Come caricare

Gli anni '60 e '70 furono anni pieni di brillanti scoperte, invenzioni e progressi tecnologici, in particolare le tecnologie di memoria. Una delle scoperte chiave dell'epoca fu fatta da Willard Boyle e George Smith, mentre esploravano l'applicazione della tecnologia MOS (metal-oxide-semiconductor) per lo sviluppo di una memoria a "bolla" di semiconduttori.

Il team ha scoperto che una carica elettrica potrebbe essere immagazzinata su un minuscolo condensatore MOS, che potrebbe essere collegato in modo tale che la carica potesse essere trasferita da un condensatore all'altro. Questa scoperta ha portato all'invenzione dei dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD), originariamente progettati per servire le applicazioni di memoria, ma che ora sono diventati componenti importanti di sistemi di imaging avanzati.

Un CCD (Charge Coupled Devices) è un rilevatore di fotoni altamente sensibile utilizzato per spostare le cariche dall'interno di un dispositivo a un'area in cui possono essere interpretate o elaborate come informazioni (ad es. Conversione in un valore digitale).

Nell'articolo di oggi, esamineremo come funzionano i CCD, le applicazioni in cui sono distribuiti e i loro vantaggi comparativi rispetto ad altre tecnologie.

Cos'è un dispositivo ad accoppiamento di carica?

In termini semplici, i dispositivi a controllo di carica possono essere definiti come circuiti integrati contenenti una serie di elementi di accumulo di carica collegati o accoppiati (contenitori capacitivi), progettati in modo tale che sotto il controllo di un circuito esterno, la carica elettrica immagazzinata in ciascun condensatore può essere spostato su un condensatore vicino. I condensatori a semiconduttore di ossido di metallo (condensatori MOS) sono tipicamente utilizzati nei CCD e, applicando una tensione esterna alle piastre superiori della struttura MOS, le cariche (elettroni (e-) o buchi (h +)) possono essere immagazzinate nel risultante potenziale. Queste cariche possono quindi essere spostate da un condensatore a un altro mediante impulsi digitali applicati alle piastre superiori (porte) e possono essere trasferite riga per riga a un registro di uscita seriale.

Funzionamento del dispositivo ad accoppiamento di carica

Ci sono tre fasi coinvolte nel funzionamento di un CCD e poiché l'applicazione più popolare negli ultimi tempi è l'imaging, è meglio spiegare queste fasi in relazione all'imaging. Le tre fasi includono;

1. Induzione di carica / raccolta
2. Charge Clocking out
3. Misurazione della carica

Induzione di carica / raccolta / stoccaggio:

Come accennato in precedenza, i CCD sono costituiti da elementi di immagazzinamento della carica e il tipo di elemento di immagazzinamento e il metodo di induzione / deposizione della carica dipendono dall'applicazione. In Imaging, il CCD è costituito da un gran numero di materiali fotosensibili suddivisi in piccole aree (pixel) e vengono utilizzati per costruire un'immagine della scena di interesse. Quando la luce proiettata sulla scena viene riflessa sul CCD, un fotone di luce che rientra nell'area definita da uno dei pixel verrà convertito in uno (o più) elettroni, il cui numero è direttamente proporzionale all'intensità del scena in ogni pixel, in modo tale che quando il CCD è sincronizzato, viene misurato il numero di elettroni in ciascun pixel e la scena può essere ricostruita.

La figura seguente mostra una sezione trasversale molto semplificata attraverso un CCD.

Dall'immagine sopra, si può vedere che i pixel sono definiti dalla posizione degli elettrodi sopra il CCD. Tale che se una tensione positiva viene applicata all'elettrodo, il potenziale positivo attirerà tutti gli elettroni caricati negativamente vicino all'area sotto l'elettrodo. Inoltre, eventuali buchi caricati positivamente verranno respinti dall'area attorno all'elettrodo e questo porterà allo sviluppo di un "pozzo potenziale" dove verranno immagazzinati tutti gli elettroni prodotti dai fotoni in arrivo.

Man mano che più luce cade sul CCD, il "pozzo potenziale" diventa più forte e attrae più elettroni fino a raggiungere la "piena capacità del pozzo" (il numero di elettroni che può essere immagazzinato sotto un pixel). Per garantire che venga catturata un'immagine corretta, un otturatore, ad esempio, viene utilizzato nelle fotocamere per controllare l'illuminazione in modo tempestivo in modo che il potenziale pozzo sia riempito ma la sua capacità non venga superata in quanto potrebbe essere controproducente.

Charge Clocking Out:

La topologia MOS utilizzata nella fabbricazione del CCD limita la quantità di condizionamento ed elaborazione del segnale che può essere eseguita su chip. Pertanto, le cariche di solito devono essere trasmesse a un circuito di condizionamento esterno dove viene eseguita l'elaborazione.

Ogni pixel in una riga di un CCD è generalmente dotato di 3 elettrodi come illustrato nell'immagine riportata di seguito:

Uno degli elettrodi viene utilizzato nella creazione del pozzo potenziale per l'accumulo di carica, mentre gli altri due vengono utilizzati per l'esaurimento delle cariche.

Supponiamo che una carica venga raccolta sotto uno degli elettrodi come illustrato nell'immagine seguente:

Per sincronizzare la carica dal CCD, viene indotto un nuovo pozzetto potenziale tenendo alto IØ3, che forza la condivisione della carica tra IØ2 e IØ3 come illustrato nell'immagine sottostante.

Successivamente, IØ2 viene abbassato e questo porta a un trasferimento completo della carica all'elettrodo IØ3.

Il processo di sincronizzazione continua portando IØ1 alto, che garantisce che la carica sia condivisa tra IØ1 e IØ3, e infine portando IØ3 basso in modo che la carica venga spostata completamente sotto gli elettrodi IØ1.

A seconda della disposizione / orientamento degli elettrodi nel CCD, questo processo continuerà e la carica si sposterà lungo la colonna o lungo la riga fino a raggiungere la riga finale, di solito indicata come registro di lettura.

Misurazione della carica:

Alla fine del registro di lettura, un circuito amplificatore collegato viene utilizzato per misurare il valore di ciascuna carica e lo converte in una tensione con un fattore di conversione tipico di circa 5-10µV per elettrone. Nelle applicazioni di imaging, una telecamera basata su CCD verrà fornita con il chip CCD insieme ad altri componenti elettronici associati, ma soprattutto l'amplificatore, che convertendo la carica in tensione aiuta a digitalizzare i pixel in una forma che può essere elaborata dal software, per ottenere l'immagine catturata.

Proprietà del CCD

Alcune delle proprietà utilizzate per descrivere le prestazioni / qualità / grado dei CCD sono:

1. Efficienza quantistica:

L'efficienza quantistica si riferisce all'efficienza con cui un CCD acquisisce / immagazzina una carica.

In Imaging, non tutti i fotoni che cadono sui piani dei pixel vengono rilevati e convertiti in una carica elettrica. La percentuale di foto rilevate e convertite con successo è nota come Quantum Efficiency. I migliori CCD possono raggiungere un QE di circa l'80%. Per il contesto, l'efficienza quantistica dell'occhio umano è di circa il 20%.

2. Gamma di lunghezze d'onda:

I CCD hanno tipicamente un ampio intervallo di lunghezze d'onda, da circa 400 nm (blu) a circa 1050 nm (infrarossi) con una sensibilità di picco a circa 700 nm. Tuttavia, processi come l'assottigliamento del retro possono essere utilizzati per estendere la gamma di lunghezze d'onda di un CCD.

3. Gamma dinamica:

La gamma dinamica di un CCD si riferisce al numero minimo e massimo di elettroni che possono essere immagazzinati nel pozzetto del potenziale. Nei tipici CCD, il numero massimo di elettroni è solitamente di circa 150.000, mentre il minimo può effettivamente essere inferiore a un elettrone nella maggior parte delle impostazioni. Il concetto di gamma dinamica può essere spiegato meglio in termini di imaging. Come accennato in precedenza, quando la luce cade su un CCD, i fotoni vengono convertiti in elettroni e vengono risucchiati nel pozzo del potenziale che a un certo punto diventa saturo. La quantità di elettroni risultante dalla conversione dei fotoni dipende tipicamente dall'intensità delle sorgenti, in quanto tale, la gamma dinamica viene utilizzata anche per descrivere la gamma tra la sorgente più luminosa e la più debole possibile che può essere ripresa da un CCD.

4. Linearità:

Una considerazione importante nella selezione del CCD è solitamente la sua capacità di rispondere linearmente su un'ampia gamma di ingressi. Nell'imaging, ad esempio, se un CCD rileva 100 fotoni e converte gli stessi in 100 elettroni (ad esempio, supponendo che il QE sia 100%), allora per motivi di linearità, si prevede che generi 10000 elettroni se rileva 10000 fotoni. Il valore della linearità nei CCD sta nella ridotta complessità delle tecniche di elaborazione utilizzate nella pesatura e nell'amplificazione dei segnali. Se il CCD è lineare, è necessaria una quantità minore di condizionamento del segnale.

5. Potenza:

A seconda dell'applicazione, l'alimentazione è una considerazione importante per qualsiasi dispositivo e l'utilizzo di un componente a bassa potenza è solitamente una decisione intelligente. Questa è una delle cose che i CCD portano alle applicazioni. Sebbene i circuiti che li circondano possano consumare una quantità significativa di energia, i CCD stessi sono a bassa potenza, con valori di consumo tipici di circa 50 mW.

6. Rumore:

I CCD come tutti i dispositivi analogici sono sensibili al rumore, in quanto tali, una delle proprietà principali per la valutazione delle loro prestazioni e capacità è il modo in cui gestiscono il rumore. L'ultimo elemento di rumore sperimentato in CCD è il rumore di lettura. È un prodotto degli elettroni nel processo di conversione della tensione ed è un fattore che contribuisce alla stima della gamma dinamica del CCD.

Applicazioni dei CCD

I dispositivi ad accoppiamento di carica trovano applicazioni in diversi campi, tra cui;

1. Scienze della vita:

I rilevatori e le telecamere basati su CCD vengono utilizzati in diverse applicazioni e sistemi di imaging nelle scienze della vita e in campo medico. Le applicazioni in quest'area sono troppo vaste per citarle tutte, ma alcuni esempi specifici includono la capacità di acquisire immagini di cellule con miglioramenti di contrasto applicati, la capacità di raccogliere campioni di immagini che sono stati drogati con fluorofori (che causano la fluorescenza del campione) e l'uso in sistemi avanzati di tomografia a raggi X per visualizzare strutture ossee e campioni di tessuto molle.

2. Microscopia ottica:

Sebbene le applicazioni nell'ambito delle scienze della vita includano l'uso nei microscopi, è importante notare che le applicazioni della microscopia non sono limitate al campo delle scienze della vita. Microscopi ottici di diversi tipi vengono utilizzati in altri campi convincenti come; ingegneria delle nanotecnologie, scienze alimentari e chimica.

Nella maggior parte delle applicazioni di microscopia, i CCD vengono utilizzati a causa del basso rapporto di rumore, alta sensibilità, alta risoluzione spaziale e rapida imaging del campione, che è importante per analizzare le reazioni che si verificano a livelli microscopici.

3. Astronomia:

Con la microscopia, i CCD vengono utilizzati per visualizzare piccoli elementi, ma in astronomia vengono utilizzati per mettere a fuoco le immagini di oggetti grandi e lontani. L'astronomia è una delle prime applicazioni dei CCD e oggetti che vanno da stelle, pianeti, meteore, ecc. Sono stati tutti ripresi con sistemi basati su CCD.

4. Fotocamere commerciali:

I sensori di immagine CCD a basso costo vengono utilizzati nelle telecamere commerciali. I CCD sono generalmente di qualità e prestazioni inferiori rispetto a quelli utilizzati in astronomia e scienze della vita a causa dei requisiti di basso costo per le telecamere commerciali.