Les scientifiques Williard Boyle et George E. Smith d'AT & T Bell Labs, tandis que travail sur semi-conducteur -bubble-memory a conçu un appareil et l'a appelé «Charge Bubble Device», qui peut être utilisé comme registre à décalage.
Dispositif à couplage de charge
Selon la nature fondamentale de l'appareil, il a la capacité de transférer la charge de un condensateur de stockage à l'autre, le long de la surface du semi-conducteur, et ce principe est similaire au dispositif Bucket-Brigade (BBD), qui a été inventé dans les années 1960 aux Phillips Research Labs. Finalement, à partir de toutes ces activités de recherche expérimentale, le dispositif à couplage de charge (CCD) a été inventé dans AT&T Bell Labs en 1969.
Dispositif à couplage de charge (CCD)
Les dispositifs à couplage de charge peuvent être définis de différentes manières en fonction de l'application pour laquelle ils sont utilisés ou en fonction de la conception de l'appareil.
Il s'agit d'un appareil utilisé pour le mouvement de la charge électrique à l'intérieur de celui-ci pour la manipulation de la charge, qui se fait en modifiant les signaux à travers les étages de l'appareil, un à la fois.
Il peut être traité comme un capteur CCD, qui est utilisé dans le caméras numériques et vidéo pour prendre des images et enregistrer des vidéos par effet photoélectrique. Il est utilisé pour convertir la lumière capturée en données numériques, qui sont enregistrées par l'appareil photo.
Il peut être défini comme un circuit intégré sensible à la lumière imprimé sur une surface de silicium pour former des éléments sensibles à la lumière appelés pixels, et chaque pixel est converti en une charge électrique.
Il est appelé dispositif à temps discret utilisé pour signal continu ou analogique échantillonnage à des moments discrets.
Types de CCD
Il existe différents CCD tels que les CCD à multiplication d'électrons, les CCD intensifiés, les CCD à transfert de trame et les CCD à canal enterré. Un CCD peut être simplement défini comme un dispositif de transfert de charge. Les inventeurs du CCD, Smith et Boyle ont également découvert un CCD avec des performances considérablement enrichies par rapport à un CCD à canal de surface général et d'autres CCD, il est connu sous le nom de CCD à canal enterré et est principalement utilisé pour des applications pratiques.
Principe de fonctionnement du dispositif à couplage de charge
La couche épitaxiale de silicium agissant comme une région photoactive et une région de transmission de registre à décalage sont utilisées pour capturer des images en utilisant un CCD.
À travers l'objectif, l'image est projetée sur la région photo active constituée d'un réseau de condensateurs. Ainsi, la charge électrique proportionnelle à la intensité lumineuse de la couleur de pixel d'image dans le spectre de couleurs à cet emplacement est accumulée au niveau de chaque condensateur.
Si l'image est détectée par ce réseau de condensateurs, alors la charge électrique accumulée dans chaque condensateur est transférée à son condensateur voisin en fonctionnant comme un registre à décalage contrôlé par le circuit de commande.
Fonctionnement du dispositif à couplage de charge
Sur la figure ci-dessus, à partir de a, b et c, le transfert des paquets de charge est représenté en fonction de la tension appliquée aux bornes de grille. Enfin, dans le réseau, la charge électrique du dernier condensateur est transférée dans l'amplificateur de charge dans lequel la charge électrique est convertie en une tension. Ainsi, à partir du fonctionnement continu de ces tâches, des charges entières du réseau de condensateurs dans le semi-conducteur sont converties en une séquence de tensions.
Cette séquence de tensions est échantillonnée, numérisée puis stockée en mémoire dans le cas d'appareils numériques tels que les appareils photo numériques. Dans le cas de dispositifs analogiques tels que des caméras vidéo analogiques, cette séquence de tensions est envoyée à un filtre passe-bas pour produire un signal analogique continu, puis le signal est traité pour la transmission, l'enregistrement et à d'autres fins. Pour comprendre le principe du dispositif à couplage de charge et le dispositif à couplage de charge fonctionnant en profondeur, il faut principalement comprendre les paramètres suivants.
Processus de transfert de charge
Les paquets de charge peuvent être déplacés d'une cellule à l'autre en utilisant de nombreux schémas de style Bucket Brigade. Il existe diverses techniques telles que deux phases, trois phases, quatre phases, etc. Chaque cellule se compose de n fils qui la traversent selon un schéma à n phases. La hauteur des puits de potentiel est contrôlée en utilisant chaque fil connecté à l'horloge de transfert. Les paquets de charge peuvent être poussés et tirés le long de la ligne du CCD en faisant varier la hauteur du puits potentiel.
Processus de transfert de charge
Considérons un transfert de charge triphasé, sur la figure ci-dessus, les trois horloges (C1, C2 et C3) qui sont de forme identique mais dans des phases différentes sont représentées. Si la porte B devient haute et la porte A devient basse, alors la charge se déplacera de l'espace A à l'espace B.
Architecture du CCD
Les pixels peuvent être transférés à travers les registres verticaux parallèles ou CCD vertical (V-CCD) et les registres horizontaux parallèles ou CCD horizontal (H-CCD). La charge ou l'image peut être transférée à l'aide de différentes architectures de numérisation telles que la lecture d'images complètes, le transfert d'images et le transfert interligne. Le principe du dispositif à couplage de charge peut être facilement compréhensible avec les schémas de transfert suivants:
1. Lecture plein écran
Lecture plein écran
C'est l'architecture de balayage la plus simple qui nécessite un obturateur dans un certain nombre d'applications pour couper l'entrée de lumière et pour éviter les bavures lors du passage des charges à travers des registres parallèles-verticaux ou des registres CCD verticaux et parallèles-horizontaux ou CCD horizontaux, puis transférés vers sortie en série.
2. Transfert de trame
Transfert de trame
En utilisant le processus de brigade de seau, l'image peut être transférée de la matrice d'images à la matrice de stockage de trame opaque. Comme il n'utilise aucun registre série, il s'agit d'un processus rapide par rapport aux autres processus.
3. Transfert interligne
Transfert interligne
Chaque pixel se compose d'une photodiode et d'une cellule de stockage de charge opaque. Comme le montre la figure, la charge d'image est d'abord transférée du PD sensible à la lumière au V-CCD opaque. Ce transfert, lorsque l'image est cachée, dans un cycle de transfert produit un maculage d'image minimum, par conséquent, l'obturation optique la plus rapide peut être obtenue.
Condensateur MOS de CCD
Chaque cellule CCD a un semi-conducteur à oxyde métallique, même si des condensateurs MOS à canal de surface et à canal enterré sont utilisés dans la fabrication du CCD. Mais souvent, les CCD sont fabriqué sur un substrat de type P et fabriqué en utilisant des condensateurs MOS à canal enterré pour cela, une mince région de type N est formée sur sa surface. Une couche de dioxyde de silicium est développée en tant qu'isolant au sommet de la région N, et des grilles sont formées en plaçant une ou plusieurs électrodes sur cette couche isolante.
Pixel CCD
Les électrons libres sont formés par effet photoélectrique lorsque les photons frappent la surface du silicium, et en raison du vide, simultanément, une charge positive ou le trou sera générée. Au lieu de choisir un processus difficile de comptage des fluctuations thermiques ou de la chaleur formée par la recombinaison du trou et de l'électron, il est préférable de collecter et de compter les électrons pour produire une image. Ceci peut être réalisé en attirant des électrons générés en frappant des photons sur la surface du silicium vers les zones distinctes polarisées positivement.
Pixel CCD
La pleine capacité du puits peut être définie comme le nombre maximal d'électrons pouvant être détenus par chaque pixel CCD et, généralement, un pixel CCD peut tenir de 10 à 500 ke, mais cela dépend de la taille du pixel (plus la taille est grande, plus d'électrons peuvent être accumulé).
Refroidissement CCD
Refroidissement CCD
En général, les CCD fonctionnent à basse température et l'énergie thermique peut être utilisée pour exciter des électrons inappropriés en pixels d'image qui ne peuvent pas être différenciés des photoélectrons de l'image réelle. Il est appelé processus de courant sombre, qui génère du bruit. La génération totale de courant d'obscurité peut être réduite de deux fois pour chaque 6 à 70 de refroidissement avec certaines limites. Les CCD ne fonctionnent pas en dessous de -1200 et le bruit total généré par le courant d'obscurité peut être éliminé en le refroidissant autour de -1000, en l'isolant thermiquement dans un environnement sous vide. Les CCD sont fréquemment refroidis à l'aide d'azote liquide, de refroidisseurs thermoélectriques et de pompes mécaniques.
Efficacité quantique du CCD
Le taux de génération de photoélectrons dépend de la lumière incidente à la surface du CCD. La conversion des photons en charge électrique est contribué par de nombreux facteurs et est appelée efficacité quantique. Il est dans la meilleure plage de 25% à 95% pour les CCD par rapport à d'autres techniques de détection de la lumière.
Efficacité quantique du dispositif lumineux avant
Le dispositif éclairé par l'avant génère un signal après que la lumière a traversé la structure de grille en atténuant le rayonnement entrant.
Efficacité quantique du dispositif rétroéclairé
Le CCD rétro-éclairé ou rétro-éclairé se compose d'un excès de silicium sur la face inférieure de l'appareil, qui est imprimé d'une manière qui permet sans restriction la génération de photoélectrons.
Cet article se termine ainsi par une brève description du CCD et de son principe de fonctionnement en considérant différents paramètres tels que les architectures de balayage CCD, le processus de transfert de charge, le condensateur MOS du CCD, le pixel CCD, le refroidissement et l'efficacité quantique du CCD en bref. Connaissez-vous des applications typiques dans lesquelles le capteur CCD est fréquemment utilisé? Veuillez publier vos commentaires ci-dessous pour obtenir des informations détaillées sur le fonctionnement et les applications des CCD.
