de cadre (Figure 3) Les informations perçues par la matrice d'accumulation 7 sont rapidement "RESET" dans la matrice de stockage 2, à partir de quels suiveur Il est lu par le registre CCD 3; Dans le même temps, la matrice 1 accumule un nouveau cadre.

Figure 3 - Accumulation et lecture d'informations dans un instrument photosensible linéaire (A), matricielle (B) avec attache de charge et dans l'instrument avec injection de charge.

Outre la structure la plus simple (figure 1), les autres types de leurs types ont été obtenus, en particulier des instruments avec des électrodes de chevauchement en polycremium (Figure 4), dans lesquels des spectacles photo actifs sont fournis sur toute la surface du semi-conducteur et une petite Gap entre les électrodes et les appareils avec asymétrie de propriétés proches de surface (par exemple, une couche diélectrique d'épaisseur variable - Figure 4), fonctionnant en mode deux temps. Une caractéristique fondamentalement est la structure du CCD avec un canal volumétrique (Figure 4) formé par diffusion d'impuretés. L'accumulation, le stockage, le transfert de charge se produisent dans un volume semi-conducteur, où moins de la surface, la recombinaison des centres et la mobilité des opérateurs ci-dessus. La conséquence de cela est une augmentation de la quantité de valeur et une diminution de la comparaison avec toutes les variétés du CCD avec le canal de surface.

Figure 4 - Variétés d'instruments avec cravate de charge avec des canaux de surface et volumineux.

Pour la perception des images couleur, une des deux manières sont utilisées: séparation d'un courant optique utilisant un prisme sur le rouge, le vert, le bleu, la perception de chacun d'eux avec un cristal spécial - cristal, mélangeant des impulsions de tous les trois cristaux en une signal vidéo unique; Création à la surface d'un FPZS d'un film ou d'un filtre à lumière codant en mosaïque formant un raster de triades multicolores.

PZD-Matrix (Sokr. De " pribe S. z.achovoy deomse ") ou Matrice CCD (Sokr. De anglais CCD., "Dispositif à couplage de charge") - analogique spécialisé microcircuit intégrécomposé de photosensibilité photodiodeseffectué sur la base de siliciumTechnologie d'extinction Ccd - Appareils avec cravate de charge.

Les matrices CCD sont émises et sont activement utilisées par les entreprises. Nikon., Canon, Sony, Fuji., Kodak, Matsushita., Philips. Et plein d'autres. En Russie, les matrices CCD développent aujourd'hui et produisent CJSC "Elar", Saint-Pétersbourg.

Histoire de la matrice CCD

Le périphérique de charge a été inventé dans 1969. Willard Boyle et George Smith Dans les laboratoires Bella (AT & T Bell Labs.). Les laboratoires ont travaillé sur la téléphonie vidéo ( anglais photo téléphoner) et le développement de "mémoire à bulles à semi-conducteur" ( anglais semi-conducteur. bulle. mémoire. ). Les instruments présentant une cravate de charge ont commencé leur vie comme un dispositif de mémoire dans lequel il était possible de mettre une charge uniquement dans le registre d'entrée de l'appareil. Cependant, la capacité de l'élément de mémoire de l'appareil d'obtenir une charge en raison de effet photoélectrique Fait cette application Dispositifs CCD De base.

DANS 1970. Des chercheurs Bell Labs. Nous avons appris à enregistrer des images avec de simples périphériques linéaires.

Par la suite sous la direction de Katsuo Iwama ( Kazuo Iwama.) Compagnie Sony Il est devenu activement engagé dans le CCD, investi dans ces fonds importants et a réussi à établir la production de masse du CCD pour ses caméscopes.

Iwama est mort en août 1982. Ébrécher Ccd Il a été installé sur sa pierre tombale pour perpétuer sa contribution.

En janvier 2006. Pour le travail sur le CCD W. Boyle et J. Smith Des récompenses ont été attribuées Académie nationale d'ingénierie de nous (anglais nationale Académie. de. Ingénierie).

DANS 2009. Ces créateurs de la matrice de la CCD ont été attribués Prix \u200b\u200bNobel en physique.

Dispositif général et principe de travail

La matrice CCD se compose de polycémie, séparé du substrat de silicium, qui, lors de l'alimentation de la tension à travers des volets polycrémiques, des potentiels électriques changent près de Électrodes.

Avant l'exposition, l'alimentation d'une certaine combinaison de tensions aux électrodes est généralement réinitialisée toutes les charges formées précédemment et apportant tous les éléments à un état identique.

Ensuite, la combinaison des contraintes sur les électrodes crée une fosse potentielle dans laquelle les électrons peuvent s'accumuler formés dans cette matrice de pixels à la suite de l'effet de la lumière lors de l'exposition. Plus le flux de lumière intense pendant exposition, le plus accumule électrons dans la fosse potentielle, respectivement, plus la charge finale est élevée de cette pixel.

Après exposition, des modifications séquentielles de la tension sur les électrodes sont formées dans chaque pixel et la distribution de potentiels, ce qui entraîne le flux de charge dans une direction donnée, aux éléments de sortie de la matrice.

Exemple de matrice CCD souspixel avec poche N-Type

L'architecture des pixels des producteurs est différente.

Schéma de sous-pixels de la matrice CCD avec poche de type N (sur l'exemple d'un photodétecteur rouge)

Désignations sur le schéma de sous-pixel Ccd:

1 - Photons de lumière collées à travers la lentille de la caméra;

2 - Sous-pixel Microlinza;

3 - R - Filtre de lumière rouge Sous-pixel, fragment filtre Bayer;

4 - électrode transparente de polycristallin silicium ou alors boîte à oxyde;

5 - isolant (oxyde de silicium);

6 - Type N canal de silicium. Zone de génération de transporteur (zone photoeffecte interne);

7 - zone de puce potentielle (poche de type N), où les électrons sont collectés à partir de la zone de production de support;

8 - Substrat de silicium de type P;

Classification par méthode de tampon

[Matrice avec transfert complet

Matrix avec tampon de cadre

Matrix avec tampon de colonnes

Tailles de matrices photographiques

Coordonnées et capteurs d'angle

Matrice de l'éclairage arrière

Dans le schéma d'élément CCD classique, qui utilise des électrodes de silicium polycristallin, la sensibilité à la lumière est limitée en raison de la dispersion partielle de la lumière à la surface de l'électrode. Par conséquent, lors de la prise de vue dans des conditions spéciales nécessitant une sensibilité à la lumière accrue dans les zones bleues et ultraviolet du spectre, les matrices avec une illumination inverse sont utilisées ( anglais dos- illuminé matrice.). Dans les capteurs de ce type enregistré briller tombe sur le substrat, mais pour le photoeffet interne requis, le substrat sourit à l'épaisseur 10-15 μm.. Cette phase de traitement a considérablement augmenté le coût de la matrice, les dispositifs ont été obtenus très fragiles et demandés une prudence accrue lors de l'assemblage et du fonctionnement. Et lorsque vous utilisez des filtres de lumière qui affaiblissent le flux de lumière, toute une chirurgie coûteuse pour augmenter la sensibilité perdre la signification. Par conséquent, les matrices avec illumination inverse sont principalement utilisées dans photo astronomique.

Photosensibilité

La photosensibilité de la matrice est composée de toute sa photosensibilité. fantaisiste (pixels) et en général dépend de:

photosensibilité intégralereprésentant le rapport de magnitude effet photo à lumière Stream (en lumens) de la source de rayonnement de la composition spectrale normalisée;

photosensibilité monochromatique " - Ratation de magnitude effet photo À la magnitude lumière les énergies de rayonnement (à Milli andlectronvolts) correspondant à une certaine longueur d'onde;

un ensemble de toutes les valeurs de photosensibilité monochromatique pour la partie sélectionnée spectre La lumière est photosensibilité spectrale - dépendance de photosensibilité de la longueur d'onde légère;