Tipos de dispositivos Charge-Coupled com seus princípios de funcionamento

Tipos de dispositivos Charge-Coupled com seus princípios de funcionamento

Os cientistas Williard Boyle e George E. Smith da AT&T Bell Labs, enquanto trabalhando em semicondutor -bubble-memory projetou um dispositivo e chamou-o de ‘Charge Bubble Device’, que pode ser usado como um Shift Register.

Dispositivo acoplado de carga

Dispositivo acoplado de carga

De acordo com a natureza fundamental do dispositivo, ele tem a capacidade de transferir carga de um capacitor de armazenamento para o próximo, ao longo da superfície do semicondutor, e este princípio é semelhante ao Dispositivo Bucket-Brigade (BBD), que foi inventado na década de 1960 no Phillips Research Labs. Eventualmente, a partir de todas essas atividades de pesquisa experimental, o Charge Coupled Device (CCD) foi inventado no AT&T Bell Labs em 1969.




Dispositivo de carga acoplada (CCD)

Dispositivos acoplados de carga podem ser definidos de diferentes maneiras de acordo com a aplicação para a qual são usados ​​ou com base no design do dispositivo.

É um dispositivo usado para o movimento de carga elétrica dentro dele para a manipulação de carga, que é feito alterando os sinais por meio de estágios dentro do dispositivo, um de cada vez.

Pode ser tratado como sensor CCD, que é usado no câmeras digitais e de vídeo para tirar fotos e gravar vídeos através do efeito fotoelétrico. É usado para converter a luz capturada em dados digitais, que são gravados pela câmera.

Pode ser definido como um circuito integrado sensível à luz impressos em uma superfície de silício para formar elementos sensíveis à luz chamados pixels, e cada pixel é convertido em uma carga elétrica.


É denominado como um dispositivo de tempo discreto usado para sinal contínuo ou analógico amostragem em tempos discretos.

Tipos de CCD

Existem diferentes CCDs, como CCDs de multiplicação de elétrons, CCD intensificado, CCD de transferência de quadro e CCD de canal enterrado. Um CCD pode ser simplesmente definido como Dispositivo de transferência de carga. Os inventores do CCD, Smith e Boyle também descobriram um CCD com desempenho muito mais enriquecido do que um CCD de Canal de Superfície geral e outros CCDs, é conhecido como CCD de canal enterrado e é principalmente usado para aplicações práticas.

Princípio de funcionamento do dispositivo acoplado de carga

A camada epitaxial de silício atuando como uma região fotoativa e uma região de transmissão de registro de deslocamento são usadas para capturar imagens usando um CCD.

Através da lente, a imagem é projetada na região foto ativa que consiste em uma matriz de capacitores. Assim, a carga elétrica proporcional ao intensidade da luz da cor do pixel da imagem no espectro de cores naquele local é acumulado em cada capacitor.

Se a imagem for detectada por esta matriz de capacitores, a carga elétrica acumulada em cada capacitor é transferida para seu capacitor vizinho, atuando como um registro de deslocamento controlado pelo circuito de controle.

Funcionamento do dispositivo acoplado de carga

Funcionamento do dispositivo acoplado de carga

Na figura acima, de a, bec, a transferência de pacotes de carga é mostrada de acordo com a tensão aplicada aos terminais da porta. Por fim, na matriz, a carga elétrica do último capacitor é transferida para o amplificador de carga, no qual a carga elétrica é convertida em voltagem. Assim, a partir da operação contínua dessas tarefas, cargas inteiras do conjunto de capacitores do semicondutor são convertidas em uma sequência de tensões.

Essa sequência de tensões é amostrada, digitalizada e armazenada na memória no caso de dispositivos digitais, como câmeras digitais. No caso de dispositivos analógicos, como câmeras de vídeo analógicas, essa sequência de tensões é alimentada a um filtro passa-baixa para produzir um sinal analógico contínuo e, em seguida, o sinal é processado para transmissão, gravação e para outros fins. Para entender o princípio do dispositivo de carga acoplada e o dispositivo de carga acoplada funcionando em profundidade, principalmente os seguintes parâmetros precisam ser compreendidos.

Processo de transferência de carga

Os pacotes de carga podem ser movidos de uma célula para outra usando muitos esquemas no estilo Bucket Brigade. Existem várias técnicas, como duas fases, três fases, quatro fases e assim por diante. Cada célula consiste em n-fios que passam por ela em esquema de n-fases. A altura dos poços de potencial é controlada pelo uso de cada fio conectado ao relógio de transferência. Os pacotes de carga podem ser empurrados e puxados ao longo da linha do CCD variando a altura do poço de potencial.

Processo de transferência de carga

Processo de transferência de carga

Considere uma transferência de carga trifásica, na figura acima, os três relógios (C1, C2 e C3) que são idênticos em forma, mas em fases diferentes são mostrados. Se o portão B for alto e o portão A for baixo, a carga se moverá do espaço A para o espaço B.

Arquitetura do CCD

Os pixels podem ser transferidos através dos registros verticais paralelos ou CCD vertical (V-CCD) e registros horizontais paralelos ou CCD horizontal (H-CCD). A carga ou a imagem podem ser transferidas usando diferentes arquiteturas de digitalização, como leitura de quadro completo, transferência de quadro e transferência interline. O princípio do dispositivo de carga acoplada pode ser facilmente compreensível com os seguintes esquemas de transferência:

1. Leitura Full-Frame

Leitura de quadro completo

Leitura de quadro completo

É a arquitetura de varredura mais simples que requer um obturador em uma série de aplicações para cortar a entrada de luz e evitar manchas durante a passagem de cargas por registros verticais paralelos ou CCD verticais e registros horizontais paralelos ou CCD horizontais e então transferidos para saída em série.

2. Transferência de quadros

Transferência de quadros

Transferência de quadros

Usando o processo de brigada de balde, a imagem pode ser transferida da matriz de imagens para a matriz de armazenamento de quadros opacos. Como não utiliza nenhum registro serial, é um processo rápido em comparação a outros processos.

3. Transferência interline

Transferência Interline

Transferência Interline

Cada pixel consiste em um fotodiodo e uma célula de armazenamento de carga opaca. Conforme mostrado na figura, a carga da imagem é primeiro transferida do PD sensível à luz para o V-CCD opaco. Esta transferência, como a imagem está oculta, em um ciclo de transferência produz um borrão de imagem mínimo, portanto, a obturação óptica mais rápida pode ser alcançada.

Capacitor MOS de CCD

Cada célula CCD tem semicondutor de óxido de metal, embora os capacitores MOS de canal de superfície e canal oculto sejam usados ​​na fabricação do CCD. Mas frequentemente CCDs são fabricado em um substrato tipo P e fabricado usando capacitores MOS de canal enterrado para isso, uma região fina do tipo N é formada em sua superfície. Uma camada de dióxido de silício é desenvolvida como um isolante no topo da região N, e as portas são formadas colocando um ou mais eletrodos nesta camada isolante.

Pixel CCD

Elétrons livres são formados a partir do efeito fotoelétrico quando os fótons atingem a superfície do silício e, por causa do vácuo, simultaneamente, carga positiva ou buraco será gerado. Em vez de escolher o difícil processo de contagem das flutuações térmicas ou do calor formado pela recombinação de buraco e elétron, é preferível coletar e contar elétrons para produzir uma imagem. Isso pode ser conseguido atraindo elétrons gerados pelo impacto de fótons na superfície do silício em direção às áreas distintas com polarização positiva.

Pixel CCD

Pixel CCD

A capacidade total do poço pode ser definida como o número máximo de elétrons que podem ser mantidos por cada pixel CCD e, normalmente, um pixel CCD pode conter 10ke a 500ke, mas depende do tamanho do pixel (quanto maior o tamanho, mais elétrons podem ser acumulado).

CCD Cooling

CCD Cooling

CCD Cooling

Geralmente os CCDs funcionam em baixa temperatura e a energia térmica pode ser usada para excitar elétrons inadequados em pixels de imagem que não podem ser diferenciados dos fotoelétrons de imagem real. É chamado de processo de corrente escura, que gera ruído. A geração de corrente escura total pode ser reduzida em duas vezes para cada 6 a 70 anos de resfriamento com certos limites. Os CCDs não funcionam abaixo de -1200 e o ruído total gerado pela corrente escura pode ser removido resfriando-o em torno de -1000, isolando-o termicamente em um ambiente evacuado. Os CCDs são freqüentemente resfriados usando nitrogênio líquido, resfriadores termoelétricos e bombas mecânicas.

Eficiência quântica do CCD

A taxa de geração de fotoelétrons depende da luz incidente na superfície do CCD. A conversão dos fótons em carga elétrica é a contribuição de muitos fatores e é chamada de Eficiência Quântica. Está na melhor faixa de 25% a 95% para CCDs em comparação com outra técnica de detecção de luz.

Eficiência quântica do dispositivo iluminado frontal

Eficiência quântica do dispositivo iluminado frontal

O dispositivo iluminado pela frente gera um sinal depois que a luz passa pela estrutura do portão, atenuando a radiação que chega.

Eficiência quântica do dispositivo retroiluminado

Eficiência quântica do dispositivo retroiluminado

O CCD retroiluminado ou retroiluminado consiste em excesso de silício na parte inferior do dispositivo, que é impresso de uma forma que permite irrestritamente a geração de fotoelétrons.

Este artigo, portanto, conclui com uma breve descrição do CCD e seu princípio de funcionamento considerando diferentes parâmetros como arquiteturas de varredura CCD, processo de transferência de carga, capacitor MOS de CCD, pixel CCD, resfriamento e eficiência quântica de CCD em resumo. Você conhece aplicações típicas nas quais o sensor CCD é usado com frequência? Poste seus comentários abaixo para obter informações detalhadas sobre o funcionamento e as aplicações dos CCDs.