Para ilmuwan Williard Boyle dan George E. Smith dari AT&T Bell Labs, sementara mengerjakan semikonduktor -bubble-memory merancang sebuah perangkat, dan menyebutnya sebagai 'Charge Bubble Device', yang dapat digunakan sebagai Shift Register.
Isi Daya Perangkat Gabungan
Menurut sifat dasar perangkat, ia memiliki kemampuan untuk mentransfer muatan satu kapasitor penyimpanan ke depan, sepanjang permukaan semikonduktor, dan prinsip ini mirip dengan Bucket-Brigade Device (BBD), yang ditemukan pada 1960-an di Phillips Research Labs. Akhirnya, dari semua kegiatan penelitian eksperimental tersebut, Charge Coupled Device (CCD) ditemukan di AT&T Bell Labs pada tahun 1969.
Isi Daya Perangkat Gabungan (CCD)
Charge Coupled Devices dapat didefinisikan dengan berbagai cara sesuai dengan aplikasi yang digunakan atau berdasarkan desain perangkat.
Ini adalah perangkat yang digunakan untuk pergerakan muatan listrik di dalamnya untuk manipulasi muatan, yang dilakukan dengan mengubah sinyal melalui tahapan di dalam perangkat satu per satu.
Itu dapat diperlakukan sebagai sensor CCD, yang digunakan di kamera digital dan video untuk mengambil gambar dan merekam video melalui efek fotolistrik. Ini digunakan untuk mengubah cahaya yang ditangkap menjadi data digital, yang direkam oleh kamera.
Ini dapat didefinisikan sebagai a sirkuit terintegrasi peka cahaya dicetak pada permukaan silikon untuk membentuk elemen peka cahaya yang disebut piksel, dan setiap piksel diubah menjadi muatan listrik.
Ini disebut sebagai perangkat waktu-diskrit yang digunakan untuk sinyal kontinyu atau analog pengambilan sampel pada waktu-waktu tertentu.
Jenis-jenis CCD
Ada beberapa CCD yang berbeda seperti CCD pengganda elektron, CCD yang diintensifkan, CCD transfer bingkai, dan CCD saluran terkubur. CCD secara sederhana dapat didefinisikan sebagai Charge Transfer Device. Penemu CCD, Smith dan Boyle juga menemukan CCD dengan kinerja yang sangat diperkaya daripada CCD Saluran Permukaan umum dan CCD lain yang dikenal sebagai CCD saluran Terkubur dan sebagian besar digunakan untuk aplikasi praktis.
Prinsip Kerja Isi Daya Perangkat Gabungan
Lapisan epitaxial silikon yang bertindak sebagai daerah fotoaktif dan daerah transmisi register geser digunakan untuk menangkap gambar menggunakan CCD.
Melalui gambar lensa diproyeksikan ke daerah aktif foto yang terdiri dari array kapasitor. Jadi, muatan listriknya sebanding dengan Intensitas cahaya Warna piksel gambar dalam spektrum warna di lokasi tersebut diakumulasikan pada setiap kapasitor.
Jika gambar terdeteksi oleh array kapasitor ini, maka muatan listrik yang terakumulasi di setiap kapasitor dipindahkan ke kapasitor tetangganya dengan melakukan sebagai a register geser dikendalikan oleh sirkuit kontrol.
Bekerja Mengisi Perangkat Gabungan
Pada gambar di atas, dari a, b dan c, transfer paket muatan ditunjukkan sesuai dengan tegangan yang diterapkan ke terminal gerbang. Akhirnya, dalam susunan muatan listrik kapasitor terakhir ditransfer ke penguat muatan di mana muatan listrik diubah menjadi tegangan. Jadi, dari operasi berkelanjutan tugas-tugas ini, seluruh muatan larik kapasitor dalam semikonduktor diubah menjadi rangkaian tegangan.
Urutan tegangan ini diambil sampelnya, didigitalisasi dan kemudian disimpan dalam memori dalam kasus perangkat digital seperti kamera digital. Dalam kasus perangkat analog seperti kamera video analog, urutan tegangan ini diumpankan ke filter low-pass untuk menghasilkan sinyal analog kontinu, dan kemudian sinyal diproses untuk transmisi, perekaman, dan untuk tujuan lain. Untuk memahami prinsip perangkat berpasangan muatan dan perangkat berpasangan muatan yang bekerja secara mendalam, terutama parameter berikut perlu dipahami.
Proses Transfer Biaya
Paket muatan dapat dipindahkan dari sel ke sel dengan menggunakan banyak skema dalam gaya Bucket Brigade. Ada berbagai macam teknik seperti dua fase, tiga fase, empat fase, dan seterusnya. Setiap sel terdiri dari kabel-n yang melewatinya dalam skema fase-n. Ketinggian sumur potensial dikontrol dengan menggunakan setiap kabel yang terhubung ke transfer clock. Paket muatan dapat didorong dan ditarik sepanjang garis CCD dengan memvariasikan ketinggian sumur potensial.
Proses Transfer Biaya
Pertimbangkan transfer muatan tiga fase, pada gambar di atas, tiga jam (C1, C2 dan C3) yang bentuknya identik tetapi dalam fase yang berbeda ditampilkan. Jika gerbang B naik dan gerbang A rendah, maka muatan akan berpindah dari ruang A ke ruang B.
Arsitektur CCD
Piksel dapat ditransfer melalui register vertikal paralel atau CCD vertikal (V-CCD) dan register horizontal paralel atau CCD horizontal (H-CCD). Muatan atau gambar dapat ditransfer menggunakan arsitektur pemindaian yang berbeda seperti pembacaan bingkai penuh, transfer bingkai, dan transfer antar baris. Prinsip perangkat berpasangan muatan dapat dengan mudah dipahami dengan skema transfer berikut:
1. Pembacaan Bingkai Penuh
Pembacaan Bingkai Penuh
Ini adalah arsitektur pemindaian paling sederhana yang membutuhkan rana di sejumlah aplikasi untuk memotong masukan cahaya dan untuk menghindari noda selama lewatnya muatan melalui register paralel-vertikal atau CCD vertikal dan register horizontal-paralel atau CCD horizontal dan kemudian ditransfer ke keluaran dalam serial.
2. Transfer Bingkai
Transfer Bingkai
Dengan menggunakan proses brigade ember, gambar dapat ditransfer dari larik gambar ke larik penyimpanan bingkai buram. Karena tidak menggunakan register serial, ini adalah proses yang cepat dibandingkan dengan proses lainnya.
3. Transfer antar jalur
Transfer Antar Garis
Setiap piksel terdiri dari fotodioda dan sel penyimpanan muatan buram. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, muatan gambar pertama-tama ditransfer dari PD peka cahaya ke V-CCD buram. Transfer ini, karena gambar disembunyikan, dalam satu siklus transfer menghasilkan noda gambar minimum sehingga penutupan optik tercepat dapat dicapai.
Kapasitor MOS dari CCD
Setiap sel CCD memiliki semikonduktor oksida logam, meskipun saluran permukaan dan kapasitor MOS saluran yang terkubur digunakan dalam pembuatan CCD. Tetapi seringkali CCD juga demikian dibuat di atas substrat tipe-P. dan diproduksi dengan menggunakan kapasitor saluran MOS yang terkubur untuk ini, daerah tipe-N yang tipis terbentuk di permukaannya. Lapisan silikon dioksida ditanam sebagai isolator di bagian atas wilayah N, dan gerbang dibentuk dengan menempatkan satu atau lebih elektroda pada lapisan isolasi ini.
Piksel CCD
Elektron bebas terbentuk dari efek fotolistrik ketika foton menghantam permukaan silikon, dan karena vakum, secara bersamaan, muatan positif atau lubang akan dihasilkan. Alih-alih memilih proses yang sulit untuk menghitung fluktuasi termal atau panas yang dibentuk oleh penggabungan ulang lubang dan elektron, lebih disukai untuk mengumpulkan dan menghitung elektron untuk menghasilkan gambar. Hal ini dapat dicapai dengan menarik elektron yang dihasilkan dengan memukul foton pada permukaan silikon menuju area berbeda yang bias secara positif.
Piksel CCD
Kapasitas sumur penuh dapat didefinisikan sebagai jumlah maksimum elektron yang dapat ditahan oleh setiap piksel CCD dan, biasanya, piksel CCD dapat menampung 10ke hingga 500ke, tetapi itu tergantung pada ukuran piksel (semakin besar ukuran semakin banyak elektron dapat diakumulasi).
Pendinginan CCD
Pendinginan CCD
Umumnya CCD bekerja pada suhu rendah, dan energi panas dapat digunakan untuk menarik elektron yang tidak sesuai menjadi piksel gambar yang tidak dapat dibedakan dari fotoelektron gambar nyata. Ini disebut sebagai proses arus gelap, yang menghasilkan derau. Total generasi arus gelap dapat dikurangi sebanyak dua kali untuk setiap 6 hingga 70 pendinginan dengan batas tertentu. CCD tidak bekerja di bawah -1200 dan kebisingan total yang dihasilkan dari arus gelap dapat dihilangkan dengan mendinginkannya sekitar -1000, dengan mengisolasinya secara termal di lingkungan yang dievakuasi. CCD sering kali didinginkan dengan menggunakan nitrogen cair, pendingin termo-elektrik, dan pompa mekanis.
Efisiensi Kuantum CCD
Laju pembangkitan fotoelektron bergantung pada insiden cahaya pada permukaan CCD. Konversi foton menjadi muatan listrik disumbangkan oleh banyak faktor dan disebut sebagai Efisiensi Kuantum. Ini berada dalam kisaran yang lebih baik dari 25% hingga 95% untuk CCD dibandingkan dengan teknik deteksi cahaya lainnya.
Efisiensi Kuantum Perangkat Terang Depan
Perangkat bercahaya depan menghasilkan sinyal setelah cahaya melewati struktur gerbang dengan melemahkan radiasi yang masuk.
Efisiensi Kuantum Perangkat Back Illuminated
CCD back-illuminated atau back-thinned terdiri dari kelebihan silikon di bagian bawah perangkat, yang dicetak sedemikian rupa sehingga memungkinkan pembangkitan fotoelektron secara tidak terbatas.
Artikel ini kemudian diakhiri dengan deskripsi singkat tentang CCD dan prinsip kerjanya dengan mempertimbangkan parameter yang berbeda seperti arsitektur pemindaian CCD, Proses transfer muatan, kapasitor MOS dari CCD, piksel CCD, pendinginan dan efisiensi kuantum CCD secara singkat. Apakah Anda tahu aplikasi tipikal di mana sensor CCD sering digunakan? Silakan posting komentar Anda di bawah ini untuk informasi rinci tentang cara kerja dan aplikasi CCD.
