CCD nima?

Bir oz tarix

Ilgari fotografik materiallar yorug'lik qabul qiluvchisi sifatida ishlatilgan: fotografik plitalar, fotoplyonkalar, fotografik qog'ozlar. Keyinchalik televizion kameralar va fotoko‘paytiruvchi naychalar (fotoko‘paytiruvchi naychalar) paydo bo‘ldi.
60-yillarning oxiri - 70-yillarning boshlarida "Charge Coupled Devices" deb nomlangan ishlab chiqila boshlandi, u CCD sifatida qisqartirildi. Yoqilgan ingliz tili u "zaryad bilan bog'langan qurilmalar" yoki qisqacha CCD ga o'xshaydi. Printsipial jihatdan CCDlar silikon ko'rinadigan yorug'likka ta'sir o'tkazishga qodir ekanligiga asoslangan edi. Va bu haqiqat ushbu printsip yordamida nurli narsalarning tasvirlarini olish mumkin degan fikrga olib keldi.

Astronomlar birinchilardan bo'lib CCD-ning rasm olish qobiliyatini favqulodda deb bilishdi. 1972 yilda JPL (Jet Propulsion Laboratory, AQSh) tadqiqotchilari guruhi astronomiya va kosmik tadqiqotlar uchun CCD rivojlanish dasturini yaratdilar. Uch yil o'tgach, Arizona universiteti olimlari bilan hamkorlikda jamoa birinchi astronomik CCD tasvirini qo'lga kiritdi. 1,5 metrlik teleskop yordamida Uranning infraqizil tasvirida sayyoramizning janubiy qutbida qora dog'lar topildi, bu erda metan borligini ko'rsatmoqda ...

Bugungi kunda CCD-matritsalardan foydalanish keng qo'llanilgan: raqamli kameralar, videokameralar; CCD-matritsani kameralar singari mobil telefonlarga ham o'rnatish imkoniyati paydo bo'ldi.

CCD qurilmasi

Odatda CCD qurilmasi (1-rasm): yarimo'tkazgich yuzasida dielektrik (odatda oksid) ingichka (0,1-0,15 mkm) qatlam mavjud bo'lib, ularda o'tkazgich elektrodlari (metall yoki polikristalli kremniydan yasalgan) chiziqlar joylashgan. Ushbu elektrodlar chiziqli yoki matritsali muntazam tizimni tashkil qiladi va elektrodlar orasidagi masofalar shu qadar kichikki, qo'shni elektrodlarning o'zaro ta'sirining ta'siri sezilarli bo'ladi. CCD ishlash printsipi tashqi elektr kuchlanishlari elektrodlarga tatbiq etilganda yarimo'tkazgichning sirtga yaqin qatlamida hosil bo'lgan potentsial quduqlarda zaryad paketlarining paydo bo'lishi, saqlanishi va yo'naltirilgan uzatilishiga asoslangan.

Shakl: 1. CCD-matritsaning asosiy tuzilishi.

Shakl. 1, C1, C2 va C3 MOS kondansatörlerini bildiradi (metall-oksid-yarimo'tkazgich).

Agar biron bir elektrodga U ijobiy kuchlanish qo'llanilsa, u holda MIS strukturasida elektr maydon paydo bo'ladi, uning ta'sirida ko'pchilik tashuvchilar (teshiklar) juda tez (bir necha pikosekundalarda) yarimo'tkazgich sirtini tark etadi. Natijada, sirtda tükenme qatlami hosil bo'ladi, uning qalinligi mikrometrenin fraksiyonları yoki birliklari. Har qanday jarayonlar ta'sirida (masalan, termal) tükenmiş qatlamda hosil bo'lgan yoki diffuziya ta'sirida yarimo'tkazgichning neytral hududlaridan u erga borgan ozchilik tashuvchilar (elektronlar) yarimo'tkazgich-izolyator interfeysiga o'tadi va tor teskari tomonga joylashadi. qatlam. Shunday qilib, sirtda elektronlar uchun potentsial quduq paydo bo'ladi, ular maydon ta'sirida tükenme qatlamidan siljiydi. Tugatish qatlamida hosil bo'lgan ko'pchilik tashuvchilar (teshiklar) maydon ta'sirida yarimo'tkazgichning neytral qismiga chiqariladi.
Berilgan vaqt oralig'ida har bir piksel asta-sekin unga kirgan yorug'lik miqdoriga mutanosib ravishda elektronlar bilan to'ldiriladi. Bu vaqtning oxirida elektr zaryadlarihar bir piksel bilan to'plangan, o'z navbatida, qurilmaning "chiqishi" ga uzatiladi va o'lchanadi.

Matritsalarning nurga sezgir pikselining o'lchami birdan ikkitadan bir necha o'nlab mikrongacha. Fotosurat plyonkasining nurli sezgir qatlamidagi galogenid kumushining kristallarining kattaligi 0,1 (musbat emulsiyalar) dan 1 mikrongacha (yuqori sezgir salbiy).

Matritsaning asosiy parametrlaridan biri bu kvant samaradorligi deb ataladi. Ushbu nom so'rilgan fotonlarni (kvantlarni) fotoelektronlarga o'tkazish samaradorligini aks ettiradi va fotosensitivlikning fotografik tushunchasiga o'xshaydi. Yorug'lik kvantlarining energiyasi ularning rangiga (to'lqin uzunligiga) bog'liq bo'lganligi sababli, matritsaning pikselida qancha elektron tug'ilishini, masalan, yuzga o'xshamaydigan fotonlarning oqimini yutib yuborganida, uni aniq belgilash mumkin emas. Shuning uchun kvant samaradorligi odatda matritsa pasportida to'lqin uzunligiga qarab beriladi va spektrning ba'zi qismlarida u 80% ga etishi mumkin. Bu fotografik emulsiya yoki ko'zdan ancha ko'p (taxminan 1%).

CCD ning turlari qanday?

Agar piksellar bir qatorga tizilgan bo'lsa, u holda qabul qilgich CCD o'lchagichi, agar sirt maydoni tekis qatorlar bilan to'ldirilgan bo'lsa, u holda qabul qilgich CCD matritsasi deb nomlanadi.

CCD o'lchagichi 80-90-yillarda astronomik kuzatuvlar uchun keng ko'lamdagi dasturlarga ega edi. Tasvirni CCD chizig'ida ushlab turish kifoya edi va u kompyuter monitorida paydo bo'ldi. Ammo bu jarayon ko'plab qiyinchiliklarga hamroh bo'ldi va shuning uchun hozirgi vaqtda CCD massivlari borgan sari CCDlar bilan almashtirilmoqda.

Kiruvchi effektlar

Kuzatuvlarga xalaqit berishi mumkin bo'lgan CCD-ga zaryad o'tkazishni istalmagan yon ta'sirlaridan biri bu tasvirning kichik maydonidagi yorqin joylar o'rniga yorqin vertikal chiziqlar (ustunlar). Shuningdek, CCD matritsalarining mumkin bo'lmagan kiruvchi ta'sirlariga quyidagilar kiradi: yuqori qorong'i shovqin, "ko'r" yoki "issiq" piksellar mavjudligi, matritsa maydonida notekis sezgirlik. Qorong'i shovqinni kamaytirish uchun CCD matritsalarini avtonom sovutish -20 ° C va undan past haroratgacha ishlatiladi. Yoki oldingi ramka olingan vaqt bilan (ta'sir qilish) va haroratga teng qorong'u ramka olinadi (masalan, yopiq ob'ektiv bilan). Keyinchalik maxsus dastur kompyuter tasvirdan quyuq ramkani olib tashlaydi.

CCD televizion kameralarining ajoyib tomoni shundaki, ular 752 x 582 piksel o'lchamlari bilan soniyada 25 kadrgacha suratga olishlari mumkin. Ammo ushbu turdagi ba'zi kameralarning astronomik kuzatuvlarga yaroqsizligi shundaki, ishlab chiqaruvchi qabul qilingan kadrlarni ko'rish orqali yaxshiroq idrok etish uchun ularda ichki tasvirni qayta ishlashni (o'qish - buzilish) amalga oshiradi. Bu AGC (boshqaruvni avtomatlashtirilgan sozlash) va shunday deb nomlangan. "o'tkir chegaralar" ta'siri va boshqalar.

Rivojlanish…

Umuman olganda, CCD qabul qiluvchilarni ishlatish raqamli bo'lmagan yorug'lik qabul qiluvchilariga qaraganda ancha qulayroqdir, chunki olingan ma'lumotlar darhol kompyuterda ishlov berish uchun mos keladigan shaklda paydo bo'ladi va qo'shimcha ravishda individual freymlarni olish tezligi juda yuqori (soniyada bir necha kvadratdan daqiqagacha).

IN hozirda CCD ishlab chiqarish tez sur'atlar bilan rivojlanmoqda va takomillashmoqda. Matritsalarning "megapiksellari" soni ortib boradi - matritsaning birlik maydoniga individual piksellar soni. CCD va boshqalar yordamida olingan tasvirlarning sifati yaxshilanadi.

Ishlatilgan manbalar:
1. 1. Viktor Belov. Mikronning o'ndan biriga to'g'ri keladi.
2. 2. S.E.Guryanov. Uchrashuv - CCD.

CCD matritsasi nima?

CCD / zaryad bilan bog'langan qurilma yoki CCD / zaryad bilan bog'langan qurilma analogidir integral mikrosxematarkibida kremniy yoki qalay oksididan tayyorlangan fotosensitiv fotodiodlar mavjud. Ushbu mikrosxemaning ishlash printsipi zaryad bilan bog'langan qurilmaga (CCD) ega bo'lgan qurilmalar texnologiyasiga asoslangan.

CCD tarixi

1969 yilda AQShning eng yirik AT&T Bell Labs korporatsiyasining Bell Laboratories-da Jorj Smit va Uillard Boyl zaryad bilan bog'langan qurilmani birinchi marta ishlatgan. Ular video telefoniya va "yarimo'tkazgichli ko'pikli xotira" deb nomlangan sohada tadqiqotlar olib borishgan.

Ko'p o'tmay, miniatyura moslamalari keng tarqaldi va zaryad mikrosxemaning kirish registriga joylashtirilgan xotira qurilmalari sifatida ishlatila boshlandi. Vaqt o'tishi bilan xotira xujayrasining fotoelektr ta'siridan zaryad olish qobiliyati CCD qurilmalarining asosiy maqsadi bo'ldi.

Bir yil o'tgach, 1970 yilda, xuddi shu Laboratoriya tadqiqotchilari eng oddiy chiziqli qurilmalar yordamida suratga olishga muvaffaq bo'lishdi, aslida Sony muhandislari tomonidan qabul qilingan. Ushbu kompaniya shu kungacha CCD texnologiyalari sohasida faol ish olib bormoqda va ushbu sohaga katta moliyaviy sarmoyalar kiritib, videokameralar uchun CCD matritsalarini ishlab chiqarishni har tomonlama rivojlantirmoqda. Aytgancha, CCD chip 1982 yilda vafot etgan Sony kompaniyasi rahbari Kazuo Ivamaning qabr toshiga o'rnatildi. Axir, u CCD matritsasini ommaviy ishlab chiqarish boshlanishining boshida turgan edi.

CCD matritsasi ixtirochilarining hissasi e'tibordan chetda qolmadi, shuning uchun 2006 yilda Uillard Boyl va Jorj Smit ushbu sohadagi ishlanmalari uchun AQSh Milliy muhandislik akademiyasining mukofotiga sazovor bo'lishdi va 2009 yilda ular fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi.

Printsip cCD ishi-matrisalar

CCD matritsasi deyarli butunlay silikon substratdan dastlab maxsus membrana bilan ajratilgan polsilisimondan iborat. Polissilonli eshiklar yordamida membranaga kuchlanish berilganda, o'tkazgich elektrodlari yaqinida joylashgan elektr potentsiallari juda o'zgaradi.

Elektrodlarga ta'sir qilish va ma'lum bir kuchlanishni etkazib berishdan oldin, ilgari hosil bo'lgan barcha zaryadlar zaryadsizlanadi va barcha elementlarning bir xil yoki asl holatiga aylanishi kuzatiladi.

Elektrotlardagi kuchlanishlarning kombinatsiyasi potentsial zaxirani yoki quduq deb ataladi, bu erda elektronlar to'planib, yorug'lik nurlari ta'sirida matritsaning ma'lum bir pikselida paydo bo'ldi. Yorug'lik oqimining intensivligiga qarab, potentsial quduqda to'plangan elektronlarning hajmi ham joylashgan, shuning uchun u qanchalik katta bo'lsa, ma'lum bir pikselning so'nggi zaryadining kuchi shunchalik yuqori bo'ladi.

Ta'sir tugagandan so'ng, har bir alohida pikselda elektrodlarning besleme zo'riqishida ketma-ket o'zgarishlar yuz beradi, uning yonida potentsial taqsimlanish kuzatiladi, natijada zaryadlar ma'lum yo'nalishda - CCD matritsasining chiqish piksellariga o'tadi.

CCD matritsasi elementlarining tarkibi

Umuman olganda, CCD elementining dizayni n-tipli yarimo'tkazgich kanallari bilan ta'minlangan p-tipli silikon substrat sifatida ifodalanishi mumkin. Ushbu kanallarning yuqori qismida izolyatsion kremniy oksidi membranasi bo'lgan polikristalli kremniydan tayyorlangan elektrodlar mavjud.

Ushbu elektrodlarga elektr potentsialini qo'llaganidan so'ng, n-tipli kanal ostida zaiflashgan zonada potentsial tuzoq (quduq) paydo bo'ladi. Uning asosiy vazifasi elektronlarni tejashdir. Kremniyga tushadigan nur zarrasi potentsial tuzoqqa tortilib, unda saqlanib qolgan elektronlar hosil bo'lishiga sabab bo'ladi. Ko'p sonli fotonlar yoki yorqin nurlar tuzoqqa kuchli zaryad beradi, shundan so'ng mutaxassislar fototok deb ataydigan hosil bo'lgan zaryadning qiymatini hisoblash va kuchaytirish zarur.

CCD elementlarining fotosuratlarini o'qish jarayoni ketma-ket siljish registrlari deb nomlangan holda amalga oshiriladi, ular kirishda zaryadlar qatorini chiqishda bir qator impulslarga aylantiradi. Ushbu oqim impulslar aslida kuchaytirgichga boradigan analog signaldir.

Shunday qilib, ichida analog signal registr yordamida CCD elementlaridan simli zaryadlarni konvertatsiya qilish mumkin. Amalda CCD matritsalarida ketma-ket siljish registri bir qatorda qurilgan bir xil CCD elementlari yordamida amalga oshiriladi. Bunday holda, ushbu qurilmaning ishlashi zaryad bilan bog'langan qurilmalarning potentsial tuzoqlarining zaryadlarini almashtirish qobiliyatiga asoslanadi. Ushbu jarayon qo'shni CCD-elementlar orasiga joylashtirilgan maxsus uzatish elektrodlari mavjudligi sababli amalga oshiriladi. Hozirgi vaqtda yuqori potentsial eng yaqin elektrodga qo'llaniladi, zaryad potentsial quduqdan uning ostiga o'tadi. Shu bilan birga, odatda CCD elementlari o'rtasida ikkitadan to'rtgacha o'tkazuvchi elektrodlar joylashgan bo'lib, ularning soni siljish registrining fazasini belgilaydi, ikki fazali, uch fazali yoki to'rt fazali deb nomlanadi.

O'tkazish elektrodlariga turli xil potentsiallarni etkazib berish shu tarzda sinxronlashtiriladiki, registrning barcha CCD elementlarining potentsial tuzoqlari zaryadlarini o'tkazish deyarli bir vaqtning o'zida amalga oshiriladi. Shunday qilib, uzatishning bir "qadamida" CCD elementlari zaryadlarni zanjir bo'ylab o'ngdan chapga yoki chapdan o'ngga siljitadi. Bunday holda, haddan tashqari CCD elementi o'z zaryadini registrning chiqish qismida joylashgan kuchaytirgichga beradi. Shunday qilib, ketma-ket siljish registri ketma-ket chiqish va parallel kirish moslamasi ekanligi aniq ko'rinib turibdi.

Ro'yxatdan o'tish bo'yicha mutlaqo barcha to'lovlarni o'qish jarayoni tugagandan so'ng, uni kiritishga topshirish mumkin bo'ladi yangi qator, keyin boshqasi va boshqalar. Natijada ikki o'lchovli fotosuratlar oqimiga asoslangan uzluksiz analog signal paydo bo'ladi. Keyinchalik ketma-ket siljish registriga kirish parallel oqimi parallel siljish registri deb nomlangan vertikal yo'naltirilgan ketma-ket siljish registrlarining ko'pligi bilan ta'minlanadi. O'rnatilgan shakldagi ushbu yig'ilishning barchasi aynan bugungi kunda CCD-matritsa deb nomlangan qurilmadir.

Qattiq jismli fotoelektr konvertorlari (TPVC) tasvirlari uzatuvchi CRTlarga o'xshaydi.

TFEPlar 1970 yildan, CCD deb nomlangan va MOS yoki MOS tuzilmalarining kondansatörleri bo'lgan alohida hujayralar asosida shakllangan. Bunday elementar kondansatör plitalaridan biri metall plyonka M, ikkinchisi yarim o'tkazgich substrat P ( p- yoki n- o'tkazuvchanlik), dielektrik D - substrat P da yupqa qatlam shaklida qo'llaniladigan yarimo'tkazgich. pyoki turi) yoki donor ( n-tip) nopoklik, va D sifatida - kremniy oksidi SiO 2 (8.8-rasmga qarang).

Shakl: 8.8.MOS kondansatörü

Shakl: 8.9.Elektr maydon ta'sirida zaryadlarni harakatga keltirish

Shakl: 8.10.Uch fazali CCD tizimining ishlash printsipi

Shakl: 8.11.Ikki fazali CCD tizimidagi zaryadlarni harakatga keltirish

Metall elektrodga kuchlanish berilsa, uning ostida "cho'ntak" yoki potentsial quduq paydo bo'ladi, unda ozchilikni tashuvchilar (bizning holatimizda elektronlar) "to'planishi" mumkin va aksariyat tashuvchilar, teshiklar M dan orqaga qaytadi. , ozchilik tashuvchilarning kontsentratsiyasi asosiy tashuvchilar kontsentratsiyasidan yuqori bo'lishi mumkin. Dielektrik D yaqinidagi P substratda teskari qatlam paydo bo'ladi, unda o'tkazuvchanlik turi teskari yo'naltiriladi.

CCD-dagi zaryadlar to'plami elektr yoki yorug'lik hosil qilish orqali kiritilishi mumkin. Yorug'lik paydo bo'lishi paytida, kremniyda yuzaga keladigan fotoelektrik jarayonlar potentsial quduqlarda ozchilik tashuvchilarni to'planishiga olib keladi. Yig'ilgan zaryad yorug'lik va yig'ilish vaqtiga mutanosibdir... Zaryadni CCD ga yo'naltirish yo'nalishi MOS kondansatkichlarini bir-biriga shunchalik yaqin joylashtirish orqali ta'minlanadi, ularning tükenme mintaqalari bir-birining ustiga chiqadi va potentsial quduqlar ulanadi. Bunday holda, ozchilikni tashuvchilarning mobil zaryadlari potentsial quduq chuqurroq bo'lgan joyda to'planadi.

Yorug'lik ta'sirida elektrod ostida zaryad yig'ilsin U 1 (8.9-rasmga qarang). Agar hozir qo'shni elektrod bo'lsa U 2 kuchlanishni qo'llang U 2 \u003e U 1, keyin yana bir potentsial chuqur yaqinroqda, chuqurroq paydo bo'ladi ( U 2 \u003e U bitta). Ular orasida elektr maydon mintaqasi paydo bo'ladi va ozchilik tashuvchilar (elektronlar) chuqurroq "cho'ntakka" siljiydi (oqadi) (8.9-rasmga qarang). Zaryadlarni o'tkazishda ikki yo'nalishni yo'q qilish uchun 3 elektrod guruhiga birlashtirilgan elektrodlar ketma-ketligini qo'llang (8.10-rasmga qarang).

Agar, masalan, elektrod 4 ostida zaryad to'planib, uni o'ng tomonga o'tkazish zarur bo'lsa, o'ng elektrod 5 ga yuqori kuchlanish qo'llaniladi ( U 2 \u003e U 1) va unga zaryad oqadi va hokazo.

Deyarli barcha elektrodlar to'plami uchta avtobusga ulangan:

Men - 1, 4, 7, ...

II - 2, 5, 8, ...

III - 3, 6, 9, ...

Bizning holatlarimizda "qabul qilish" kuchlanishi ( U 2) 2 va 5 elektrodlarda bo'ladi, lekin elektrod 2 zaryad saqlanadigan elektrod 4 dan elektrod 3 bilan ajratiladi

U 3 \u003d 0), shuning uchun chap tomonda qon bo'lmaydi.

CCD-ning uch zarbali ishlashi bitta televizor-tasvir elementiga uchta elektrod (xujayra) mavjudligini nazarda tutadi, bu esa yorug'lik oqimi ishlatadigan foydali maydonni kamaytiradi. CCD hujayralari (elektrodlari) sonini kamaytirish uchun metall elektrodlar va dielektrik qatlam pog'onali shaklda hosil bo'ladi (8.11-rasmga qarang). Bu elektrodlarga kuchlanish impulslari qo'llanilganda uning turli bo'limlari ostida har xil chuqurlikdagi potentsial quduqlarni yaratishga imkon beradi. Qo'shni hujayradan olinadigan zaryadlarning aksariyati chuqurroq chuqurga tushadi.

Ikki fazali CCD tizimi yordamida matritsadagi elektrodlar (hujayralar) soni uchdan biriga kamayadi, bu esa potentsial relefning o'qilishini ijobiy ta'sir qiladi.

Dastlab CCDlarni hisoblashda saqlash moslamalari va smenali registrlar sifatida ishlatish taklif qilingan. Zanjirning boshida tizimga zaryad kiritadigan in'ektsion diyot joylashtirildi va zanjirning oxirida odatda chiqish diodasi n-p- yoki p-n-cCD zanjirli maydon effektli tranzistorlarining birinchi va oxirgi elektrodlari (xujayralari) bilan hosil bo'lgan MOS tuzilmalarining o'tishlari.

Ammo tez orada CCD-lar yorug'likka juda sezgir ekanligi ayon bo'ldi va shu sababli ularni saqlash moslamalari sifatida emas, balki yorug'lik detektorlari sifatida ishlatish yaxshiroq va samaraliroq.

Agar fotodetektor sifatida CCD matritsasi ishlatilsa, u holda u yoki bu elektrod ostida zaryad to'planishi optik usul (yorug'lik in'ektsiyasi) bilan amalga oshirilishi mumkin. Aytishimiz mumkinki, CCD-lar asosan nurga sezgir analog almashtirish registrlari. Bugungi kunda CCDlar saqlash moslamalari (xotira) sifatida emas, balki faqat fotodetektor sifatida foydalanilmoqda. Ular faksimile mashinalarida, skanerlarda (CCD), kameralarda va videokameralarda (CCD) ishlatiladi. Odatda, televizor kameralarida CCD chiplari ishlatiladi.

Biz barcha to'lovlarning 100% qo'shni cho'ntagiga o'tkazilishini taxmin qildik. Amalda esa yo'qotishlarni hisobga olish kerak. Yo'qotish manbalaridan biri bu to'lovlarni ushlab turish va ushlab turishga qodir bo'lgan "tuzoq" lardir. Ushbu to'lovlar, agar uzatish tezligi yuqori bo'lsa, qo'shni cho'ntagiga tushishga vaqt yo'q.

Ikkinchi sabab - bu toshib ketish mexanizmining o'zi. Birinchi lahzada, zaryad uzatish kuchli elektr maydonida sodir bo'ladi E... Biroq, zaryadlar oqishi bilan, maydon kuchliligi pasayadi va drift jarayoni tugaydi, shuning uchun oxirgi qism diffuziya tufayli harakatlanadi, driftga qaraganda 100 baravar sekinroq. Oxirgi qismni kutish past ishlashni anglatadi. Drift 90% dan ortiq yukni beradi. Ammo bu yo'qotishlarni aniqlashda asosiy foizlar.

Bitta uzatish tsiklining uzatish koeffitsienti bo'lsin k \u003d 0,99, tsikllar sonini qabul qilinganda N \u003d 100, biz o'tkazmaning umumiy koeffitsientini aniqlaymiz:

0,99 100 = 0,366

Bu aniq katta raqam elementlar, hatto bitta elementdagi ahamiyatsiz yo'qotishlar ham umuman zanjir uchun katta ahamiyatga ega bo'ladi.

Shuning uchun, CCD matritsasida zaryad o'tkazmalarining sonini kamaytirish masalasi ayniqsa muhimdir. Shu nuqtai nazardan, ikki fazali CCD matritsasi uch fazali tizimga qaraganda bir oz yuqori zaryad uzatish koeffitsientiga ega bo'ladi.

Kirish

Ushbu muddatli ishda men ko'rib chiqaman umumiy ma'lumot zaryadlangan qurilmalar, parametrlari, yaratilish tarixi, o'rta infraqizil diapazonidagi zamonaviy CCD kameralarining xususiyatlari haqida.

Amalga oshirish natijasida muddatli ish yaratilish, harakat tamoyili, texnik xususiyatlari va o'rta infraqizil CCD kameralardan foydalanish.

CCD. CCD ning fizik printsipi. CCD

Zaryad bilan bog'langan qurilma (CCD) - bu umumiy yarimo'tkazgichli substratda hosil bo'lgan oddiy MIS tuzilmalari (metall-dielektrik-yarimo'tkazgich) bo'lib, bu elektrodlarning chiziqlari qo'shni elektrodlar orasidagi masofa etarli bo'lgan chiziqli yoki matritsali muntazam tizim hosil qiladi. kichik (1-rasm). Ushbu holat qurilmaning ishlashida qo'shni MIS tuzilmalarining o'zaro ta'siri hal qiluvchi ekanligini aniqlaydi.

1-rasm - CCD tuzilishi

Asosiy funktsional maqsadlar fotosensitiv CCD - optik tasvirlarni elektr impulslari ketma-ketligiga aylantirish (video signalni shakllantirish), shuningdek raqamli va analog ma'lumotlarni saqlash va qayta ishlash.

CCDlar monokristalli kremniy asosida tayyorlanadi. Buning uchun silikon dioksidning ingichka (0,1-0,15 mikron) dielektrik plyonkasi silikon vafli yuzasida termal oksidlanish orqali hosil bo'ladi. Ushbu jarayon yarimo'tkazgich - izolyator interfeysining mukammalligini ta'minlaydigan va interfeysdagi rekombinatsiya markazlarining kontsentratsiyasini minimallashtiradigan tarzda amalga oshiriladi. Ayrim MIS elementlarining elektrodlari alyuminiydan tayyorlangan, ularning uzunligi 3-7 mikron, elektrodlar orasidagi bo'shliq 0,2-3 mikron. Lineer va matritsali CCD-da MIS-elementlarning 500-2000 ning odatiy soni; plitaning maydoni Har bir qatorning o'ta elektrodlari ostida, elektr zaryadlarining bir qismini (zaryad paketlarini) kiritish-chiqarish uchun mo'ljallangan p-n - birikmalar amalga oshiriladi. usul (p-n-birikma bilan in'ektsiya). Fotoelektrik bilan zaryad paketlarining kiritilishi, CCD old yoki orqa tomondan yoritilgan. Frontal yoritish ostida, elektrodlarning soya ta'sirini oldini olish uchun alyuminiy odatda spektrning ko'rinadigan va IR-ga yaqin hududlarida shaffof bo'lgan, qattiq dopinglangan polikristalli kremniy (polisilimon) plyonkalari bilan almashtiriladi.

CCD qanday ishlaydi

CCD ishlashining umumiy printsipi quyidagicha. Agar CCD ning har qanday metall elektrodiga salbiy kuchlanish qo'llanilsa, u holda paydo bo'ladigan elektr maydonining ta'sirida substratning asosiy tashuvchisi bo'lgan elektronlar sirtni yarimo'tkazgichga chuqur tashlab qo'yishadi. Er yuzida tükenme mintaqasi hosil bo'ladi, bu energiya diagrammasida ozchilikni tashuvchilar uchun potentsial quduqni - teshiklarni aks ettiradi. Ushbu mintaqaga tushgan teshiklar qaysidir ma'noda izolyator - yarimo'tkazgich interfeysiga jalb qilinadi va ular sirtga yaqin tor qatlamda joylashadi.

Agar endi qo'shni elektrodga kattaroq amplituda salbiy kuchlanish qo'llanilsa, unda chuqurroq potentsial quduq hosil bo'ladi va teshiklar unga o'tadi. Turli CCD elektrodlariga kerakli nazorat kuchlanishlarini qo'llagan holda, ma'lum bir sirt mintaqalarida zaryadlarning saqlanishini va zaryadlarning sirt bo'ylab yo'naltirilgan harakatini (strukturadan tuzilishga) ta'minlash mumkin. Zaryad paketini kiritish (yozib olish) yoki masalan, o'ta CCD elementi yaqinida joylashgan pn-birikma yoki yorug'lik hosil qilish yo'li bilan amalga oshirilishi mumkin. Tizimdan zaryadni olib tashlash (o'qish), shuningdek, pn birikmasi yordamida amalga oshiriladi. Shunday qilib, CCD - bu tashqi ma'lumot (elektr yoki.) Bo'lgan qurilma yorug'lik signallari) uyali aloqa operatorlarining zaryadli paketlariga aylantirilib, ma'lum bir tarzda sirtga yaqin mintaqalarda joylashgan bo'lib, axborotni qayta ishlash ushbu paketlarning sirt bo'ylab boshqariladigan harakati bilan amalga oshiriladi. Raqamli va analog tizimlarni CCD asosida qurish mumkinligi aniq. Uchun raqamli tizimlar faqat ma'lum bir CCD elementidagi teshiklarning zaryadining mavjudligi yoki yo'qligi haqiqati muhimdir, analog ishlov berishda ular harakatlanuvchi zaryadlarning qiymatlari bilan shug'ullanadilar.

Agar tasvirni olib boradigan yorug'lik oqimi ko'p elementli yoki matritsali CCD ga yo'naltirilsa, u holda yarimo'tkazgich hajmida elektron teshik juftlarini fotogeneratsiyasi boshlanadi. CCD-ning tükenme hududida bir marta, tashuvchilar ajratiladi va potentsial quduqlarda teshiklar yig'iladi (bundan tashqari, to'plangan zaryad qiymati mahalliy yoritishga mutanosib). Tasvirni idrok etish uchun etarli bo'lgan ma'lum bir vaqtdan so'ng (bir necha millisekundalar bo'yicha), yoritish taqsimotiga mos keladigan zaryad paketlarining surati CCD matritsasida saqlanadi. Soat yoqilganda, zaryad paketlari chiqadigan o'quvchiga o'tadi, bu ularni elektr signallariga aylantiradi. Natijada, natijada video signal beradigan konvertni beradigan turli xil amplituda impulslar ketma-ketligi bo'ladi.

Uch tsiklli (uch fazali) sxema bilan boshqariladigan CCD chizig'ining bir qismi misolida CCD ishlash printsipi 2-rasmda keltirilgan. saqlash quvvati Uxp, asosiy tashuvchilarni - p tipidagi kremniyning teshiklarini orqaga surib, yarimo'tkazgichga chuqur kirib, 0,5-2 mikron chuqurlikdagi tükenmiş qatlamlarni hosil qiladi - elektronlar uchun potentsial quduqlar. PCD sirtini yoritishda kremniy hajmida ortiqcha elektron teshik juftlari hosil bo'ladi, elektronlar potentsial quduqlarga tortilib, 1, 4,7 elektrodlari ostida ingichka (0,01 mkm) sirt qatlamida joylashib, signal zaryad paketlarini hosil qiladi.

zaryadlovchi aloqa kamerasi infraqizil

Shakl 2 - Uch fazali zaryadli bog'langan qurilmaning ishlash sxemasi - smenali registr

Har bir paketdagi zaryad miqdori berilgan elektrod yaqinidagi sirt ta'siriga mutanosibdir. Yaxshi shakllangan MIS tuzilmalarida elektrodlar yonida hosil bo'lgan zaryadlar nisbatan uzoq vaqt davomida saqlanib turishi mumkin, ammo asta-sekin, nopoklik markazlari tomonidan zaryad tashuvchilarni hosil bo'lishi, asosiy qismdagi nuqsonlar yoki interfeys tufayli bu zaryadlar potentsial quduqlarda signal zaryadlaridan oshib ketguncha va hatto quduqlarni to'liq to'ldirguncha to'planib qoladi.

II tsikl davomida (zaryadni uzatish) 2, 5, 8 va hokazo elektrodlarga saqlash zo'riqishidan yuqori o'qish kuchlanishi qo'llaniladi. Shuning uchun 2, 5 va 8 elektrodlari ostida chuqurroq potentsiallar paydo bo'ladi. 1, 4 va 7 elektronlar ostidagi quduqlar va 1 va 2, 4 va 5,7 va 8 elektrodlari yaqinligi sababli ular orasidagi to'siqlar yo'qoladi va elektronlar qo'shni, chuqurroq potentsial quduqlarga oqadi.

III tsikl davomida 2, 5, 8 elektrodlaridagi kuchlanish 1, 4, 7 elektrodlardan a ga kamayadi.

T. haqida. barcha zaryad paketlari CCD chizig'i bo'ylab o'ng tomonga bir qadam, qo'shni elektrodlar orasidagi masofaga teng ravishda uzatiladi.

Butun operatsiya davomida potentsiallarga bevosita ulanmagan elektrodlarda kichik kuchlanish kuchi (1-3 V) saqlanib qoladi yoki kichik yonilg'i kuchlanishini (1-3 V) ushlab turadi, bu butun yarimo'tkazgich yuzasida zaryad tashuvchilarning kamayishini va undagi rekombinatsiya ta'sirini susaytiradi.

Kuchlanishlarni almashtirish jarayonini ko'p marotaba takrorlash, hayajonlangan barcha zaryad paketlari, masalan, chiziqdagi yorug'lik bilan, haddan tashqari r-h-o'tish orqali ketma-ket chiqariladi. Bunday holda, chiqish pallasida zaryad miqdoriga mutanosib ravishda kuchlanish pulslari paydo bo'ladi ushbu paket... Yorug'lik namunasi sirt zaryadini kamaytirishga aylantiriladi, u butun chiziq bo'ylab harakatlangandan so'ng elektr impulslari ketma-ketligiga aylanadi. Bir qatorda yoki matritsada elementlarning soni qancha ko'p bo'lsa (1 - IQ qabul qiluvchilar soni; 2 - bufer elementlar; 3 - CCD - bu zaryad paketini bir elektroddan qo'shni elektroduga to'liq o'tkazmasligi va natijada ma'lumot buzilishi kuchayadi. Tufayli to'plangan video signal buzilishining oldini olish uchun yorug'lik uzatish vaqti, FPCD kristalida, fazoviy ajratilgan idrok sohalari - to'planish va saqlash - o'qish hosil bo'ladi va birinchisida ular maksimal darajada sezgirlikni ta'minlaydi, ikkinchisi, aksincha, uni nurdan ekranga chiqaradi, chiziqli FPCD-da (3-rasm, a) zaryadlar ketma-ket yig'iladi. 1 bitta tsiklda 2 registrga (juft elementlardan) va 3 registrga (toq elementlardan) o'tkaziladi.Ma'lumotlar ushbu registrlar orqali 4 chiqish orqali 5-tutashuv davri signaliga o'tish paytida 1-satrda yangi video kadr to'planadi. Kadrlarni uzatishda FPSS (3-rasm), 7-birikma matritsasi tomonidan olingan ma'lumotlar tezda 2-saqlash matritsasiga "tashlanadi", undan ketma-ket ammo CCD registri 3 tomonidan o'qiladi; shu vaqtning o'zida 1-matritsa yangi ramkani to'playdi.

3-rasm - chiziqli (a), matritsali (b) fotosensitiv moslamada zaryad biriktirilgan va zaryadlangan in'ektsion qurilmada ma'lumot to'plash va o'qish.

Eng oddiy tuzilishdagi CCDlardan tashqari (1-rasm), ularning boshqa turlari ham keng tarqaldi, xususan, polissilikon elektrodlari ustma-ust tushadigan qurilmalar (4-rasm), bu erda butun yarimo'tkazgich yuzasida faol foto ekspozitsiya ta'minlanadi va elektrodlar orasidagi kichik bo'shliq va sirtga yaqin xususiyatlar assimetriyasiga ega qurilmalar (masalan) ., o'zgaruvchan qalinligi dielektrik qatlami bilan - 4-rasm), ikki zarbali rejimda ishlaydi. Aralashmalarning tarqalishi natijasida hosil bo'lgan volumetrik kanalga ega bo'lgan CCD ning tuzilishi (4-rasm) tubdan farq qiladi. Yig'ish, saqlash va zaryadlarni o'tkazish yarimo'tkazgichning asosiy qismida sodir bo'ladi, bu erda markazlarning rekombinatsiyasi sirtga qaraganda kamroq va tashuvchining harakatchanligi yuqori. Buning oqibati sirt kanaliga ega bo'lgan CCD ning barcha turlariga nisbatan kattalashish va pasayish tartibidir.

Shakl 4 - Zaryadlangan va sirt kanallari bilan bog'langan qurilmalarning navlari.

Rangli tasvirlarni idrok etish uchun ikkita usuldan biri qo'llaniladi: prizma yordamida optik oqimni qizil, yashil, ko'k ranglarga bo'lish, ularning har birini maxsus FPCD - kristal bilan idrok qilish, har uchala kristallardan pulslarni bitta video signalga aralashtirish; FPZS yuzasida plyonka chizig'ini yoki mozaikali kodlash filtrini yaratish, bu ko'p rangli triadlarning rasterini hosil qiladi.

CCD matritsasi ("dan \u200b\u200bqisqartirilgan" pbilan asbob saryadova danligature ") yoki CCD matritsasi (dan qisqartirilgan ingliz tili CCD, "Zaryad bilan bog'langan qurilma") - ixtisoslashtirilgan analog integral mikrosxemayorug'lik sezgirligidan iborat fotodiodlarshunga asosan kremniytexnologiyadan foydalangan holda CCD - zaryad bilan bog'langan qurilmalar.

CCDlar kompaniyalar tomonidan ishlab chiqariladi va faol foydalaniladi Nikon, Canon, Sony, Fuji, Kodak, Matsushita, Flibs va boshqalar. Rossiyada CCD matritsalari hozirda Sankt-Peterburgdagi ZAO NPP ELAR tomonidan ishlab chiqilmoqda va ishlab chiqarilmoqda.

CCD tarixi

Zaryad bilan bog'langan qurilma ixtiro qilingan 1969 yil Villard Boyl tomonidan va Jorj Smit Bell Labs-da (AT&T) Qo'ng'iroq laboratoriyalari). Laboratoriyalar video telefoniya ( ingliz tili rasm telefon) va "yarimo'tkazgichli qabariqli xotira" ning rivojlanishi ( ingliz tili yarim o'tkazgich qabariq xotira ). Zaryadlash bilan bog'langan qurilmalar hayotni xotira qurilmalari sifatida boshladi, unda faqat qurilmaning kirish registrida zaryad qo'yish mumkin edi. Biroq, qurilma xotirasi elementining zaryad olish qobiliyati tufayli fotoelektr effekti ushbu dasturni amalga oshirdi CCD qurilmalari asosiysi.

IN 1970 yil tadqiqotchilar Qo'ng'iroq laboratoriyalari oddiy chiziqli qurilmalar yordamida tasvirga olishni o'rgangan.

Keyinchalik, Katsuo Ivama rahbarligida ( Kazuo Ivama) kompaniya Sony CCD-larda faol ishtirok etib, unga katta mablag 'kiritdi va o'z videokameralari uchun CCD-larni seriyali ishlab chiqarishni yo'lga qo'ydi.

Ivama avgust oyida vafot etdi 1982 yil... Chip CCD hissasini yod etish uchun uning qabr toshiga o'rnatildi.

Yanvarda 2006 yil CCD ustida ishlash uchun V Boyl va J. Smit taqdirlandi AQSh Milliy muhandislik akademiyasi (ingliz tili Milliy Akademiya ning Muhandislik).

IN 2009 yil CCD-ning ushbu yaratuvchilari taqdirlandi Fizika bo'yicha Nobel mukofoti.

Umumiy qurilma va ishlash printsipi

CCD quyidagilardan iborat polisilikon, kremniy substratidan ajratilgan bo'lib, unda polsilisonli eshiklar orqali kuchlanish qo'llanilganda elektr potentsiallari o'zgaradi elektrodlar.

Ta'sir qilishdan oldin, odatda elektrodlarga kuchlanishning ma'lum bir kombinatsiyasini qo'llash orqali avval hosil bo'lgan barcha zaryadlar bo'shatiladi va barcha elementlar bir xil holatga keltiriladi.

Bundan tashqari, elektrodlardagi kuchlanishlarning kombinatsiyasi potentsial quduqni hosil qiladi, unda yorug'lik ta'sirida matritsaning ma'lum pikselida hosil bo'lgan elektronlar to'planishi mumkin. Davomida yorug'lik oqimi qanchalik intensiv bo'lsa ekspozitsiya, u ko'proq to'planadi elektronlar potentsial quduqda, tegishlicha, berilganning yakuniy to'lovi qanchalik baland bo'lsa piksel.

Ta'sirdan so'ng har bir pikselda elektrodlar bo'ylab voltajning ketma-ket o'zgarishi va uning yonida potentsial taqsimot hosil bo'ladi, bu esa matritsaning chiqish elementlariga ma'lum yo'nalishda zaryad oqimiga olib keladi.

N-cho'ntakli CCD sub pikseliga misol

Piksellar arxitekturasi ishlab chiqaruvchilar uchun farq qiladi.

N-tipli cho'ntakli CCD-matritsaning subpiksellari sxemasi (qizil fotodetektor misolida)

Subpikselli diagramma afsonasi CCD:

1 - Kamera ob'ektividan o'tgan yorug'lik fotonlari;

2 - subpikselli mikrolenslar;

3 - R - subpikselli qizil filtr, fragment bayer filtri;

4 - shaffof elektrod polikristal kremniy yoki qalay oksidi;

5 - izolyator (kremniy oksidi);

6 - n-tipli silikon kanal. Tashuvchini yaratish zonasi (ichki fotoelektr zonasi);

7 - potentsial quduq zonasi (n-tipli cho'ntak), bu erda elektronlar tashuvchini yaratish zonasidan yig'iladi;

8 - p-tipli kremniy substrat;

Buferlar tasnifi

[To'liq kadrli uzatish matritsalari

Tamponlangan matritsalar

Ustunli buferlangan matritsalar

Fotosurat matritsalarining o'lchamlari

Koordinata va burchak sezgichlari

Orqa yoritilgan matritsalar

Polikristalli silikon elektrodlardan foydalangan holda klassik CCD zanjirida elektrod yuzasidan yorug'likning qisman tarqalishi tufayli nur sezgirligi cheklangan. Shuning uchun, spektrning ko'k va ultrabinafsha mintaqalarida yorug'lik sezgirligini oshirishni talab qiladigan maxsus sharoitlarda tortishish paytida orqa yoritilgan matritsalardan foydalaniladi ( ingliz tili orqaga- yoritilgan matritsa). Ushbu turdagi sensorlarda qayd etilgan porlash substratga tushadi, lekin kerakli ichki fotoeffekt uchun substrat 10-15 qalinlikda maydalanadi mkm... Ushbu ishlov berish bosqichi matritsaning narxini sezilarli darajada oshirdi, asboblar juda nozik bo'lib chiqdi va yig'ish va ishlatish paytida ehtiyotkorlik talab qilindi. Va yorug'lik oqimini susaytiradigan yorug'lik filtrlaridan foydalanganda, sezgirlikni oshirish bo'yicha barcha qimmat operatsiyalar ma'nosiz bo'lib qoladi. Shuning uchun, orqada yoritilgan matritsalar asosan ishlatiladi astronomik fotosurat.

Yorug'lik sezgirligi

Matritsali fotosensitivlik - bu uning barcha yorug'lik sezgirligining yig'indisi foto sensorlar (piksel) va odatda quyidagilarga bog'liq:

ajralmas fotosensitivlik, bu miqdorning nisbati fotoeffekt ga yorug'lik normallashtirilgan spektral kompozitsiyaning nurlanish manbasidan oqim (lümenlerde);

bir rangli yorug'lik sezgirligi " - kattalik nisbati fotoeffekt qiymatga yorug'lik ma'lum bir to'lqin uzunligiga mos keladigan radiatsiya energiyasi (millielektronvoltlarda);

tanlangan qism uchun monoxromatik sezgirlikning barcha qiymatlari to'plami spektr yorug'lik spektral fotosensitivlik - yorug'lik sezgirligining yorug'lik to'lqin uzunligiga bog'liqligi;