Cum taxează

Anii 60 și 70 au fost ani plini de descoperiri strălucite, invenții și progrese în tehnologie, în special tehnologii de memorie. Una dintre descoperirile cheie la acea vreme a fost făcută de Willard Boyle și George Smith, în timp ce explorau aplicarea tehnologiei metal-oxid-semiconductor (MOS) pentru dezvoltarea unei memorii cu „bule” semiconductoare.

Echipa a descoperit că o încărcare electrică ar putea fi stocată pe un mic condensator MOS, care ar putea fi conectat în așa fel încât sarcina să poată fi parcursă de la un condensator la altul. Această descoperire a dus la inventarea dispozitivelor cuplate la încărcare (CCD), care au fost inițial concepute pentru a servi aplicațiilor de memorie, dar au devenit acum componente importante ale sistemelor avansate de imagistică.

Un CCD (Charged Coupled Devices) este un detector de fotoni extrem de sensibil utilizat pentru deplasarea încărcăturilor dintr-un dispozitiv într-o zonă unde poate fi interpretat sau procesat ca informație (de exemplu, conversia într-o valoare digitală).

În articolul de astăzi, vom examina modul în care funcționează CCD-urile, aplicațiile în care sunt implementate și avantajele lor comparative cu alte tehnologii.

Ce este un dispozitiv cuplat la încărcare?

În termeni simpli, dispozitivele controlate prin încărcare pot fi definite ca circuite integrate care conțin o serie de elemente de stocare a încărcăturii legate sau cuplate (pubele capacitive), proiectate în așa fel încât sub controlul unui circuit extern, sarcina electrică stocată în fiecare condensator poate fi mutat la un condensator vecin. Condensatoarele metal-oxid-semiconductoare (condensatoare MOS) sunt utilizate în mod obișnuit în CCD-uri, iar prin aplicarea unei tensiuni externe pe plăcile superioare ale structurii MOS, sarcinile (electronii (e-) sau găurile (h +)) pot fi stocate în potenţial. Aceste sarcini pot fi apoi mutate de la un condensator la altul prin impulsuri digitale aplicate pe plăcile superioare (porți) și pot fi transferate rând cu rând într-un registru de ieșire serial.

Funcționarea dispozitivului cuplat la încărcare

Există trei etape implicate în funcționarea unui CCD și întrucât cea mai populară aplicație din ultima perioadă este imagistica, cel mai bine este să explicăm aceste etape în raport cu imagistica. Cele trei etape includ;

1. Inducerea / colectarea taxelor
2. Încărcare Clocking out
3. Măsurarea încărcării

Inducerea / colectarea / stocarea taxei:

După cum s-a menționat mai sus, CCD-urile sunt alcătuite din elemente de stocare a încărcăturii și tipul elementului de stocare și metoda de inducere / depunere a încărcăturii depind de aplicație. În imagistică, CCD este alcătuit dintr-un număr mare de materiale sensibile la lumină împărțite în zone mici (pixeli) și sunt utilizate pentru a construi o imagine a scenei de interes. Când lumina aruncată asupra scenei se reflectă pe CCD, un foton de lumină care se încadrează în aria definită de unul dintre pixeli va fi transformat într-unul (sau mai mulți) electroni, al căror număr este direct proporțional cu intensitatea la fiecare pixel, astfel încât atunci când CCD-ul este decuplat, numărul de electroni din fiecare pixel este măsurat și scena poate fi reconstituită.

Figura de mai jos prezintă o secțiune transversală foarte simplificată printr-un CCD.

Din imaginea de mai sus, se vede că pixelii sunt definiți de poziția electrozilor deasupra CCD-ului. Astfel încât, dacă se aplică o tensiune pozitivă pe electrod, potențialul pozitiv va atrage toți electronii încărcați negativ aproape de zona de sub electrod. În plus, orificiile încărcate pozitiv vor fi respinse din zona din jurul electrodului și acest lucru va duce la dezvoltarea unui „puț potențial” în care vor fi depozitați toți electronii produși de fotonii de intrare.

Pe măsură ce cade mai multă lumină pe CCD, „fântâna potențială” devine mai puternică și atrage mai mulți electroni până când se atinge „capacitatea completă a fântânii” (numărul de electroni care pot fi stocate sub un pixel). Pentru a vă asigura că este capturată o imagine adecvată, de exemplu, un obturator este utilizat în camere pentru a controla iluminarea într-un mod temporizat, astfel încât potențialul puț să fie umplut, dar capacitatea sa să nu fie depășită, deoarece ar putea fi contraproductivă.

Încărcare Clocking Out:

Topologia MOS utilizată în fabricarea CCD limitează cantitatea de condiționare și procesare a semnalului care se poate face pe cip. Astfel, încărcăturile trebuie, de obicei, să fie conectate la un circuit de condiționare extern în care se face procesarea.

Fiecare pixel dintr-un rând al unui CCD este de obicei echipat cu 3 electrozi, așa cum este ilustrat în imaginea prezentată mai jos:

Unul dintre electrozi este utilizat în crearea puțului potențial pentru stocarea încărcăturii, în timp ce ceilalți doi sunt utilizați pentru a reduce timpul de încărcare.

Să presupunem că o sarcină este colectată sub unul dintre electrozi așa cum este ilustrat în imaginea de mai jos:

Pentru a elimina încărcarea din CCD, un nou potențial este indus prin menținerea IØ3 înaltă, care obligă împărțirea sarcinii între IØ2 și IØ3, așa cum este ilustrat în imaginea de mai jos.

Apoi, IØ2 este scăzut, iar acest lucru duce la un transfer complet al sarcinii la electrodul IØ3.

Procesul de sincronizare continuă prin ridicarea IØ1, ceea ce asigură împărțirea sarcinii între IØ1 și IØ3 și, în cele din urmă, IØ3 scăzut, astfel încât încărcătura să fie deplasată complet sub electrozii IØ1.

În funcție de dispunerea / orientarea electrozilor din CCD, acest proces va continua și încărcătura se va deplasa fie în jos pe coloană, fie peste rând până când ajunge la rândul final, denumit de obicei registrul de citire.

Măsurarea încărcării:

La sfârșitul registrului de citire, un circuit amplificator conectat este utilizat pentru a măsura valoarea fiecărei încărcări și o convertește într-o tensiune cu un factor de conversie tipic de aproximativ 5-10µV per electron. În aplicațiile de imagistică, o cameră bazată pe CCD va veni cu cipul CCD împreună cu alte electronice asociate, dar cel mai important amplificatorul, care prin conversia încărcării în tensiune ajută la digitalizarea pixelilor într-o formă care poate fi procesată de software, pentru a obține imaginea capturată.

Proprietățile CCD

Unele dintre proprietățile utilizate în descrierea performanței / calității / calității CCD-urilor sunt:

1. Eficiență cuantică:

Eficiența cuantică se referă la eficiența cu care un CCD dobândește / stochează o taxă.

În imagistică, nu toți fotonii care cad pe planurile pixelilor sunt detectați și convertiți într-o încărcare electrică. Procentul de fotografii care sunt detectate și convertite cu succes este cunoscut sub numele de Eficiență cuantică. Cele mai bune CCD-uri pot atinge un QE de aproximativ 80%. Pentru context, eficiența cuantică a ochiului uman este de aproximativ 20%.

2. Gama lungimii de undă:

CCD-urile au de obicei o gamă largă de lungimi de undă, de la aproximativ 400 nm (albastru) la aproximativ 1050 nm (infraroșu) cu o sensibilitate de vârf la aproximativ 700 nm. Cu toate acestea, procese precum subțierea înapoi pot fi utilizate pentru a extinde gama de lungimi de undă a unui CCD.

3. Gama dinamică:

Gama dinamică a unui CCD se referă la numărul minim și maxim de electroni care pot fi stocați în puțul potențial. În CCD-urile tipice, numărul maxim de electroni este de obicei de aproximativ 150.000, în timp ce minimul poate fi de fapt mai mic de un electron în majoritatea setărilor. Conceptul de interval dinamic poate fi mai bine explicat în termeni de imagistică. Așa cum am menționat mai devreme, când lumina cade pe un CCD, fotonii sunt transformați în electroni și sunt aspirați în puțul potențial care la un moment dat devine saturat. Cantitatea de electroni care rezultă din conversia fotonilor depinde de obicei de intensitatea surselor, ca atare, intervalul dinamic este, de asemenea, utilizat pentru a descrie intervalul dintre cea mai strălucitoare și cea mai slabă sursă posibilă care poate fi reprezentată de un CCD.

4. Liniaritate:

Un aspect important în selectarea CCD este, de obicei, capacitatea sa de a răspunde liniar pe o gamă largă de intrări. În imagistică, de exemplu, dacă un CCD detectează 100 de fotoni și îi transformă la 100 de electroni (de exemplu, presupunând că QE este 100%), atunci, din motive de liniaritate, este de așteptat să genereze 10000 de electroni dacă detectează 10000 de fotoni. Valoarea liniarității în CCD este în complexitatea redusă a tehnicilor de procesare utilizate în cântărirea și amplificarea semnalelor. Dacă CCD-ul este liniar, este necesară o cantitate mai mică de condiționare a semnalului.

5. Putere:

În funcție de aplicație, puterea este un aspect important pentru orice dispozitiv, iar utilizarea unei componente cu consum redus de energie este de obicei o decizie inteligentă. Acesta este unul dintre lucrurile pe care CCD-urile le aduc aplicațiilor. În timp ce circuitele din jurul lor pot consuma o cantitate semnificativă de energie, CCD-urile în sine au o putere redusă, cu valori tipice ale consumului în jur de 50 mW.

6. Zgomot:

CCD-urile ca toate dispozitivele analogice sunt susceptibile la zgomot, ca atare, una dintre proprietățile majore pentru evaluarea performanței și capacității lor este modul în care se ocupă de zgomot. Elementul suprem de zgomot experimentat în CCD este zgomotul de citire. Este un produs al electronilor în procesul de conversie a tensiunii și este un factor care contribuie la estimarea intervalului dinamic al CCD-ului.

Aplicații ale CCD-urilor

Dispozitivele cuplate la încărcare găsesc aplicații în diferite domenii, inclusiv;

1. Științe ale vieții:

Detectoarele și camerele bazate pe CCD sunt utilizate în diverse aplicații și sisteme de imagistică în științele vieții și în domeniul medical. Aplicațiile din acest domeniu sunt prea vaste pentru a menționa fiecare dintre ele, dar unele exemple specifice includ capacitatea de a face imagini de celule cu îmbunătățiri contrastante aplicate, capacitatea de a colecta probe de imagine care au fost dopate cu fluorofori (care determină fluorescența probei) și utilizarea în sisteme avansate de tomografie cu raze X pentru a imagina structurile osoase și probele de țesuturi moi.

2. Microscopie optică:

În timp ce aplicațiile din științele vieții includ utilizarea în microscopuri, este important de reținut că aplicațiile de microscopie nu sunt limitate la domeniul științelor vieții. Microscoape optice de diferite tipuri sunt utilizate în alte domenii convingătoare, cum ar fi; ingineria nanotehnologiei, știința alimentelor și chimia.

În majoritatea aplicațiilor de microscopie, CCD-urile sunt utilizate datorită raportului de zgomot redus, sensibilității ridicate, rezoluției spațiale ridicate și imaginii rapide a eșantionului, care este importantă pentru analiza reacțiilor care apar la niveluri microscopice.

3. Astronomie:

Cu microscopia, CCD-urile sunt folosite pentru a imagina elemente minuscule, dar în Astronomie, este folosit pentru focalizarea imaginilor obiectelor mari și îndepărtate. Astronomia este una dintre primele aplicații ale CCD-urilor și obiectele, de la stele, planete, meteori etc., au fost toate imaginate cu sisteme bazate pe CCD.

4. Camere comerciale:

Senzorii de imagine CCD cu cost redus sunt utilizați în camerele comerciale. CCD-urile sunt de obicei de o calitate și performanță mai scăzute în comparație cu cele utilizate în astronomie și științe ale vieții datorită cerințelor de costuri reduse pentru camerele comerciale.