AT＆Tベル研究所の科学者ウィリアードボイルとジョージE.スミス 半導体に取り組んでいます -バブルメモリはデバイスを設計し、それを「チャージバブルデバイス」と呼びました。これはシフトレジスタとして使用できます。
電荷結合デバイス
デバイスの基本的な性質によると、それはから電荷を転送する機能を持っています 1つのストレージコンデンサ 次に、半導体の表面に沿って、この原理は、1960年代にフィリップス研究所で発明されたバケツリレー装置（BBD）に似ています。最終的に、そのようなすべての実験的研究活動から、電荷結合装置（CCD）が1969年にAT＆Tベル研究所で発明されました。
電荷結合デバイス（CCD）
電荷結合デバイスは、それらが使用されるアプリケーションに応じて、またはデバイスの設計に基づいて、さまざまな方法で定義できます。
これは、電荷操作のためにその中の電荷の移動に使用されるデバイスであり、デバイス内のステージを介して信号を一度に1つずつ変更することによって行われます。
で使用されているCCDセンサーとして扱うことができます デジタルカメラとビデオカメラ 光電効果による画像撮影や動画撮影に。撮影した光をデジタルデータに変換し、カメラで記録します。
それは次のように定義できます 感光性集積回路 シリコン表面に刻印されてピクセルと呼ばれる感光性要素を形成し、各ピクセルが電荷に変換されます。
これは、次の目的で使用される離散時間デバイスと呼ばれます。 連続信号またはアナログ信号 離散時間でのサンプリング。
CCDの種類
電子増倍CCD、強化CCD、フレーム転送CCD、埋め込みチャネルCCDなどのさまざまなCCDがあります。 CCDは、単純に電荷移動デバイスとして定義できます。 CCDの発明者であるSmithとBoyleは、一般的な表面チャネルCCDや他のCCDよりも性能が大幅に向上したCCDも発見しました。これは、埋め込みチャネルCCDとして知られており、主に実用化に使用されています。
電荷結合デバイスの動作原理
CCDを使用して画像をキャプチャするために、光活性領域およびシフトレジスタ透過領域として機能するシリコンエピタキシャル層が使用されます。
レンズを通して、コンデンサアレイからなる光活性領域に画像が投影されます。したがって、に比例する電荷 光強度 その位置でのカラースペクトルの画像ピクセルカラーの割合は、各コンデンサで累積されます。
このコンデンサアレイによって画像が検出されると、各コンデンサに蓄積された電荷は、次のように実行することにより、隣接するコンデンサに転送されます。 シフトレジスタ 制御回路によって制御されます。
電荷結合デバイスの動作
上の図では、a、b、cから、ゲート端子に印加された電圧に応じた電荷パケットの転送が示されています。最後に、アレイ内で最後のコンデンサの電荷がチャージアンプに転送され、そこで電荷が電圧に変換されます。したがって、これらのタスクの連続動作から、半導体内のコンデンサアレイの電荷全体が一連の電圧に変換されます。
この一連の電圧は、デジタルカメラなどのデジタルデバイスの場合、サンプリングされ、デジタル化されてからメモリに保存されます。アナログビデオカメラなどのアナログデバイスの場合、この一連の電圧がローパスフィルタに供給されて連続アナログ信号が生成され、信号は送信、記録、およびその他の目的で処理されます。電荷結合デバイスの原理と電荷結合デバイスの詳細な動作を理解するには、主に次のパラメータを理解する必要があります。
電荷移動プロセス
チャージパケットは、バケットブリゲードスタイルの多くのスキームを使用してセル間で移動できます。二相、三相、四相など、さまざまな手法があります。すべてのセルは、n相方式でセルを通過するn線で構成されています。ポテンシャル井戸の高さは、転送クロックに接続された各ワイヤを使用して制御されます。ポテンシャル井戸の高さを変えることにより、電荷パケットをCCDの線に沿って押したり引いたりすることができます。
電荷移動プロセス
三相電荷移動を考えてみましょう。上の図では、形状は同じですが位相が異なる3つのクロック（C1、C2、C3）が示されています。ゲートBがハイになり、ゲートAがローになると、電荷はスペースAからスペースBに移動します。
CCDのアーキテクチャ
ピクセルは、並列垂直レジスタまたは垂直CCD（V-CCD）および並列水平レジスタまたは水平CCD（H-CCD）を介して転送できます。電荷または画像は、フルフレーム読み出し、フレーム転送、ライン間転送などのさまざまなスキャンアーキテクチャを使用して転送できます。電荷結合デバイスの原理は、次の転送スキームで簡単に理解できます。
1.フルフレーム読み出し
フルフレーム読み出し
これは最も単純なスキャンアーキテクチャであり、多くのアプリケーションでシャッターを使用して光入力を遮断し、電荷が平行垂直レジスタまたは垂直CCDおよび平行水平レジスタまたは水平CCDを通過する際のスミアリングを回避します。シリアル出力。
2.フレーム転送
フレーム転送
バケツリレープロセスを使用することにより、画像を画像アレイから不透明なフレームストレージアレイに転送できます。シリアルレジスタを使用しないため、他のプロセスに比べて高速なプロセスです。
3.インターライン転送
インターライン転送
各ピクセルは、フォトダイオードと不透明な電荷蓄積セルで構成されています。図に示すように、画像の電荷は最初に感光性PDから不透明なV-CCDに転送されます。この転送は、画像が隠されているため、1回の転送サイクルで最小限の画像スミアが生成されるため、最速の光学シャッターを実現できます。
CCDのMOSコンデンサ
CCDの製造には表面チャネルと埋め込みチャネルの両方のMOSコンデンサが使用されていますが、すべてのCCDセルには金属酸化物半導体があります。しかし、CCDは頻繁に P型基板上に作製 このために埋め込みチャネルMOSコンデンサを使用して製造され、その表面に薄いN型領域が形成されます。二酸化シリコン層は、N領域の上部に絶縁体として成長し、ゲートは、この絶縁層に1つまたは複数の電極を配置することによって形成されます。
CCDピクセル
光子がシリコン表面に当たると、光電効果により自由電子が形成され、同時に真空のために正電荷または正孔が生成されます。正孔と電子の再結合によって形成される熱ゆらぎや熱を数える難しいプロセスを選択する代わりに、電子を収集して数え、画像を生成することが好ましい。これは、シリコン表面に光子を衝突させることによって生成された電子を、正にバイアスされた別個の領域に引き付けることによって達成できます。
CCDピクセル
フルウェルキャパシティは、各CCDピクセルが保持できる電子の最大数として定義できます。通常、CCDピクセルは10keから500keを保持できますが、ピクセルのサイズによって異なります（サイズが大きいほど、電子の数が多くなります）。蓄積される）。
CCD冷却
CCD冷却
一般に、CCDは低温で動作し、熱エネルギーを使用して、実像の光電子と区別できない画像ピクセルに不適切な電子を励起することができます。これは暗電流プロセスと呼ばれ、ノイズを生成します。総暗電流の生成は、特定の制限付きで6〜70回の冷却ごとに2倍に減らすことができます。 CCDは-1200未満では機能せず、暗電流から発生する全ノイズは、真空環境で熱的に絶縁することにより、-1000前後に冷却することで除去できます。 CCDは、液体窒素、熱電冷却器、および機械式ポンプを使用して頻繁に冷却されます。
CCDの量子効率
光電子の発生率は、CCDの表面に入射する光に依存します。光子の電荷への変換は多くの要因によってもたらされ、量子効率と呼ばれます。他の光検出技術と比較して、CCDの場合は25％から95％の範囲にあります。
フロントイルミネーションデバイスの量子効率
前面照明装置は、光がゲート構造を通過した後、入射する放射線を減衰させることによって信号を生成します。
裏面照射型デバイスの量子効率
裏面照射型または裏面照射型CCDは、デバイスの下側にある過剰なシリコンで構成されており、光電子の生成を無制限に可能にする方法でインプリントされています。
したがって、この記事は、CCDスキャンアーキテクチャ、電荷移動プロセス、CCDのMOSコンデンサ、CCDピクセル、CCDの冷却および量子効率などのさまざまなパラメータを考慮した、CCDの簡単な説明とその動作原理で締めくくります。 CCDセンサーが頻繁に使用されている典型的なアプリケーションを知っていますか？ CCDの動作とアプリケーションに関する詳細については、以下にコメントを投稿してください。
