Un dispositivo acoplado de carga eléctrica (CCD del ) es un registro de cambio análogo, permitiendo las señales analógicas (cargas eléctricas) de ser transportado a través de las etapas sucesivas (condensadores) controladas por una señal del reloj . Los dispositivos juntados carga se pueden utilizar como forma de memoria o para retrasar señales análogas, muestreadas. Hoy, son los más ampliamente utilizados para serializar señales analógicas paralelas, a saber en órdenes de sensores ligeros fotoeléctricos. Este uso es tan predominante que en el lenguaje común, " CCD" (erróneamente) se utiliza como sinónimo para un tipo del sensor de la imagen aunque, en realidad, " CCD" se refiere solamente a la manera que la señal de la imagen se lee en la viruta.

La perspectiva del condensador es reflexiva de la historia del desarrollo del CCD y también es indicativa de su modo de operación general, con respecto a lectura, pero intenta la optimización dirigida de los actuales diseños del CCD y las estructuras tienden hacia la consideración del fotodiodo como la unidad de recogida fundamental del CCD. Bajo control de un circuito externo, cada condensador puede transferir su carga eléctrica a uno u otro de sus vecinos. CCDs se utiliza en la fotografía de Digitaces y la astronomía (particularmente en la fotometría, sensores, la fluoroscopia médica, la espectroscopia ULTRAVIOLETA óptica y y técnicas de alta velocidad tales como proyección de imagen afortunada ).

Historia

El CCD fue inventado en 1969 por el Willard Boyle y el George E. Smith en los laboratorios de Bell de AT&T. El laboratorio trabajaba en el teléfono del cuadro y en el desarrollo de la memoria de burbuja del semiconductor . Combinando estas dos iniciativas, Boyle y Smith concibieron del diseño de lo que llamaron “" de la carga; Bubble" Dispositivos”. La esencia del diseño era la capacidad a la carga de transferencia a lo largo de la superficie de un semiconductor. Mientras que el CCD comenzó su vida como dispositivo de memoria, uno podría solamente " inject" carga en el dispositivo en un registro de la entrada. Sin embargo, estaba inmediatamente claro que el CCD podría recibir la carga vía el efecto fotoeléctrico y las imágenes electrónicas podrían ser creadas. Antes de 1970, los investigadores de Bell podían capturar imágenes con los dispositivos lineares simples; así el CCD nació. Varias compañías, incluyendo el semiconductor de Fairchild, RCA y Texas Instruments, cogida en la invención y comenzaron programas de desarrollo. Fairchild era la primera con los dispositivos comerciales y por 1974 tenía un dispositivo linear de 500 elementos y un 2.o dispositivo de 100 x 100 pixeles. Bajo dirección de Kazuo Iwama, el Sony también comenzó un esfuerzo de desarrollo grande en CCDs que implicaba mucho dinero. Eventual, Sony manejó producir en masa CCDs para sus videocámaras. Antes de que sucediera esto, Iwama murió en agosto de 1982. Posteriormente, una viruta del CCD fue colocada en su piedra sepulcral para reconocer su contribución.

En enero de 2006, concedieron Boyle y Smith a academia nacional de premio rígido del pañero de Charles de la ingeniería para su trabajo sobre el CCD.

La física de la operación

El sensor ligero fotoeléctrico de un CCD es un cable aislado hecho de un semiconductor rodeado por los electrodos del anillo la cantidad baja de las ondas portadoras libres más la polarización finita del aislador y del semiconductor, sólo disturbar débil el campo eléctrico generado por los electrodos. Los portadores libres en el semiconductor no pueden pasar el aislador: reputan transversal confinado . Los electrodos de forma anular se utilizan para producir una seno-curva - potencial shaped a lo largo del cable. Los electrones mandilan a las colinas potenciales, y los agujeros mandilan a los valles: reputan longitudinalmente confinado . Un campo eléctrico de alternancia en los electrodos hace que los valles y las colinas se mueven a lo largo del cable, llevando las ondas portadoras con ellas.

CCDs verdadero no está alrededor de los cables debido a las ediciones de la producción. Hay las conexiones donde se inyectan las ondas portadoras. Para la lectura, el pequeño disturbio de campo generado por la carga llevada se detecta (véase: MOSFET ). En el extremo del cable, los portadores se caen sobre un electrodo del metal.

La región photoactive del CCD es, generalmente, una capa epitaxial de silicio. Tiene un doping de p+ (boro) y se crece sobre el material del substrato, a menudo p++. En dispositivos enterrados del canal, el tipo de diseño utilizado en la mayoría del CCDs moderno, ciertas áreas de la superficie del silicio es ion implantado con el fósforo, dándoles una designación n-dopada. Esta región define el canal en el cual los paquetes photogenerated de la carga viajarán. El óxido de la puerta, es decir el dieléctrico del condensador, se crece encima de la capa epitaxial y del substrato. Más tarde en polisilicona del proceso las puertas son depositadas por la deposición de vapor químico, modeladas con la fotolitografía, y grabadas al agua fuerte de una manera tal que el perpendicular por separado puesto en fase de la mentira de las puertas a los canales. Los canales son definidos más a fondo por la utilización del proceso de los LOCOS para producir la región de la parada del canal. Las paradas del canal son los óxidos termal crecidos que sirven aislar los paquetes de la carga en una columna de ésos en otra. Se producen estas paradas del canal antes de que sean las puertas de la polisilicona, pues el proceso de los LOCOS utiliza un paso de alta temperatura que destruiría el material de puerta. Las paradas de los canales son a paralelas, y a exclusiva, del canal, o a " carrying" de la carga;, regiones. Las paradas del canal tienen a menudo una región dopada p+ el ser la base de ellas, proporcionando otra barrera a los electrones en los paquetes de la carga (esta discusión de la física de los dispositivos del CCD asume un dispositivo de la transferencia del electrón, aunque la transferencia del agujero es posible).

Uno debe observar que la sincronización de las puertas, alternativamente cielo y tierra, remitirá y diagonal reverso el diodo que es proporcionado por el canal enterrado (n-dopado) y la capa epitaxial (p-dopada). Esto hará el CCD agotar, cerca de la ensambladura del P-n y recogerá y moverá los paquetes de la carga debajo de las puertas - y dentro de los canales - del dispositivo.

Debe ser observado que la fabricación y la operación del CCD se pueden optimizar para diversas aplicaciones. El proceso antedicho describe un CCD de la transferencia del marco. Mientras que CCDs puede ser manufacturado en una oblea pesadamente dopada de p++ es también posible fabricar un dispositivo dentro de los p-pozos que se han colocado en una n-oblea. Este segundo método, reduce según se informa el borrón de transferencia, la corriente oscura, y la respuesta infrarroja y roja. Este método de fabricación se utiliza en la construcción de los dispositivos de la transferencia de la interlínea.

Arquitectura

Los sensores de la imagen del CCD se pueden ejecutar en varias diversas arquitecturas. El mas comunes son lleno-marco, marco-transfieren e interlinean. La característica de distinción de cada uno de estas arquitecturas es su acercamiento al problema de shuttering.

En un dispositivo del lleno-marco, toda la área de la imagen es activa y no hay obturador electrónico. Un obturador mecánico se debe agregar a este tipo de sensor o la imagen manchará como se registra o se lee el dispositivo.

Con un CCD de la transferencia del capítulo, la mitad del área del silicio es cubierta por una máscara opaca (típicamente aluminio). La imagen se puede transferir rápidamente del área de la imagen a la región opaca del área o de almacenaje con el borrón de transferencia aceptable del alguno por ciento. Esa imagen se puede entonces leer lentamente en la región de almacenaje mientras que una nueva imagen es de integración o que expone en el área activa. Marco-transferir los dispositivos no requieren típicamente un obturador mecánico y eran una arquitectura común para las cámaras de estado sólido tempranas de la difusión. La desventaja a marco-transfiere arquitectura es que requiere dos veces las propiedades inmobiliarias del silicio de un dispositivo equivalente del lleno-marco; por lo tanto, cuesta áspero dos veces tanto.

La arquitectura de la interlínea prolonga este paso del concepto uno más futuro y enmascara cada otra columna del sensor de la imagen para el almacenaje. En este dispositivo, solamente un cambio del pixel tiene que ocurrir para transferir de área de la imagen al almacén; así, los tiempos del obturador pueden ser menos que un microsegundo y un borrón de transferencia esencialmente se elimina. La ventaja no está libre, sin embargo, pues el área de la proyección de imagen ahora es cubierta por las tiras opacas que caen el factor del terraplén al aproximadamente 50% y la eficacia de quántum eficaz por una cantidad equivalente. Los diseños modernos han tratado esta característica deletérea agregando microlenses en la superficie del dispositivo para dirigir la luz lejos de las regiones opacas y en el área activa. Microlenses puede traer el respaldo del factor del terraplén hasta el 90% o más dependiendo de tamaño del pixel y del diseño óptico del sistema total.

La opción de la arquitectura baja a una de utilidad. Si el uso no puede tolerar un costoso, la falta propensa, acciona el obturador mecánico hambriento, después un dispositivo de la interlínea es la opción correcta. Las cámaras de la foto del consumidor han utilizado los dispositivos de la interlínea. Por una parte, para esos usos que requieran la colección ligera mejor y las aplicaciones el dinero, la energía y el tiempo son menos importantes, el dispositivo del lleno-marco será la opción correcta. Los astrónomos tienden a preferir dispositivos del lleno-marco. Marco-transferir las caídas mientras tanto y era una opción común antes de que la aplicación del llenar-factor los dispositivos de la interlínea fuera abordada. Hoy, la opción de marco-transfiere se hace generalmente cuando una arquitectura de la interlínea no está disponible, por ejemplo adentro un dispositivo detrás-iluminado.

Usos

CCDs que contiene rejillas de los pixeles se utiliza en los exploradores ópticos de las cámaras digitales y las cámaras de vídeo como dispositivos de luz-detección. Responden comúnmente hasta el 70% de la luz del incidente (que significa una eficacia de Quantum de el cerca de 70%) que hace le lejos más eficiente que la película fotográfica, que captura el solamente cerca de 2% de la luz de incidente. Consecuentemente CCDs fue adoptado rápido por los astrónomos.

Una imagen es proyectada por una lente en el arsenal del condensador, haciendo cada condensador acumular una carga eléctrica proporcional a la intensidad de la luz en esa localización. Un arsenal unidimensional, usado en cámaras del barrido por líneas, captura una sola parte de la imagen, mientras que una matriz bidimensional, usada en las cámaras video e inmóviles, captura la imagen entera o una porción rectangular de ella. El arsenal se ha expuesto una vez a la imagen, causas de un circuito de control cada condensador para transferir su contenido a su vecino. El condensador pasado en el arsenal descarga su carga en un amplificador de la carga, que convierte la carga en un voltaje . Repitiendo este proceso, los convertidos del circuito de control que el contenido entero del arsenal a un voltaje diverso, que muestrea, convierta a digital y que almacene en memoria. Las imágenes almacenadas se pueden transferir a una exhibición de la impresora, del dispositivo de almacenamiento o video. CCDs es también ampliamente utilizado mientras que los sensores para el astronómico telescopan y los dispositivos de la visión nocturna. Las imágenes del CCD experimentan extenso tratamiento de la imagen.

Un uso astronómico interesante, llamado " deriva-scanning", es utilizar un CCD para hacer que un telescopio fijo se comporta como un telescopio de seguimiento y sigue el movimiento del cielo. Las cargas en el CCD se transfieren y leen adentro una dirección paralela al movimiento del cielo, y a la misma velocidad. De esta manera, el telescopio puede imagen una región más grande del cielo que su campo visual normal.

CCDs es típicamente sensible a la luz infrarroja, que no prohibe a la fotografía infrarroja, los dispositivos de la Noche-visión, y la vídeo-grabación/la fotografía cero del lux (o acercar al lux cero). Debido a su sensibilidad al infrarrojo, CCDs utilizó en astronomía se refresca generalmente a las temperaturas del nitrógeno líquido, porque la radiación de cuerpo negro infrarroja se emite de fuentes de la temperatura ambiente. Una otra consecuencia de su sensibilidad al infrarrojo es que el infrarrojo de los mandos a distancia aparecerá a menudo en las cámaras digitales o las videocámaras CCD-basadas si no tienen moldes infrarrojos. El enfriamiento también reduce la corriente oscura del arsenal, mejorando la sensibilidad del CCD a las intensidades de la luz corta, incluso para las longitudes de onda ultravioletas y visibles.

El ruido termal, la corriente oscura, y los rayos cósmicos pueden alterar los pixeles en el arsenal del CCD. Para contradecir tales efectos, los astrónomos toman un promedio de varias exposiciones con el obturador del CCD cerrado y abierto. El promedio de imágenes tomadas con el obturador cerrado es necesario bajar el ruido al azar. Una vez que está revelada, la imagen media del “marco oscuro” entonces es restado de la imagen del abrir-obturador para quitar la corriente oscura y otros defectos sistemáticos en el CCD (pixeles calientes muertos de los pixeles, etc.

Las cámaras del CCD usadas en la fotografía astronómica requieren a menudo los montajes robustos hacer frente a vibraciones y a brisas, junto con el enorme peso de la mayoría de las plataformas de la proyección de imagen. Para tomar exposiciones largas de galaxias y de nebulosas, muchos astrónomos utilizan una técnica conocida como auto-dirigiendo. La mayoría de los autoguiders utilizan una segunda viruta del CCD para supervisar desviaciones durante proyección de imagen. Esta viruta puede detectar rápido errores en el seguimiento y ordenar a los motores del montaje que corrijan para ellos.

Cámaras de color

Las cámaras de color de Digitaces utilizan generalmente una máscara de Bayer sobre el CCD. Cada cuadrado de cuatro pixeles tiene un rojo filtrado, un azul, y verde dos (el ojo humano es más sensible al verde que rojo o azul). El resultado de esto es que la información de la luminancia está recogida en cada pixel, pero la resolución del color es más baja que la resolución de la luminancia.

Una mejor separación de colores se puede alcanzar por los dispositivos tres-CCD ( 3CCD ) y una prisma dicroica del divisor de viga, esa parte la imagen en el rojo, el verde y los componentes azules . Cada uno de los tres CCDs se arregla para responder a un color particular. Algunas videocámaras video digitales del semi-professional (y la mayoría de los profesionales) utilizan esta técnica. Otra ventaja de 3CCD sobre un dispositivo de la máscara de Bayer es una eficacia de quántum más alta (y por lo tanto más arriba encender la sensibilidad para un tamaño dado de la abertura). Esto es porque en un dispositivo 3CCD la mayor parte de la luz que entra en la abertura es capturada por un sensor, mientras que una máscara de Bayer absorbe una parte elevada (cerca de 2/3) de la luz que cae en cada pixel del CCD.

Puesto que una viruta del CCD de la muy-alto-resolución es muy costoso en fecha 2005, una cámara inmóvil de alta resolución 3CCD estaría más allá del rango de precios incluso de muchos fotógrafos profesionales. Hay algunas cámaras inmóviles de gama alta que utilizan un filtro de color giratorio para alcanzar color-fidelidad y de alta resolución. Estas cámaras multi-shot son raras y pueden fotografiar solamente los objetos que no se están moviendo.

Sensor Sizes

Los sensores (CCD/Cmos) se refieren a menudo con una designación imperial de la fracción tal como 1/1.8" o 2/3", esta medida origina realmente detrás en los años 50 y la época de los tubos del vidicón. Las cámaras digitales compactas y Digicams tienen típicamente sensores mucho más pequeños que una Digital SLR y son así menos sensibles a la luz y a un ruido intrínsecamente más propenso. Algunos ejemplos del CCDs encontraron en cámaras modernas se pueden encontrar en esta tabla en una crítica de la fotografía de Digitaces

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