Tipos de dispositivos de carga acoplada con sus principios de funcionamiento

Tipos de dispositivos de carga acoplada con sus principios de funcionamiento

Los científicos Williard Boyle y George E. Smith de AT&T Bell Labs, mientras trabajando en semiconductores -bubble-memory diseñó un dispositivo y lo denominó 'Dispositivo de burbuja de carga', que se puede utilizar como registro de cambios.

Dispositivo de carga acoplada

Dispositivo de carga acoplada



De acuerdo con la naturaleza fundamental del dispositivo, tiene la capacidad de transferir carga desde un condensador de almacenamiento al siguiente, a lo largo de la superficie del semiconductor, y este principio es similar al Dispositivo Bucket-Brigade (BBD), que fue inventado en la década de 1960 en Phillips Research Labs. Finalmente, a partir de todas esas actividades de investigación experimental, el dispositivo de carga acoplada (CCD) se inventó en AT&T Bell Labs en 1969.




Dispositivo de carga acoplada (CCD)

Los dispositivos de carga acoplada se pueden definir de diferentes formas según la aplicación para la que se utilizan o según el diseño del dispositivo.

Es un dispositivo que se utiliza para el movimiento de la carga eléctrica dentro de él para la manipulación de la carga, que se realiza cambiando las señales a través de etapas dentro del dispositivo, una a la vez.



Puede tratarse como sensor CCD, que se utiliza en el cámaras digitales y de video para tomar imágenes y grabar videos mediante efecto fotoeléctrico. Se utiliza para convertir la luz capturada en datos digitales, que son registrados por la cámara.

Puede definirse como circuito integrado sensible a la luz impreso en una superficie de silicio para formar elementos sensibles a la luz llamados píxeles, y cada píxel se convierte en una carga eléctrica.


Se denomina dispositivo de tiempo discreto utilizado para señal continua o analógica muestreo en momentos discretos.



Tipos de CCD

Hay diferentes CCD, como los CCD multiplicadores de electrones, los CCD intensificados, los CCD de transferencia de tramas y los CCD de canal oculto. Un CCD se puede definir simplemente como dispositivo de transferencia de carga. Los inventores del CCD, Smith y Boyle también descubrieron un CCD con un rendimiento muy enriquecido que un CCD de canal de superficie general y otros CCD, se conoce como CCD de canal enterrado y se utiliza principalmente para aplicaciones prácticas.

Principio de funcionamiento del dispositivo de carga acoplada

La capa epitaxial de silicio que actúa como una región fotoactiva y una región de transmisión de registro de desplazamiento se utilizan para capturar imágenes utilizando un CCD.

A través de la lente, la imagen se proyecta sobre la región fotoactiva que consta de una matriz de condensadores. Así, la carga eléctrica proporcional a la intensidad de luz del color del píxel de la imagen en el espectro de color en esa ubicación se acumula en cada condensador.

Si la imagen es detectada por esta matriz de capacitores, entonces la carga eléctrica acumulada en cada capacitor se transfiere a su capacitor vecino actuando como un registro de turno controlado por el circuito de control.

Funcionamiento del dispositivo de carga acoplada

Funcionamiento del dispositivo de carga acoplada

En la figura anterior, de a, byc, se muestra la transferencia de paquetes de carga según el voltaje aplicado a los terminales de la puerta. Por último, en la matriz, la carga eléctrica del último condensador se transfiere al amplificador de carga en el que la carga eléctrica se convierte en voltaje. Por lo tanto, a partir del funcionamiento continuo de estas tareas, las cargas completas del conjunto de condensadores en el semiconductor se convierten en una secuencia de voltajes.

Esta secuencia de voltajes se muestrea, digitaliza y luego se almacena en la memoria en el caso de dispositivos digitales como cámaras digitales. En el caso de dispositivos analógicos como cámaras de video analógicas, esta secuencia de voltajes se alimenta a un filtro de paso bajo para producir una señal analógica continua, y luego la señal se procesa para transmisión, grabación y otros fines. Para comprender el principio del dispositivo de carga acoplada y el funcionamiento del dispositivo de carga acoplada en profundidad, es necesario comprender principalmente los siguientes parámetros.

Proceso de transferencia de carga

Los paquetes de carga se pueden mover de una celda a otra usando muchos esquemas al estilo Bucket Brigade. Hay varias técnicas, como dos fases, tres fases, cuatro fases, etc. Cada celda consta de n cables que la atraviesan en un esquema de n fases. La altura de los pozos potenciales se controla mediante el uso de cada cable conectado al reloj de transferencia. Los paquetes de carga se pueden empujar y tirar a lo largo de la línea del CCD variando la altura del pozo de potencial.

Proceso de transferencia de carga

Proceso de transferencia de carga

Considere una transferencia de carga trifásica, en la figura anterior, se muestran los tres relojes (C1, C2 y C3) que son idénticos en forma pero en diferentes fases. Si la puerta B sube y la puerta A baja, entonces la carga se moverá del espacio A al espacio B.

Arquitectura de CCD

Los píxeles se pueden transferir a través de registros verticales paralelos o CCD vertical (V-CCD) y registros horizontales paralelos o CCD horizontal (H-CCD). La carga o la imagen se pueden transferir utilizando diferentes arquitecturas de escaneo, como lectura de fotograma completo, transferencia de fotograma y transferencia entre líneas. El principio del dispositivo de carga acoplada se puede entender fácilmente con los siguientes esquemas de transferencia:

1. Lectura de fotograma completo

Lectura de fotograma completo

Lectura de fotograma completo

Es la arquitectura de escaneo más simple que requiere un obturador en varias aplicaciones para cortar la entrada de luz y evitar manchas durante el paso de cargas a través de registros paralelos-verticales o CCD vertical y registros paralelo-horizontales o CCD horizontal y luego transferidos a salida en serie.

2. Transferencia de fotogramas

Transferencia de fotogramas

Transferencia de fotogramas

Al utilizar el proceso de la brigada de cubos, la imagen se puede transferir de la matriz de imágenes a la matriz de almacenamiento de marco opaco. Como no utiliza ningún registro serial, es un proceso rápido en comparación con otros procesos.

3. Transferencia entre líneas

Transferencia interlínea

Transferencia interlínea

Cada píxel consta de un fotodiodo y una celda de almacenamiento de carga opaca. Como se muestra en la figura, la carga de la imagen se transfiere primero desde la PD sensible a la luz al V-CCD opaco. Esta transferencia, ya que la imagen está oculta, en un ciclo de transferencia produce una mancha de imagen mínima, por lo que se puede lograr el obturador óptico más rápido.

Condensador MOS de CCD

Cada celda CCD tiene un semiconductor de óxido metálico, aunque en la fabricación del CCD se utilizan capacitores MOS de canal superficial y de canal enterrado. Pero con frecuencia los CCD son fabricado sobre un sustrato tipo P y fabricado utilizando capacitores MOS de canal enterrado para esto, se forma una región delgada de tipo N en su superficie. Se hace crecer una capa de dióxido de silicio como aislante en la parte superior de la región N, y las puertas se forman colocando uno o más electrodos en esta capa aislante.

Píxeles CCD

Los electrones libres se forman a partir del efecto fotoeléctrico cuando los fotones golpean la superficie del silicio y, debido al vacío, se generará simultáneamente una carga positiva o el agujero. En lugar de elegir un proceso difícil de contar las fluctuaciones térmicas o el calor formado por la recombinación del hueco y el electrón, se prefiere recolectar y contar electrones para producir una imagen. Esto se puede lograr atrayendo los electrones generados al golpear los fotones en la superficie del silicio hacia las distintas áreas polarizadas positivamente.

Píxeles CCD

Píxeles CCD

La capacidad total del pozo se puede definir como la cantidad máxima de electrones que puede contener cada píxel CCD y, por lo general, un píxel CCD puede contener de 10 a 500 ke, pero depende del tamaño del píxel (cuanto mayor sea el tamaño, más electrones pueden acumularse).

Enfriamiento CCD

Enfriamiento CCD

Enfriamiento CCD

Generalmente, los CCD funcionan a baja temperatura y la energía térmica se puede utilizar para excitar electrones inapropiados en píxeles de imagen que no se pueden diferenciar de los fotoelectrones de imagen real. Se denomina proceso de corriente oscura, que genera ruido. La generación total de corriente oscura se puede reducir dos veces por cada 6 a 70 de enfriamiento con ciertos límites. Los CCD no funcionan por debajo de -1200 y el ruido total generado por la corriente oscura se puede eliminar enfriándolo alrededor de -1000, aislándolo térmicamente en un entorno evacuado. Los CCD se enfrían con frecuencia mediante el uso de nitrógeno líquido, enfriadores termoeléctricos y bombas mecánicas.

Eficiencia cuántica de CCD

La tasa de generación de fotoelectrones depende de la luz incidente en la superficie del CCD. La conversión de los fotones en carga eléctrica es contribuida por muchos factores y se denomina eficiencia cuántica. Está en el mejor rango de 25% a 95% para los CCD en comparación con otras técnicas de detección de luz.

Eficiencia cuántica del dispositivo con iluminación frontal

Eficiencia cuántica del dispositivo con iluminación frontal

El dispositivo con iluminación frontal genera una señal después de que la luz atraviesa la estructura de la puerta atenuando la radiación entrante.

Eficiencia cuántica del dispositivo con iluminación trasera

Eficiencia cuántica del dispositivo con iluminación trasera

El CCD retroiluminado o adelgazado consiste en un exceso de silicio en la parte inferior del dispositivo, que está impreso de una manera que permite sin restricciones la generación de fotoelectrones.

Este artículo concluye así con la breve descripción de CCD y su principio de funcionamiento considerando diferentes parámetros como arquitecturas de escaneo CCD, proceso de transferencia de carga, condensador MOS de CCD, píxel CCD, enfriamiento y eficiencia cuántica de CCD en breve. ¿Conoce aplicaciones típicas en las que el sensor CCD se utiliza con frecuencia? Publique sus comentarios a continuación para obtener información detallada sobre el funcionamiento y las aplicaciones de los CCD.