Электр зарядын жылжыту құрылғысы

Кіріспе

Электр зарядын қозғалысына арналған құрылғы

Зарядты қосарланған құрылғы (CCD) – бір-бірімен байланысқан немесе қосылған конденсаторлардың массивін қамтитын интегралдық схема. Сыртқы тізбектің басқаруымен әрбір конденсатор өзінің электр зарядын көрші конденсаторға беруге қабілетті. CCD сенсорлары – цифрлық бейнелеуде қолданылатын маңызды технология.

Шолу

CCD бейне сенсорында пиксельдер p-допталған металл-оксидті жартылай өткізгіш (MOS) конденсаторларымен бейнеленеді. Бұл MOS конденсаторлары – CCD құрылысының негізгі элементтері, CCD құрылысының негізгі элементтері болып табылатын MOS конденсаторлары, ал ерте CCD құрылғыларында фотодетектор ретінде пайдаланылатын азайтылған MOS құрылымы. 1960 жылдардың соңында Уиллард Бойл мен Джордж Э. Смит Bell Labs-те жартылай өткізгіштік көпіршік жадымен жұмыс істеп жатқанда MOS технологиясын зерттеді. Олар электр зарядының магниттік көпіршікке аналог екенін және оны кішкентай MOS конденсаторында сақтауға болатынын түсінді. МОС конденсаторларының қатарын жасау өте оңай болғандықтан, олар оларға тиісті кернеуді қосып, зарядты бірінен екіншісіне жылжытуға мүмкіндік берді. 1970 жылғы сәуірде бұл тұжырымды сипаттаған алғашқы мақалада жад, кешіктіру желісі және бейнелеу құрылғысы ретінде қолдану мүмкіндіктері тізілген. Бұл құрылғыны ауыстыру тіркегіші ретінде де пайдалануға болады. Дизайнның мәні – жартылай өткізгіштің бетімен зарядты бір сақтау конденсаторынан екіншісіне жылжыту мүмкіндігінде болды. Бұл тұжырымдама 1960 жылдардың соңында Philips Research Labs-те жасалған шелек бригадасы құрылғысына (BBD) ұқсас болды. Бұл принципті көрсеткен алғашқы тәжірибелік құрылғы – электрлік қосылымдар арқылы қосылған тотыққан кремний бетіне жақын орналасқан металл шаршылардың қатары болды. Оны 1970 жылғы сәуірде Гил Амелио, Майкл Фрэнсис Томпсетт және Джордж Смит көрсетті. Бұл CCD-нің бейне сенсор технологиясындағы алғашқы тәжірибелік қолданылуы болды және фотодетектор ретінде азайтылған MOS құрылымын пайдаланды. Интегралды схема технологиясымен жасалған алғашқы жұмыс істейтін CCD – 1970 жылғы тамызда Томпсетт, Амелио және Смит баяндаған қарапайым 8 биттік ауыстыру тіркегіші болды. Бұл құрылғыда кіріс және шығыс тізбектері болды және оны ауыстыру тіркегіші ретінде және сегіз пикселдік сызықтық бейнелеу құрылғысы ретінде пайдалануды көрсетуге арналған. Құрылғыны дамыту жылдам қарқынмен жүрді. 1971 жылы Майкл Томпсетт басқаратын Bell зерттеушілері қарапайым сызықтық құрылғылармен суреттерді түсіре алды. Fairchild Semiconductor, RCA және Texas Instruments сияқты бірнеше компаниялар өнертабысты қабылдап, даму бағдарламаларын бастады. Фэрчайлдтің экс-Bell зерттеушісі Гил Амелио басқарған жұмысы алғашқы коммерциялық құрылғылармен аяқталды, ал 1974 жылы сызықтық 500 элементтік құрылғы және 2D 100 × 100 пикселдік құрылғы пайда болды. Кодак зерттеу зертханасының ғалымы Питер Диллон 1974 жылы осы Fairchild 100 x 100 пикселдік интерлайндық CCD-ге түсті сүзгі массивін жапсыра отырып, алғашқы түсті CCD бейне сенсорын ойлап тапты. Стивен Сассон, Кодак аппаратурасы бөлімінде жұмыс істейтін электр инженері, 1975 жылы осы Fairchild 100 × 100 CCD-ді пайдалана отырып, цифрлық камераны ойлап тапты. Интерлайндық (ILT) CCD құрылғысын 1973 жылы Л. Уолш пен Р. Дайк Fairchild-те майлауды азайту және механикалық жапқышты жою үшін ұсынды. Жарық көздерінен майлауды одан әрі азайту үшін 1981 жылы К. Хори, Т. Курода және Т. Куни Мацуситада (қазіргі Panasonic) кадр аралық көшіру (FIT) CCD архитектурасын әзірледі. Кадзуо Иваманың басшылығымен Sony компаниясы CCD-ді дамыту бойынша үлкен жұмыс бастады, бұл маңызды инвестицияларды қамтыды. Ақырында Sony компаниясы өзінің видеокамералары үшін CCD-ді жаппай өндіре бастады. Бұл оқиғалар орын алмастан бұрын, 1982 жылғы тамызда Ивама қайтыс болды. Кейін оның қабірінің тасына оның үлесін мойындау үшін CCD чипі қойылды. Тұңғыш рет көпшілікке арналған CCD видеокамерасы CCD G5 1983 жылы Sony компаниясы шығарды, ол 1981 жылы Йошиаки Хагивара жасаған прототипке негізделген. Алғашқы CCD сенсорлары сақинаның созылуынан зақымдалды. Бұл мәселе негізінен тігілген фотодиодтың (PPD) пайда болуымен шешілді. Олар сигнал тасымалдаушыларды фотодиодтан CCD-ге көшіру арқылы лагты жоюға болатынын мойындады. Бұл олардың фотодиодты, фотодетектор құрылымын, аз кідіріспен, аз шумен, жоғары кванттық тиімділікпен және аз қараңғы токпен ойлап табуына әкелді. NEC-те ойлап табылған жаңа фотодетектор құрылымына 1984 жылы Kodak-та Б. К. Берки "тігілген фотодиод" (PPD) деген атау берді. 1987 жылы PPD көпшілік CCD құрылғыларына енгізіле бастады, ол тұтынушы электронды бейнекамераларда, содан кейін сандық фотокамераларда тұрақты орын алды. Содан бері PPD барлық дерлік CCD сенсорларында, содан кейін CMOS сенсорларында қолданыла бастады. 2009 жылы олар CCD тұжырымын ойлап тапқандары үшін физика саласындағы Нобель сыйлығын алды. Майкл Томпсет 2010 жылы Ұлттық технология және инновация медалімен марапатталды, ол алғашқы CCD бейнелеу құрылғыларын жобалау және дамытуды қоса алғанда, пионерлік жұмыстары мен электрондық технологиялары үшін. Ол сондай-ақ 2012 жылы IEEE Edison медалімен «бейнелеу құрылғыларына, соның ішінде CCD бейнелеу құрылғыларына, камералар мен жылулық бейнелеу құрылғыларына жасаған пионерлік үлесі үшін» марапатталды.

In a CCD image sensor, pixels are represented by p doped metal–oxide–semiconductor (MOS) capacitors. These MOS capacitors, the basic building blocks of a CCD, with MOS capacitors being the basic building blocks of a CCD, and a depleted MOS structure used as the photodetector in early CCD devices. In the late 1960s, Willard Boyle and George E. Smith at Bell Labs were researching MOS technology while working on semiconductor bubble memory. They realized that an electric charge was the analogy of the magnetic bubble and that it could be stored on a tiny MOS capacitor. As it was fairly straightforward to fabricate a series of MOS capacitors in a row, they connected a suitable voltage to them so that the charge could be stepped along from one to the next. The initial paper describing the concept in April 1970 listed possible uses as memory, a delay line, and an imaging device. The device could also be used as a shift register. The essence of the design was the ability to transfer charge along the surface of a semiconductor from one storage capacitor to the next. The concept was similar in principle to the bucket brigade device (BBD), which was developed at Philips Research Labs during the late 1960s. The first experimental device demonstrating the principle was a row of closely spaced metal squares on an oxidized silicon surface electrically accessed by wire bonds. It was demonstrated by Gil Amelio, Michael Francis Tompsett and George Smith in April 1970. This was the first experimental application of the CCD in image sensor technology, and used a depleted MOS structure as the photodetector. The first working CCD made with integrated circuit technology was a simple 8 bit shift register, reported by Tompsett, Amelio and Smith in August 1970. This device had input and output circuits and was used to demonstrate its use as a shift register and as a crude eight pixel linear imaging device. Development of the device progressed at a rapid rate. By 1971, Bell researchers led by Michael Tompsett were able to capture images with simple linear devices. Several companies, including Fairchild Semiconductor, RCA and Texas Instruments, picked up on the invention and began development programs. Fairchild's effort, led by ex Bell researcher Gil Amelio, was the first with commercial devices, and by 1974 had a linear 500 element device and a 2D 100 × 100 pixel device. Peter Dillon, a scientist at Kodak Research Labs, invented the first color CCD image sensor by overlaying a color filter array on this Fairchild 100 x 100 pixel Interline CCD starting in 1974. Steven Sasson, an electrical engineer working for the Kodak Apparatus Division, invented a digital still camera using this same Fairchild 100 × 100 CCD in 1975. The interline transfer (ILT) CCD device was proposed by L. Walsh and R. Dyck at Fairchild in 1973 to reduce smear and eliminate a mechanical shutter. To further reduce smear from bright light sources, the frame interline transfer (FIT) CCD architecture was developed by K. Horii, T. Kuroda and T. Kunii at Matsushita (now Panasonic) in 1981. Under the leadership of Kazuo Iwama, Sony started a large development effort on CCDs involving a significant investment. Eventually, Sony managed to mass produce CCDs for their camcorders. Before this happened, Iwama died in August 1982. Subsequently a CCD chip was placed on his tombstone to acknowledge his contribution. The first mass produced consumer CCD video camera, the CCD G5, was released by Sony in 1983, based on a prototype developed by Yoshiaki Hagiwara in 1981. Early CCD sensors suffered from shutter lag. This was largely resolved with the invention of the pinned photodiode (PPD). They recognized that lag can be eliminated if the signal carriers could be transferred from the photodiode to the CCD. This led to their invention of the pinned photodiode, a photodetector structure with low lag, low noise, high quantum efficiency and low dark current. The new photodetector structure invented at NEC was given the name "pinned photodiode" (PPD) by B. C. Burkey at Kodak in 1984. In 1987, the PPD began to be incorporated into most CCD devices, becoming a fixture in consumer electronic video cameras and then digital still cameras. Since then, the PPD has been used in nearly all CCD sensors and then CMOS sensors. and in 2009 they were awarded the Nobel Prize for Physics for their invention of the CCD concept. Michael Tompsett was awarded the 2010 National Medal of Technology and Innovation, for pioneering work and electronic technologies including the design and development of the first CCD imagers. He was also awarded the 2012 IEEE Edison Medal for "pioneering contributions to imaging devices including CCD Imagers, cameras and thermal imagers".

Жұмыс істеу негіздері

ККД-да суреттерді түсіру үшін фотоактивті аймақ (силицийдің эпитаксиалдық қабаты) және ауысу тізілімінен (ККД, дәлірек айтқанда) жасалған тарату аймағы болады. Кескін линза арқылы конденсаторлар массивіне (фотоактивті аймаққа) проекцияланады, нәтижесінде әр конденсатор сол орналасқан жердегі жарық интенсивтілігіне пропорционалды электр зарядын жинақтайды. Сызықтық сканерлеу камераларында қолданылатын бір өлшемді массив бейнеленген суреттің бір тілімін алады, ал видео және фотокамераларда қолданылатын екі өлшемді массив сенсордың фокустық жазықтығына проекцияланған көрініске сәйкес келетін екі өлшемді суретті түсіреді. Массив кескінге түскеннен кейін, басқару тізбегі әр конденсатордың мазмұнын көршісіне (ауысу тізілімі ретінде жұмыс істейтін) беруге мүмкіндік береді. Массивтегі соңғы конденсатор зарядын заряд күшейткішіне жібереді, ол зарядты кернеуге түрлендіреді. Осы процесті қайталап, басқару тізбегі жартылай өткізгіштегі массивтің барлық мазмұнын кернеулер тізбегіне айналдырады. Цифрлық құрылғыда бұл кернеулер дискреттеледі, цифрлық түрге келтіріліп, әдетте жадта сақталады; ал аналогтық құрылғыда (мысалы, аналогты бейнекамерада) олар үздіксіз аналогтық сигналға өңделеді (мысалы, заряд күшейткішінің шығысын төмен өткізгіш сүзгіге беру арқылы), содан кейін тарату, жазу немесе басқа өңдеу үшін басқа тізбектерге жіберіледі.

Құрылыс және өндіріс

КДҚ-ның фотоактивті аймағы, әдетте, кремнийдің эпитаксиалды қабаты болып табылады. Ол жеңіл p-типтегі допингке ие (әдетте бормен) және көбінесе p++ субстратының үстіне өсіріледі. Көмілген арналы құрылғыларда, қазіргі заманғы КДҚ-ның көпшілігінде қолданылатын конструкция түрінде, кремний бетінің белгілі бір аймақтары фосформен иондық имплантацияға ұшыратылып, n-типтегі допингке ие болады. Бұл аймақ фотожасалатын заряд пакеттерінің қозғалатын арнасын анықтайды. Саймон Сзе көмілген арналы құрылғының артықшылықтарын былай сипаттайды:

Астрономияда қолдану

Зарядты қосарланған құрылғылардың (CCD) жоғары кванттық тиімділігіне байланысты (идеалдық кванттық тиімділік 100%, бір фотонға бір электрон туындайды), олардың шығыстарының сызықтығы, фотографиялық пластиналармен салыстырғанда пайдаланудың қарапайымдылығы және басқа да көптеген себептерге байланысты, CCD-лер астрономдар тарапынан ультракөккөк түстен инфрақызылға дейінгі дерлік барлық қолданыстар үшін өте жылдам қабылданып алынды. Термиялық шу және ғарыштық сәулелер CCD массивіндегі пиксельдерді өзгерте алады. Мұндай әсерлерге қарсы тұру үшін астрономдар CCD жалюзисі жабық және ашық күйде бірнеше экспозиция алады. Жалюзисі жабық түсірілген суреттердің орташасы кездейсоқ шуды азайту үшін қажет. Дамытылғаннан кейін, қара кадрдың орташа суреті ашық жалюзилі суреттен қара токты және CCD-дегі басқа да жүйелік ақауларды (өлі пиксельдер, қызған пиксельдер және т.б.) жою үшін алынады. Жаңа Skipper CCD-лері шуды бірнеше рет жиналған зарядпен деректерді жинау арқылы жояды және қараңғы материяны іздеу және нейтрино өлшемдерінде қолданылады. Әсіресе, Хаббл ғарыш телескобы шикі CCD деректерін пайдалы суреттерге айналдыру үшін жоғары дамыған қадамдар сериясын ("деректерді өңдеу конвейері") пайдаланады. Астрофотографияда қолданылатын CCD камералары көбінесе желден және басқа да көздерден туындайтын дірілдерге төтеп беру үшін, сондай-ақ көптеген бейнелеу платформаларының үлкен салмағына қарамастан, берік орнатуларды қажет етеді. Галактикалар мен тұмандықтардың ұзақ экспозицияларын жасау үшін көптеген астрономдар автобағыттау деп аталатын әдісті пайдаланады. Көптеген автобағыттағыштар бейнелеу кезінде ауытқуларды бақылау үшін екінші CCD чипін пайдаланады. Бұл чип жылдам түрде бақылау қателерін анықтайды және оларды түзету үшін орнату қозғалтқыштарына команда береді. CCD-нің ерекше астрономиялық қолданылуы – дрифт сканерлеуі, ол CCD-ні бекітілген телескопты іздеу телескопына айналдырып, аспанның қозғалысын қадағалайды. CCD-дегі зарядтар аспанның қозғалысына параллель бағытта және бірдей жылдамдықпен ауыстырылады және оқылады. Осылайша телескоп өзінің қалыпты көру бұрышынан артық аспан аймағын суретке түсіре алады. Sloan Digital Sky Survey осы техниканы қолдана отырып, аспанның төрттен бір бөлігін зерттеуге мүмкіндік берген ең танымал мысал. Gaia ғарыш телескопы да осы режимде жұмыс істейтін құрал, ол өзінің осінің айналасында 6 сағатта 1 айналым жылдамдығымен айналады және осы уақыт ішінде аспандағы 360° x 0,5° жолақты сканерлейді; жұлдыз шамамен 40 секундта (тиімді экспозиция уақыты) бүкіл фокустық жазықтықты кесіп өтеді. Кескіндеу құрылғыларынан басқа, CCD-лер спектрометрлер мен интерферометрлерді қоса алғанда, талдау құралдарының кең ауқымында қолданылады.

Due to the high quantum efficiencies of charge coupled device (CCD) (the ideal quantum efficiency is 100%, one generated electron per incident photon), linearity of their outputs, ease of use compared to photographic plates, and a variety of other reasons, CCDs were very rapidly adopted by astronomers for nearly all UV to infrared applications. Thermal noise and cosmic rays may alter the pixels in the CCD array. To counter such effects, astronomers take several exposures with the CCD shutter closed and opened. The average of images taken with the shutter closed is necessary to lower the random noise. Once developed, the dark frame average image is then subtracted from the open shutter image to remove the dark current and other systematic defects (dead pixels, hot pixels, etc.) in the CCD. Newer Skipper CCDs counter noise by collecting data with the same collected charge multiple times and has applications in precision light Dark Matter searches and neutrino measurements. The Hubble Space Telescope, in particular, has a highly developed series of steps ("data reduction pipeline") to convert the raw CCD data to useful images. CCD cameras used in astrophotography often require sturdy mounts to cope with vibrations from wind and other sources, along with the tremendous weight of most imaging platforms. To take long exposures of galaxies and nebulae, many astronomers use a technique known as auto guiding. Most autoguiders use a second CCD chip to monitor deviations during imaging. This chip can rapidly detect errors in tracking and command the mount motors to correct for them. An unusual astronomical application of CCDs, called drift scanning, uses a CCD to make a fixed telescope behave like a tracking telescope and follow the motion of the sky. The charges in the CCD are transferred and read in a direction parallel to the motion of the sky, and at the same speed. In this way, the telescope can image a larger region of the sky than its normal field of view. The Sloan Digital Sky Survey is the most famous example of this, using the technique to produce a survey of over a quarter of the sky. The Gaia space telescope is another instrument operating in this mode, rotating about its axis at a constant rate of 1 revolution in 6 hours and scanning a 360° by 0.5° strip on the sky during this time; a star traverses the entire focal plane in about 40 seconds (effective exposure time). In addition to imagers, CCDs are also used in an array of analytical instrumentation including spectrometers and interferometers.

Түсті камералар

Саналы түсті камералар, соның ішінде смартфондардағы саналы түсті камералар, әдетте, CCD-нің монохромды пиксельдерінің үстіне орналастырылған түсті сүзгі массиві бар интегралды түсті бейне сенсорын қолданады. Ең танымал CFA үлгісі – Байер сүзгісі, ол оның ойлап тапқан Кодак ғалымы Брайс Байердің есімімен аталады. Байер үлгісінде төрт пикселдің әр квадратында бір қызыл, бір көк және екі жасыл пиксел болады (адам көзі жарыққа қатысты жоғары айқындыққа ие, ол қызыл немесе көк түске қарағанда жасыл түске көбірек мән береді). Осының нәтижесінде, жарықтық ақпарат шахмат тәрізді үлгіні пайдалана отырып, әр қатар мен бағаннан жиналады, ал түстің ажыратылуы жарықтық ажыратылудан төмен болады. Түсті жақсырақ бөлу үшін үш CCD құрылғысы (3CCD) және суретті қызыл, жасыл және көк компоненттерге бөлетін дихроматикалық сәуле бөлуші призма қолданылуы мүмкін. Үш CCD-нің әрқайсысы белгілі бір түске жауап беруге бағдарланған. Көптеген кәсіби бейнекамералар және кейбір жартылай кәсіби бейнекамералар осы техниканы қолданады, бірақ бәсекелес CMOS технологиясының дамуы CMOS сенсорларын, сәуле бөлушілермен және Байер сүзгілерімен, жоғары сапалы бейне және цифрлық кинокамераларда кеңінен танымал етті. 3CCD-нің Байер маскасымен жабдықталған құрылғыға қарағанда тағы бір артықшылығы – жоғары кванттық тиімділік (жарыққа жоғары сезімталдық), себебі линзадан түсетін жарықтың көп бөлігі кремний сенсорларының біріне енеді, ал Байер маскасы әр пикселге түсетін жарықтың үлкен бөлігін (көбінесе 2/3-тен астамын) сіңіреді. Тұрақты көріністер үшін, мысалы, микроскопияда, Байер маскасымен жабдықталған құрылғының ажыратылу қабілетін микросканерлеу технологиясы арқылы жақсартуға болады. Түсті координаталық үлгі алу процесінде сахнаның бірнеше кадрлары жасалады. Түсірілімдер арасында сенсор пикселдік өлшемдер бойынша жылжытылады, соның салдарынан көрініс өрісінің әрбір нүктесі масканың қызыл, жасыл және көк түстерге сезімтал элементтері арқылы тізбектей алынады. Соңында, суреттегі әр пиксел әр түсте кемінде бір рет сканерленгеннен кейін үш арнаның ажыратылу қабілеті теңеседі (қызыл және көк арналардың ажыратылу қабілеті төрт есеге артса, жасыл арнаның ажыратылу қабілеті екі есеге артады).

Digital color cameras, including the digital color cameras in smartphones, generally use a integral color image sensor, which has a color filter array fabricated on top of the monochrome pixels of the CCD. The most popular CFA pattern is known as the Bayer filter, which is named for its inventor, Kodak scientist Bryce Bayer. In the Bayer pattern, each square of four pixels has one filtered red, one blue, and two green pixels (the human eye has greater acuity for luminance, which is more heavily weighted in green than in either red or blue). As a result, the luminance information is collected in each row and column using a checkerboard pattern, and the color resolution is lower than the luminance resolution. Better color separation can be reached by three CCD devices (3CCD) and a dichroic beam splitter prism, that splits the image into red, green and blue components. Each of the three CCDs is arranged to respond to a particular color. Many professional video camcorders, and some semi professional camcorders, use this technique, although developments in competing CMOS technology have made CMOS sensors, both with beam splitters and Bayer filters, increasingly popular in high end video and digital cinema cameras. Another advantage of 3CCD over a Bayer mask device is higher quantum efficiency (higher light sensitivity), because most of the light from the lens enters one of the silicon sensors, while a Bayer mask absorbs a high proportion (more than 2/3) of the light falling on each pixel location. For still scenes, for instance in microscopy, the resolution of a Bayer mask device can be enhanced by microscanning technology. During the process of color co site sampling, several frames of the scene are produced. Between acquisitions, the sensor is moved in pixel dimensions, so that each point in the visual field is acquired consecutively by elements of the mask that are sensitive to the red, green, and blue components of its color. Eventually every pixel in the image has been scanned at least once in each color and the resolution of the three channels become equivalent (the resolutions of red and blue channels are quadrupled while the green channel is doubled).

Сенсордың өлшемі

Сенсорлар (CCD / CMOS) әр түрлі өлшемдерде немесе бейне сенсор форматтарында келеді. Бұл өлшемдер көбінесе оптикалық формат деп аталатын, 1/1.8″ немесе 2/3″ сияқты дюймдік бөлшектермен белгіленеді. Бұл өлшеу 1950 жылдарға және Видикон түтіктерінің пайда болу кезеңіне қатысты.

Гүлдену

CCD экспозициясы жеткілікті ұзақ болғанда, суреттің ең жарық бөлігіндегі "құрамаларға" жиналған электрондар ақырында құраманы артығымен толтырып, гүлдену құбылысына әкеледі. CCD құрылымы электрондардың бір бағытта екінші бағытқа қарағанда оңайрақ ағуына мүмкіндік береді, нәтижесінде тік сызықтар пайда болады. CCD-ге енгізілетін кейбір гүлденуге қарсы мүмкіндіктер пикселдің бір бөлігін дренаждық құрылым үшін пайдалану арқылы жарыққа сезімталдығын азайтады. Джеймс М. Эрли жарық жинау аймағына зиян келтірмейтін және жарыққа сезімталдықты төмендетпейтін тік гүлденуге қарсы дренажды жасады.