Kirish

Ushbu kurs ishida men zaryad bilan bog'langan qurilmalar, parametrlar, yaratilish tarixi, o'rta infraqizil oralig'idagi zamonaviy CCD kameralarning xarakteristikalari haqida umumiy ma'lumotlarni ko'rib chiqaman.

Kurs ishi natijasida men CCD kameralarini yaratish, ishlash printsipi, texnik xususiyatlari va IQ o'rta diapazonida qo'llash bo'yicha adabiyotlarni o'rgandim.

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

Nur sezgir CCD-larning asosiy funktsional vazifalari optik tasvirlarni elektr impulslari ketma-ketligiga aylantirish (video signalni shakllantirish), shuningdek raqamli va analog ma'lumotlarni saqlash va qayta ishlashdir.

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 markazlarning rekombinatsiyasi 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 tipik soni 500-2000; plastinka maydoni Har bir qatorning haddan tashqari elektrodlari ostida elektr zaryadlarining bir qismini (zaryad paketlarini) kiritish-chiqarish uchun mo'ljallangan p-n birikmalar amalga oshiriladi. usuli (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 tushadigan teshiklar har qanday tarzda 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 zaryadlarni saqlashni 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 yoki pn-birikmasi orqali yoki yorug'lik avlodi orqali amalga oshirilishi mumkin. Tizimdan zaryadni olib tashlash (o'qish), shuningdek, p-n birikmasi yordamida amalga oshiriladi. Shunday qilib, CCD - bu tashqi ma'lumot (elektr yoki yorug'lik signallari) mobil tashuvchilarning zaryad paketlariga aylantirilib, sirtga yaqin mintaqalarda ma'lum bir tarzda joylashgan va axborotni qayta ishlash ushbu paketlarning sirt bo'ylab boshqariladigan harakati bilan amalga oshiriladigan qurilma. Raqamli va analog tizimlarni CCD asosida qurish mumkinligi aniq. Raqamli tizimlar uchun faqat CCD ning ma'lum bir elementida 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 juftlarining fotogeneratsiyasi boshlanadi. Bir marta CCD ning tükenme hududida, tashuvchilar ajratiladi va potentsial quduqlarda teshiklar yig'iladi (va 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 impulslari yoqilganda, zaryad paketlari chiqadigan o'quvchiga o'tadi, bu ularni elektr signallariga aylantiradi. Natijada, video konvert beradigan videokamera beradigan har xil amplituda impulslar ketma-ketligi chiqadi.

Uch tsiklli (uch fazali) zanjir bilan boshqariladigan FCD chizig'i parchasi misolida CCD ning 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. PCCD 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 lokalizatsiya qilinadi va signal zaryad paketlarini hosil qiladi.

zaryadlovchi aloqa kamerasi infraqizil

2-rasm - 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 yaqinida hosil bo'lgan zaryadlar nisbatan uzoq vaqt davomida saqlanib turishi mumkin, ammo asta-sekin, nopoklik markazlari tomonidan zaryad tashuvchilar hosil bo'lishi, katta miqdordagi yoki interfeysdagi nuqsonlar 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 a ga kamayadi, 1, 4, 7 elektrodlardan chiqariladi.

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 bog'liq bo'lmagan 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 unga rekombinatsiya ta'sirini susayishini ta'minlaydi.

Voltajni almashtirish jarayonini ko'p marta takrorlash, barcha zaryad paketlari, masalan, chiziqdagi yorug'lik bilan, haddan tashqari r-h-o'tish orqali ketma-ket chiqariladi. Bunday holda, ushbu paketi zaryad miqdoriga mutanosib ravishda chiqish pallasida kuchlanish pulslari paydo bo'ladi. Yoritish naqshlari sirt chizig'i relyefiga aylantiriladi, u butun chiziq bo'ylab harakatlangandan so'ng elektr impulslari ketma-ketligiga aylanadi. Qator yoki matritsadagi 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, nurdan saqlanib qoladi .. Chiziqli FPCD-da (3-rasm, a) zaryadlar ketma-ket to'plangan. 1 bitta tsiklda 2 registrga (juft elementlardan) va 3 registrga (toq elementlardan) o'tkaziladi.Ma'lumotlar 4 chiqish orqali ushbu registrlar orqali 5 signalni birlashtiruvchi zanjirga uzatilsa, 1-satrda yangi video kadr to'planadi. Kadrlar uzatilishi bilan FPSS (3-rasm) 7-akkumulyator matritsasi tomonidan olingan ma'lumotlar tezda 2-saqlash matritsasiga "tashlanadi", undan ketma-ket lekin CCD registri 3 tomonidan o'qiladi; Shu bilan birga, 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 sodda tuzilishga ega CCD-lardan tashqari, ularning boshqa turlari ham keng tarqaldi, xususan, polissilikon elektrodlari ustma-ust keladigan qurilmalar (4-rasm), ular butun yarimo'tkazgich yuzasida faol fotoelektr ta'sirini va elektrodlar orasidagi kichik bo'shliqni va sirtga yaqin xususiyatlar assimetriyasiga ega qurilmalarni (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, uchta kristaldan pulslarni bitta video signalga aralashtirish; FPZS yuzasida plyonka chizig'ini yoki mozaik kodlash filtrini yaratish, bu ko'p rangli triadlarning rasterini hosil qiladi.

CCD matritsasi nima?

CCD / zaryad bilan bog'langan moslama yoki CCD / zaryad bilan bog'langan qurilma - bu analog integral mikrosxemadir, u kremniy yoki qalay oksididan tayyorlangan nurga sezgir fotodiodlarni o'z ichiga oladi. Ushbu mikrosxemaning ishlash printsipi zaryadlangan qurilmaga (CCD) ega bo'lgan qurilmalar texnologiyasiga asoslangan.

CCD tarixi

1969 yilda AQShning 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 qurilmalari keng tarqalib, xotira qurilmalari sifatida ishlatila boshlandi, unda zaryad mikrosxemaning kirish registriga joylashtirildi. Vaqt o'tishi bilan xotira xujayrasining fotoelektr ta'siridan zaryad olish qobiliyati CCD qurilmalarining asosiy maqsadi bo'ldi.

Bir yil o'tib, 1970 yilda, xuddi shu Laboratoriya tadqiqotchilari, eng oddiy chiziqli qurilmalar yordamida tasvirni suratga olishga muvaffaq bo'lishdi, aslida bu 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-matritsani seriyali ishlab chiqarish boshlanishining boshida turgan edi.

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

CCD qanday ishlaydi

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

Elektrodlarga ta'sir qilishdan va ma'lum bir kuchlanishni 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'ladi. 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 taqsimot 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 oshirish 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 impulslar oqimi aslida kuchaytirgichga boradigan analog signaldir.

Shunday qilib, CCD elementlaridan chiziqli zaryadlar registr yordamida analog signalga aylantirilishi 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 ixtisoslashgan uzatish elektrodlari mavjudligi sababli amalga oshiriladi. Kattalashgan potentsial eng yaqin elektrodga tatbiq etilgan paytda, zaryad potentsial quduqdan uning ostiga tushadi. Shu bilan birga, odatda CCD elementlari o'rtasida ikkitadan to'rtgacha o'tkazuvchi elektrodlar joylashgan bo'lib, ularning soni o'zgaruvchan registrning fazasini belgilaydi, ikki fazali, uch fazali yoki to'rt fazali deb nomlanadi.

O'tkazish elektrodlariga turli xil potentsiallarni etkazib berish reestrning barcha CCD elementlarining potentsial tuzoqlari zaryadlarining o'tishi deyarli bir vaqtning o'zida amalga oshiriladigan tarzda sinxronlashtiriladi. 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'tishdagi barcha to'lovlarni o'qish jarayoni tugagandan so'ng, yangi qatorni uning kiritilishiga, so'ngra boshqasiga va hokazolarni berish mumkin bo'ladi. 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 ataladigan 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.

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 - ulangan qurilmalarni zaryadlash.

CCDlar kompaniyalar tomonidan ishlab chiqariladi va faol foydalaniladi Nikon, Canon, Sony, Fuji, Kodak, Matsushita, Flibs va boshqalar. Rossiyada hozirda CCD matritsalari ZAO NPP ELAR, Sankt-Peterburg 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 fotoelektr effekti CCD qurilmalarining ushbu qo'llanilishini asosiyga aylantirdi.

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 tashkil qila oldi.

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 substratdan 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 elektronlar to'planishi mumkin, yorug'lik ta'sirida matritsaning ma'lum pikselida hosil bo'ladi. 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-tipdagi CCD-matritsaning pastki piksellari 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-tipdagi 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 tamponlangan 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 qiluvchi 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;

| CCD (Birlashtirilgan qurilmani zaryadlang) yoki CCD matritsasi (ingliz tilida. Zaryad bilan bog'langan qurilma) Analog integral mikrosxema, bu kremniy yoki qalay oksidiga asoslangan nurga sezgir fotodiodlarni o'z ichiga oladi. Ushbu chip CCD (Charge Coupled Device) texnologiyasidan foydalanadi.

CCD tarixi

Birinchi CCD 1969 yilda Jorj Smit va Uillard Boyl tomonidan AQShning AT&T Bell laboratoriyalarida ishlab chiqilgan. Videotelefoniya (Rasmli telefon) va o'sha paytdagi haqiqiy "yarimo'tkazgichli qabariqli xotira" (Yarimo'tkazgichli qabariq xotirasi) ni ishlab chiqish bo'yicha ishlar amalga oshirildi. Ko'p o'tmay, zaryadlangan ulangan qurilmalar xotira qurilmalari sifatida ishlatila boshlandi, unda zaryad mikrosxemaning kirish registriga joylashtirilishi mumkin edi. Ammo keyinchalik, fotoelektr ta'siri tufayli qurilmaning xotira elementining zaryad olish qobiliyati CCD qurilmalarini asosiy oqimga aylantirdi.

1970 yilda Bell Lab tadqiqotchilari eng oddiy chiziqli qurilmalar yordamida tasvirni qanday olishni o'rganganlar.

Ko'p o'tmay, Kazuo Ivama rahbarligi ostida Sony faol ravishda rivojlanib, CCD texnologiyalarini jalb qila boshladi va bunga katta mablag 'kiritdi va o'zining videokameralari uchun CCD matritsalarini seriyali ishlab chiqarishni tashkil qila oldi.

Kazuo Ivama 1982 yil avgustda vafot etdi. Uning hissasini abadiylashtirish uchun uning qabr toshiga CCD chip o'rnatilgan.

2006 yilda Uillard Boyl va Jorj Smit CCD ustida ishlashlari uchun AQSh Milliy muhandislik akademiyasiga sazovor bo'lishdi.

Keyinchalik, 2009 yilda ijodkorlar fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi.

CCD qanday ishlaydi

CCD matritsasi asosan kremniy substratidan membrana bilan ajratilgan polisilitsiydan iborat bo'lib, u erda besleme kuchlanishi polisilikon eshiklari orqali qo'llanilganda, o'tkazgich elektrodlari yaqinidagi elektr potentsiallari katta darajada o'zgaradi.

Elektrodlarga ta'sir qilishdan va kuchlanishlarning ma'lum bir kombinatsiyasini qo'llashdan oldin, ilgari hosil bo'lgan barcha zaryadlar bo'shatiladi va barcha elementlar bir xil yoki asl holatiga o'tkaziladi.

Keyin elektrodlardagi kuchlanishlarning kombinatsiyasi potentsial zaxira yoki quduqni hosil qiladi, unda matritsaning ma'lum bir pikselida hosil bo'lgan elektronlar, ta'sir qilish paytida yorug'lik nurlari ta'sirida to'planadi. Ta'sir paytida yorug'lik oqimining intensivligi qanchalik ko'p bo'lsa, potentsial quduqda elektronlar zaxirasi shunchalik ko'p to'planadi, ma'lum bir pikselning so'nggi zaryadining kuchi shunchalik yuqori bo'ladi.

Ta'sirdan so'ng har bir alohida pikselda elektrodlarda besleme zo'riqishida ketma-ket o'zgarishlar hosil bo'ladi va uning yonida potentsial taqsimot paydo bo'ladi, bu esa CCD matritsasining chiqish piksellariga ma'lum bir yo'nalishda zaryad oqimiga olib keladi.

N-tipdagi CCD pikseliga misol

Eslatma: subpikselli arxitektura har bir ishlab chiqaruvchi uchun har xil.

Diagrammadagi CCD piksel belgilari:

1 - videokamera ob'ektividan o'tgan nur zarralari (fotonlar);
2 - subpikselli mikrolenslar;
3 - qizil subpikselli filtr (Bayer filtrining bir qismi);
4 - qalay oksidi yoki polikristalli kremniydan tayyorlangan nur o'tkazuvchi elektrod;
5 - Izolyator (kremniy oksididan iborat);
6 - maxsus n-tipli silikon kanal. Ichki fotoelektrik ta'sir zonasi (tashuvchini yaratish zonasi);
7 - mumkin bo'lgan zaxira yoki chuqurlarning zonasi (n-tipdagi cho'ntak). Elektronlar tashuvchini yaratish zonasidan yig'iladigan joy;
8 - p-tipli kremniy substrat.

To'liq kadrli CCD uzatish

Ob'ektiv tomonidan to'liq shakllangan video tasvir CCD matritsasiga tushadi, ya'ni CCD elementlarining yorug'likka sezgir yuzasiga yorug'lik nurlari tushadi, ularning maqsadi zarralar (fotonlar) energiyasini elektr zaryadiga aylantirishdir.
Ushbu jarayon quyidagicha davom etadi.
CCD elementiga urilgan foton uchun hodisalarni rivojlanishining uchta varianti mavjud - u sirtdan "uchib ketadi" yoki yarimo'tkazgich qalinligi (matritsa materialining tarkibi) bilan singib ketadi yoki uning yuzasini teshadi. Shuning uchun, ishlab chiquvchilardan aks ettirish va yutilishdagi yo'qotishlarni minimallashtiradigan bunday sensorni yaratish talab qilinadi. Xuddi shu CCD matritsasi tomonidan so'rilgan zarralar yarimo'tkazgichning kristall panjarasining atomi bilan o'zaro ta'sir kuchsiz bo'lsa yoki donor yoki aktseptor aralashmalarining atomlari bilan o'zaro ta'sir qilsa, elektron teshik juftini hosil qiladi. Yuqoridagi ikkala hodisa ham ichki fotoelektrik effektlar deb ataladi. Ammo, datchikning ishi faqat ichki fotoelektr effekti bilan cheklanib qolmaydi - asosiysi, zaryad tashuvchilarni yarimo'tkazgichdan ixtisoslashgan omborda "olib qo'yish" va keyin ularni o'qishdir.

CCD-matritsa elementlarining tuzilishi

Umuman olganda, CCD elementining dizayni quyidagicha ko'rinadi: p tipidagi silikon substrat n tipidagi yarimo'tkazgich kanallari bilan jihozlangan. Ushbu kanallarning yuqori qismida izolyatsion kremniy oksidi membranasi bo'lgan polikristalli kremniydan tayyorlangan elektrodlar mavjud. Ushbu elektrodga elektr potentsialini qo'llaganidan so'ng, n-tipli kanal ostida zaiflashgan zonada potentsial tuzoq (quduq) hosil bo'ladi, uning vazifasi elektronlarni tejashdir. Kremniyga kirib boradigan yorug'lik zarrachasi potentsial tuzoq tomonidan jalb qilinadigan va unda "tiqilib qoladigan" elektron hosil bo'lishiga olib keladi. Fotonlarning katta miqdori yoki yorqin nur tuzoqqa ko'proq zaryad beradi. Keyin qabul qilingan zaryadning qiymatini, shuningdek, fototok deb nomlanib, keyin uni kuchaytirish kerak.

CCD elementlarining fotosuratlarini o'qish ketma-ket siljish registrlari deb ataladi, ular kirishda zaryadlar qatorini chiqishda bir qator impulslarga aylantiradi. Yaratilgan impuls poezdi analog signal bo'lib, u kuchaytirgichga beriladi.

Shunday qilib, registr yordamida CCD elementlaridan chiziq zaryadlarini analog signalga aylantirish mumkin. Amalda, CCD matritsalarida ketma-ket siljish registri bir qatorga birlashtirilgan CCD elementlari yordamida amalga oshiriladi. Ushbu qurilmaning ishlashi CCD qurilmalarining potentsial tuzoqlarining zaryadlarini almashtirish qobiliyatiga asoslangan. Ushbu almashinuv ulashgan CCD elementlari o'rtasida joylashgan ixtisoslashgan Transfer Gate elektrodlari mavjudligi sababli sodir bo'ladi. Kattalashgan potentsial eng yaqin elektrodga qo'llanganda, zaryad potentsial tuzoqdan uning ostida "ko'chib o'tadi". CCD katakchalari orasida odatda ikkitadan to'rttagacha o'tkazuvchi elektrodlar mavjud va siljish registrining fazasi, shuningdek, ikki fazali, uch fazali yoki to'rt fazali deb nomlanadi, ularning soniga bog'liq.

O'tkazish elektrodlariga turli xil potentsiallarni etkazib berish sinxronlashtiriladi, shunda registrning barcha CCD elementlarining potentsial tuzoqlari zaryadlarining oshishi deyarli bir vaqtning o'zida sodir bo'ladi. Shunday qilib, bitta uzatish siklida CCD hujayralari zaryadlarni zanjir bo'ylab o'ngdan chapga yoki chapdan o'ngga o'tkazadi. Va haddan tashqari CCD elementi o'z zaryadini registr chiqishida joylashgan kuchaytirgichga beradi.

Shunday qilib, ketma-ket siljish registri bu ketma-ket chiqish va parallel kirish qurilmasi. Reyestrdan mutlaqo barcha zaryadlarni o'qib chiqqandan so'ng, uning kiritilishida yangi qatorni, so'ngra navbatini berish mumkin bo'ladi va shu bilan uzluksiz analog signal hosil bo'ladi, ular ikki o'lchovli fotosuratlar massiviga asoslanadi. Keyinchalik, ketma-ket siljish registri uchun kirish parallel oqimi vertikal yo'naltirilgan ketma-ket siljish registrlari to'plami bilan ta'minlanadi, bu parallel siljish registri deb ataladi va butun montaj aynan CCD-matritsa deb nomlangan qurilmadir.

(til: "ru")

Avvalgi nashrda boshlangan qurilma haqidagi suhbatni davom ettiraman.

Raqamli kamerani plyonkali kameralardan ajratib turadigan asosiy elementlaridan biri bu fotosensitiv element, ya'ni tasvirni kuchaytiruvchi naycha yoki nurga sezgir. Raqamli kamera... Biz allaqachon kamera matritsalari haqida gapirgan edik, lekin endi qurilmani va matritsaning ishlash printsipini batafsil ko'rib chiqamiz, garchi u o'quvchini juda charchatmaslik uchun juda yuzaki bo'lsa.

Hozirgi kunda aksariyat raqamli kameralar jihozlangan CCD matritsalari.

CCD-matritsa. Qurilma. Ish printsipi.

Keling, qurilmani ko'rib chiqamiz CCD sensorlari.

Yarimo'tkazgichlar n va p tipdagi yarim o'tkazgichlarga bo'linishi ma'lum. N-tipdagi yarimo'tkazgichda ortiqcha elektronlar, p-tipdagi yarimo'tkazgichlarda ortiqcha musbat zaryadlar, "teshiklar" (va shu sababli elektronlar etishmasligi) mavjud. Barcha mikroelektronika ushbu ikki turdagi yarimo'tkazgichlarning o'zaro ta'siriga asoslangan.

Shunday qilib, element Raqamli kamera CCD quyidagicha joylashtirilgan. 1-rasmga qarang:

Shakl

Tafsilotlarga to'xtamasdan, CCD elementi yoki zaryad bilan bog'langan qurilma, ingliz transkripsiyasida: zaryad bilan bog'langan qurilma - CCD, bu MIS (metall-dielektrik-yarim o'tkazgich) kondansatörü. U p tipidagi substratdan iborat - silikon qatlami, silikon dioksid va elektrod plitalarining izolyatori. Elektrodlardan biriga ijobiy potentsial tatbiq etilganda, uning ostida asosiy tashuvchilarda bo'shliqlar paydo bo'ladi - teshiklar, chunki ular elektroddan substratga elektr maydonidan chetga suriladi. Shunday qilib, ushbu elektrod ostida potentsial quduq hosil bo'ladi, ya'ni energiya zonasi ozchilik tashuvchilar - elektronlarning unga harakatlanishi uchun qulaydir. Ushbu chuqurda salbiy zaryad to'planadi. Teshiklar yo'qligi va shuning uchun elektronlarning rekombinatsiyasi sabablari tufayli u bu quduqda uzoq vaqt saqlanishi mumkin.

Yorug'lik sezgirligida matritsalar elektrodlar - bu spektrning ko'rinadigan qismida shaffof bo'lgan, polikristalli kremniyning plyonkalari.

Matritsaga tushgan yorug'lik fotonlari kremniy substratiga tushib, unda teshik-elektron juftligini hosil qiladi. Teshiklar, yuqorida aytib o'tilganidek, substrat chuqurligiga siljiydi va elektronlar potentsial quduqda to'planadi.

Yig'ilgan zaryad elementga tushadigan fotonlar soniga, ya'ni yorug'lik oqimining intensivligiga mutanosibdir. Shunday qilib, matritsada optik tasvirga mos keladigan zaryad relyefi yaratiladi.

CCD matritsasidagi zaryadlarning harakati.

Har bir CCD elementida turli xil potentsiallar qo'llaniladigan bir nechta elektrodlar mavjud.

Berilgan elektrodga nisbatan yuqori potentsial qo'shni elektrodga tatbiq etilganda (3-rasmga qarang), uning ostida zaryad birinchi potentsial quduqdan harakatlanadigan chuqurroq potentsial quduq hosil bo'ladi. Shu tarzda, zaryad bir CCD xujayrasidan ikkinchisiga o'tishi mumkin. Shakl 3da ko'rsatilgan CCD elementi uch fazali deb nomlanadi, shuningdek, 4 fazali elementlar mavjud.

Shakl.4. Uch fazali qurilmaning zaryad bilan birlashtirilgan sxemasi - almashtirish registri.

Zaryadlarni oqim impulslariga (fototok) aylantirish uchun ketma-ket siljish registrlari ishlatiladi (4-rasmga qarang). Bunday siljish registri CCD elementlari qatoridir. Hozirgi impulslarning amplitudasi uzatilgan zaryad miqdoriga mutanosib va \u200b\u200bshu bilan tushayotgan yorug'lik oqimiga mutanosibdir. Keyin zaryadlar ketma-ketligini o'qish natijasida hosil bo'lgan oqim impulslarining ketma-ketligi kuchaytirgich kirish qismiga beriladi.

Yaqindan joylashgan CCD elementlari qatorlari birlashtiriladi CCD... Bunday matritsaning ishi elektr maydoni yaratgan potentsial quduqlarda mahalliy zaryadni yaratish va o'tkazishga asoslangan.

Shakl.5.

Registrning barcha CCD elementlarining zaryadlari sinxron ravishda qo'shni CCD elementlariga o'tkaziladi. Oxirgi katakchadagi zaryad registrdan chiqishga beriladi, so'ngra kuchaytirgichning kirishiga beriladi.

Ketma-ket siljish registri zaryadlarni perpendikulyar ravishda joylashgan smen registrlaridan oladi, ular birgalikda parallel siljish registri deb yuritiladi. Parallel va ketma-ket siljish registrlari CCD matritsasini tashkil etadi (4-rasmga qarang).

Ketma-ket registrga perpendikulyar siljish registrlari ustunlar deyiladi.

Parallel registrda zaryadlarning harakati qat'iy sinxronlashtiriladi. Bir qatorning barcha to'lovlari bir vaqtning o'zida ikkinchisiga o'tkaziladi. Oxirgi satrning zaryadlari ketma-ket registrga o'tadi. Shunday qilib, bitta ishchi tsiklda parallel registrdan zaryadlar chizig'i ketma-ket registrning kiritilishiga kirib, yangi hosil bo'lgan zaryadlar uchun joy bo'shatadi.

Ketma-ket va parallel registrlarning ishlashi soat generatori bilan sinxronlashtiriladi. Qism raqamli kamera matritsasi shuningdek, registr uzatish elektrodlariga potentsial etkazib beradigan va ularning ishlashini boshqaradigan mikrosxemani ham o'z ichiga oladi.

Ushbu turdagi tasvirni kuchaytiruvchi trubka to'liq kadrli CCD-matritsa deb nomlanadi. Uning ishlashi uchun shaffof bo'lmagan qopqoq bo'lishi kerak, u avval yorug'lik ta'sirida tasvirni kuchaytirgichni ochadi, so'ngra matritsa elementlarida etarli zaryad to'plash uchun zarur bo'lgan fotonlar sonini olganda, uni nurdan yopadi. Bunday qopqoq kino kameralarida bo'lgani kabi mexanik deklanşördür. Bunday qopqoqning yo'qligi, zaryadlar siljish registrida harakatlanayotganda, hujayralar yorug'lik bilan nurlanishda davom etib, har bir pikselning zaryadiga ma'lum bir nuqtaning yorug'lik oqimiga mos kelmaydigan qo'shimcha elektronlarni qo'shib qo'yishiga olib keladi. Bu zaryadni "bulg'ash" ga, natijada olingan tasvirning buzilishiga olib keladi.