أنواع الأجهزة الموصولة بالشحنات مع مبادئ عملها

جرب أداة القضاء على المشاكل





العالمان ويليارد بويل وجورج إي سميث من مختبرات AT & T Bell ، بينما العمل على أشباه الموصلات - صممت ذاكرة الفقاعة جهازًا ، وأطلق عليها اسم 'Charge Bubble Device' ، والتي يمكن استخدامها كسجل Shift.

شحن الجهاز إلى جانب

شحن الجهاز إلى جانب



وفقًا للطبيعة الأساسية للجهاز ، فإنه يتمتع بالقدرة على نقل الشحنة منه مكثف تخزين واحد إلى التالي ، على طول سطح أشباه الموصلات ، وهذا المبدأ مشابه لجهاز اللواء دلو (BBD) ، الذي تم اختراعه في الستينيات في معامل فيليبس للأبحاث. في النهاية ، من بين كل هذه الأنشطة البحثية التجريبية ، تم اختراع جهاز Charge Coupled Device (CCD) في مختبرات AT&T Bell في عام 1969.


جهاز الشحن المزدوج (CCD)

يمكن تعريف الأجهزة المقترنة بالشحن بطرق مختلفة وفقًا للتطبيق الذي تستخدم من أجله أو بناءً على تصميم الجهاز.



هو جهاز يستخدم لحركة الشحنة الكهربية بداخله لمعالجة الشحنة ، ويتم ذلك عن طريق تغيير الإشارات عبر مراحل داخل الجهاز واحدة تلو الأخرى.

يمكن معالجته على أنه مستشعر CCD ، والذي يستخدم في الكاميرات الرقمية والفيديو لالتقاط الصور وتسجيل مقاطع الفيديو من خلال التأثير الكهروضوئي. يتم استخدامه لتحويل الضوء الملتقط إلى بيانات رقمية يتم تسجيلها بواسطة الكاميرا.

يمكن تعريفه على أنه ملف دارة متكاملة حساسة للضوء مطبوع على سطح من السيليكون لتكوين عناصر حساسة للضوء تسمى البكسلات ، ويتم تحويل كل بكسل إلى شحنة كهربائية.


يطلق عليه كجهاز وقت منفصل يستخدم ل إشارة مستمرة أو تمثيلية أخذ العينات في أوقات منفصلة.

أنواع CCD

هناك CCD مختلفة مثل CCD المضاعفة للإلكترون ، CCD المكثف ، CCD بنقل الإطار والقناة المدفونة CCD. يمكن تعريف CCD ببساطة على أنه جهاز نقل الشحن. اكتشف مخترع CCD ، سميث وبويل أيضًا جهاز CCD بأداء غني جدًا من جهاز Surface Channel CCD العام وغيره من أجهزة CCD المعروفة باسم القناة الدفينة CCD وتستخدم بشكل رئيسي للتطبيقات العملية.

مبدأ عمل جهاز الشحن المزدوج

تُستخدم الطبقة فوق المحورية السيليكونية التي تعمل كمنطقة نشطة ضوئيًا ومنطقة نقل وتسجيل التحول في التقاط الصور باستخدام CCD.

من خلال صورة العدسة يتم إسقاطها على منطقة الصورة النشطة التي تتكون من مجموعة مكثف. وبالتالي ، فإن الشحنة الكهربائية متناسبة مع شدة الضوء من لون بكسل الصورة في طيف الألوان في ذلك الموقع يتراكم عند كل مكثف.

إذا تم اكتشاف الصورة بواسطة مصفوفة المكثف هذه ، فإن الشحنة الكهربائية المتراكمة في كل مكثف يتم نقلها إلى مكثف مجاور لها عن طريق أداء سجل التحول تسيطر عليها دائرة التحكم.

عمل جهاز الشحن المزدوج

عمل جهاز الشحن المزدوج

في الشكل أعلاه ، من a و b و c ، يظهر نقل حزم الشحن وفقًا للجهد المطبق على أطراف البوابة. أخيرًا ، في المصفوفة ، يتم نقل الشحنة الكهربائية لآخر مكثف إلى مضخم الشحنة حيث يتم تحويل الشحنة الكهربائية إلى جهد. وبالتالي ، من خلال التشغيل المستمر لهذه المهام ، يتم تحويل الشحنات الكاملة لصفيف المكثف في أشباه الموصلات إلى سلسلة من الفولتية.

يتم أخذ عينات من هذا التسلسل من الفولتية ورقمنتها ثم تخزينها في الذاكرة في حالة الأجهزة الرقمية مثل الكاميرات الرقمية. في حالة الأجهزة التناظرية مثل كاميرات الفيديو التناظرية ، يتم تغذية هذا التسلسل من الفولتية إلى مرشح تمرير منخفض لإنتاج إشارة تناظرية مستمرة ، ثم تتم معالجة الإشارة للإرسال والتسجيل ولأغراض أخرى. لفهم مبدأ الجهاز المقترن بالشحنة وعمل الجهاز المقترن بالشحن بعمق ، يجب فهم المعلمات التالية بشكل أساسي.

عملية تحويل الرسوم

يمكن نقل حزم الشحن من خلية إلى أخرى باستخدام العديد من المخططات في نمط لواء الجرافة. هناك تقنيات مختلفة مثل مرحلتين وثلاث مراحل وأربع مراحل وما إلى ذلك. تتكون كل خلية من أسلاك n تمر عبرها في مخطط المرحلة n. يتم التحكم في ارتفاع الآبار المحتملة باستخدام كل سلك متصل بساعة التحويل. يمكن دفع حزم الشحن وسحبها على طول خط CCD عن طريق تغيير ارتفاع البئر المحتمل.

عملية تحويل الرسوم

عملية تحويل الرسوم

ضع في اعتبارك نقل شحنة من ثلاث مراحل ، في الشكل أعلاه ، يتم عرض الساعات الثلاث (C1 و C2 و C3) المتشابهة في الشكل ولكن في مراحل مختلفة. إذا ارتفعت البوابة B وانخفضت البوابة A ، فإن الشحنة ستنتقل من الفضاء A إلى الفضاء B.

عمارة CCD

يمكن نقل وحدات البكسل من خلال السجلات الرأسية المتوازية أو CCD الرأسية (V-CCD) والسجلات الأفقية المتوازية أو CCD الأفقي (H-CCD). يمكن نقل الشحنة أو الصورة باستخدام بنى مسح ضوئي مختلفة مثل قراءة الإطار الكامل ونقل الإطار والنقل بين الخطوط. يمكن فهم مبدأ الجهاز المقترن بالشحن بسهولة باستخدام مخططات النقل التالية:

1. قراءات كاملة الإطار

قراءة كاملة الإطار

قراءة كاملة الإطار

إنها أبسط بنية مسح ضوئي تتطلب مصراعًا في عدد من التطبيقات لقطع مدخل الضوء وتجنب تلطخ الشحنات أثناء مرور الشحنات من خلال السجلات المتوازية الرأسية أو السجلات الرأسية CCD والسجلات الأفقية المتوازية أو CCD الأفقية ثم نقلها إلى الإخراج في المسلسل.

2. نقل الإطار

نقل الإطار

نقل الإطار

باستخدام عملية لواء الجرافة ، يمكن نقل الصورة من مصفوفة الصور إلى مصفوفة تخزين إطار معتم. نظرًا لأنها لا تستخدم أي سجل تسلسلي ، فهي عملية سريعة مقارنة بالعمليات الأخرى.

3. التحويل بين الخطوط

التحويل بين الخطوط

التحويل بين الخطوط

يتكون كل بكسل من ثنائي ضوئي وخلية تخزين شحنة غير شفافة. كما هو مبين في الشكل ، يتم أولاً نقل شحنة الصورة من PD حساس للضوء إلى V-CCD معتم. ينتج عن هذا النقل ، نظرًا لإخفاء الصورة ، في دورة نقل واحدة الحد الأدنى من تشويه الصورة ، وبالتالي يمكن تحقيق أسرع إغلاق بصري.

مكثف MOS لاتفاقية مكافحة التصحر

تحتوي كل خلية CCD على أشباه موصلات من أكسيد معدني ، على الرغم من استخدام مكثفات MOS للقناة السطحية والقناة المدفونة في تصنيع CCD. ولكن في كثير من الأحيان CCDs ملفقة على ركيزة من النوع P. ويتم تصنيعها باستخدام مكثفات MOS ذات القنوات المدفونة لهذه المنطقة الرقيقة من النوع N على سطحها. تتم زراعة طبقة ثاني أكسيد السيليكون كعازل في الجزء العلوي من المنطقة N ، ويتم تشكيل البوابات عن طريق وضع قطب كهربائي واحد أو أكثر على هذه الطبقة العازلة.

بكسل CCD

تتشكل الإلكترونات الحرة من التأثير الكهروضوئي عندما تضرب الفوتونات سطح السيليكون ، وبسبب الفراغ ، في نفس الوقت ، سيتم إنشاء شحنة موجبة أو ثقب. بدلاً من اختيار عملية صعبة لحساب التقلبات الحرارية أو الحرارة الناتجة عن إعادة اتحاد الثقب والإلكترون ، يُفضل جمع وحساب الإلكترونات لإنتاج صورة. يمكن تحقيق ذلك عن طريق جذب الإلكترونات المتولدة عن طريق ضرب الفوتونات على سطح السيليكون باتجاه المناطق المتميزة المنحازة بشكل إيجابي.

بكسل CCD

بكسل CCD

يمكن تعريف السعة الكاملة للبئر على أنها الحد الأقصى لعدد الإلكترونات التي يمكن الاحتفاظ بها بواسطة كل بكسل CCD ، وعادة ما يمكن أن تحتوي وحدة بكسل CCD على 10 كيلو إلى 500 كيلو جرام ، ولكنها تعتمد على حجم البكسل (كلما زاد حجم الإلكترونات التي يمكن تتراكم).

تبريد CCD

تبريد CCD

تبريد CCD

بشكل عام ، تعمل أجهزة CCD في درجة حرارة منخفضة ، ويمكن استخدام الطاقة الحرارية لإثارة إلكترونات غير مناسبة في بيكسلات الصورة التي لا يمكن تمييزها عن الإلكترونات الضوئية للصورة الحقيقية. يطلق عليه عملية التيار المظلم ، والتي تولد الضوضاء. يمكن تقليل إجمالي توليد التيار المظلم بمقدار مرتين لكل 6 إلى 70 من التبريد بحدود معينة. لا تعمل CCDs تحت -1200 ويمكن إزالة إجمالي الضوضاء الناتجة من التيار المظلم عن طريق تبريده حول 1000 ، عن طريق عزله حرارياً في بيئة مفرغة. غالبًا ما يتم تبريد CCDs باستخدام النيتروجين السائل والمبردات الحرارية الكهربائية والمضخات الميكانيكية.

الكفاءة الكمية لاتفاقية مكافحة التصحر

يعتمد معدل توليد الإلكترونات الضوئية على الضوء الساقط على سطح CCD. تساهم العديد من العوامل في تحويل الفوتونات إلى شحنة كهربائية ويطلق عليها اسم الكفاءة الكمية. وهي في النطاق الأفضل من 25٪ إلى 95٪ لأجهزة CCD مقارنة بتقنيات الكشف عن الضوء الأخرى.

الكفاءة الكمية للجهاز المضيء الأمامي

الكفاءة الكمية للجهاز المضيء الأمامي

يولد الجهاز المزود بإضاءة أمامية إشارة بعد مرور الضوء عبر هيكل البوابة عن طريق تخفيف الإشعاع الوارد.

الكفاءة الكمية لجهاز الإضاءة الخلفية

الكفاءة الكمية لجهاز الإضاءة الخلفية

يتكون CCD المضاء من الخلف أو الرقيق الخلفي من السيليكون الزائد على الجانب السفلي من الجهاز ، والذي يتم طبعه بطريقة تسمح بدون قيود بتوليد الإلكترونات الضوئية.

وهكذا تختتم هذه المقالة بوصف موجز لـ CCD ومبدأ عملها مع مراعاة المعلمات المختلفة مثل معماريات مسح CCD وعملية نقل الشحن ومكثف MOS لـ CCD و CCD pixel والتبريد والكفاءة الكمية لـ CCD باختصار. هل تعرف التطبيقات النموذجية التي يتم فيها استخدام مستشعر CCD بشكل متكرر؟ يرجى إرسال تعليقاتك أدناه للحصول على معلومات مفصلة بخصوص عمل وتطبيقات أجهزة مكافحة الشوائب.