O que são dispositivos de carga acoplada?

6 de outubro de 2009, Estocolmo, Foi um momento histórico para as câmeras digitais quando seus obturadores se abriram por uma fração de segundo para capturar o comitê, concedendo o cobiçado Prêmio Nobel àqueles que inventaram os olhos eletrônicos. Se não fosse a dupla Willard Boyle e George Smith, essas câmeras ainda poderiam estar iluminando um filme fotossensível e depois secando-o em trilhos na sala escura. Ao inventar o Dispositivo acoplado de carga e prevendo suas aplicações em 1969, Boyle e Smith abriram o domínio dos dispositivos de estado sólido para aplicações de imagem e memória.
Uma imagem de um dispositivo com carga acoplada
Figura 1: Uma imagem do dispositivo de carga acoplada

Embora Boyle e Smith tenham inventado o método para converter luz em sinal elétrico, toda a pesquisa não teria sido possível se não fosse a explicação inovadora de Albert Einstein sobre o efeito fotoelétrico. Einstein explicou como os materiais poderiam absorver a radiação incidente e a eventual eliminação dos elétrons da superfície. Boyle e Smith estudaram como essa incidência de luz causava distúrbios nos elétrons e como ela poderia ser utilizada. Eles conseguiram fazer isso agrupando vários capacitores em uma matriz, algo que constitui os pixels de uma imagem digital.
Inicialmente nomeado como Carregar dispositivos de bolha, foi registrada a operação do dispositivo como registrador de deslocamento e dispositivo de imagem linear. Foi baseado em um princípio semelhante aos dispositivos Bucket-Brigade, onde a carga é transferida de um capacitor para outro ao longo da superfície semicondutora. Os laboratórios Bell conseguiram construir a primeira câmera de vídeo de estado sólido em 1970. Em 1971, Michael F. Tompsett e outros pesquisadores do Bell Labs conseguiram capturar imagens com imagens lineares. Matrizes CCD. Depois disso, muitas empresas de semicondutores como Texas Instruments, Fairchild Semiconductors, Sony etc. Tecnologias CCD. Um dos primeiros dispositivos CCD comerciais foi construído pela Fairchild em 1974, que era um dispositivo de 100x 100 pixels com cerca de 500 CCDs. O primeiro satélite de reconhecimento baseado em CCD KH-11 KENNAN foi lançado em 1976. Em 1983, os CCDs começaram a substituir placas fotográficas também em telescópios astronômicos. Empresas como a Kodak fabricavam câmeras profissionais baseadas em CCD desde 1985, mas em 1995, câmeras CCD econômicas e de alta resolução começaram a inundar os mercados.
A CCD pode ser pensado como um subconjunto de dispositivos de transferência de carga. Eles são baseados em capacitores Metal Oxide Semiconductor (MOS). Dois tipos, capacitores MOS de canal de superfície e canal enterrado, foram usados ​​​​no CCD, mas principalmente capacitores de canal enterrado foram usados ​​​​para fabricação, uma vez que não apresentam problemas causados ​​​​por irregularidades de superfície na interface óxido-semicondutor. Um fino canal enterrado do tipo n é formado em um substrato do tipo p através da implantação iônica. A camada isolante de dióxido de silício é cultivada no topo da região n e, para completar o capacitor, portas de metal ou silício policristalino fortemente dopado são colocadas no topo do SiO isolante.2 usando processo CVD. Para isolar os pacotes de carga de uma coluna da outra, 'paradas de canal' de óxido termicamente crescido são colocadas paralelamente aos canais.
Imagem gráfica do capacitor MOS de canal enterrado
Figura 2: Imagem gráfica do capacitor MOS de canal enterrado

Mas se uma célula CCD transmitisse cargas, seria apenas qualquer outro capacitor MOS. A propriedade adicional de ser sensível à luz torna o CCD único. A resposta aos fótons ocorre através das camadas epitaxiais de silício dopado que crescem no substrato. Quando os fótons incidem na superfície do semicondutor, eles desalojam os elétrons que criam uma carga que é proporcional à luz que incide na superfície. Uma única célula CCD executa quatro funções:
1. Receba carga da célula acima dela na matriz.
2. Mantenha essa carga por algum tempo sem muitas perdas.
3. Passe essa carga para a célula abaixo dela na matriz.
4. Responda a estímulos externos como a luz e gere sua própria carga.

Elementos e Cont. de Trabalho.

Aí reside o principal desafio: ler essas acusações. Muitos esquemas denominados binning, bifásico, trifásico, quadrifásico, etc., correspondentes ao tipo de clock usado, foram usados ​​para transferir os pacotes de carga de célula para célula no estilo bucket brigade, protegendo a integridade de cada pacote. Considerando um esquema trifásico, haveria 3 fios de controle passando por cada célula, sendo cada fio conectado a uma fase do relógio. Esses fios controlam a altura dos poços potenciais que empurram e puxam os pacotes de carga ao longo da linha. Para um esquema trifásico, cada pixel contém um armazenamento e duas portas de barreira. Cada porta de armazenamento é conectada à mesma fase e sequencialmente, cada porta de barreira é conectada aos seus respectivos relógios de fase. Um pacote de carga se move de uma região para a próxima região quando a segunda porta vai para um potencial mais alto e a primeira porta vai para baixo. Este movimento sequencial de cargas pode ser demonstrado como na figura abaixo.
Figura gráfica do movimento sequencial de cargas no CCD
Figura 3: Figura Gráfica do Movimento Sequencial de Cargas no CCD

Foram feitas tentativas de usar dispositivos CCD como dispositivos de memória. Mas logo depois, outras técnicas assumiram o controle e depois disso os dispositivos CCD foram usados ​​principalmente em digitalização, microscopia e fotografia. A matriz unidimensional tem sido utilizada em scanners de mesa onde uma linha é digitalizada por vez e as cargas são lidas depois disso. A matriz é movida mecanicamente por toda a página para criar as imagens digitalizadas bidimensionais. Matrizes bidimensionais foram usadas para capturar a cena inteira de uma só vez e depois transferir as cargas para a saída.
Uma imagem de matriz unidimensional
Fig. 4: Uma imagem de matriz unidimensional

Arquitetura

Para realizar a leitura do conjunto CCD, foram utilizadas três arquiteturas:

Diagrama mostrando a arquitetura CCD Full Frame
Figura 5: Diagrama mostrando a arquitetura CCD Full Frame

1. Leitura completa do quadro: Todo o conjunto CCD atua como uma área ativa. Este tipo de dispositivo usa um mecanismo de obturador mecânico para impedir que a luz atinja o elemento, evitando manchas quando as cargas são passadas pelos CCDs verticais em paralelo e posteriormente movidas em série usando os CCDs horizontais. Este processo é bastante demorado.
Diagrama mostrando a arquitetura CCD de transferência de quadros
Figura 6: Imagem gráfica representando/diagrama mostrando a arquitetura CCD de transferência de quadros

Arquitetura Cont.

2. Transferência de quadros: Metade da área contígua da matriz é usada para exposição e a metade restante é opaca. As cargas são transferidas da área ativa para a área opaca em muito menos tempo e depois são lidas a partir daí. Este processo é mais rápido do que a leitura do quadro completo, pois durante o tempo em que as cargas estão sendo lidas na área opaca, a área ativa pode ser usada para capturar uma nova imagem. Ele também tem a vantagem de reduzir manchas e contaminação luminosa durante a transferência de carga. No entanto, isto tem a desvantagem de utilizar o dobro da área de silício.
Diagrama mostrando a arquitetura CCD de transferência entre linhas
Figura 7: Imagem gráfica representando/diagrama mostrando a arquitetura CCD de transferência entre linhas

3. Transferência Interline: Neste tipo de arquitetura, cada pixel possui uma área ativa e uma área opaca adjacente a ele. A carga é rapidamente transferida do fotodiodo sensível à luz para a unidade CCD vertical adjacente. Isto utiliza apenas um ciclo de transferência para ocultar a imagem inteira, permitindo assim velocidades de obturação muito altas e manchas mínimas. Isto também tem a desvantagem de aumentar o estado do silício, mas os avanços modernos tentaram aumentar a eficiência quântica da matriz usando microlentes que redirecionam a luz para longe das regiões opacas. O uso de microlentes aumentou o fator de preenchimento para cerca de 90% das demais arquiteturas sem comprometer a velocidade.

Trabalhando

Os principais parâmetros de desempenho de um dispositivo CCD são velocidade, sensibilidade, resolução e custo. Contudo, a escolha da arquitetura depende da aplicação dos dispositivos. Embora a astronomia exija que o máximo de luz seja capturado, o preço raramente é uma restrição, são utilizados dispositivos CCD de arquitetura de leitura de quadro completo. Mas no caso das câmeras fotográficas automáticas, onde a velocidade do obturador e o custo são mais importantes, a arquitetura interline é a mais popular.
As matrizes CCD são sensíveis apenas à intensidade e não à cor. Assim, para obter uma imagem colorida, são utilizados filtros. Imagens coloridas podem ser obtidas usando o Padrão Bayer ou 3CCD e um prisma divisor de feixe dicróico.
Imagem representativa do padrão Bayer
Figura 8: Imagem representativa do padrão Bayer

Padrão Bayer é uma grade de cores especial que é colocada sobre a matriz de imagens. Sendo os olhos humanos mais sensíveis à cor verde, duas em cada quatro grades possuem um filtro verde. Os demais possuem azul e vermelho, compondo o padrão de cores RGB. Um processador de sinal digital interpola as duas cores ausentes dos valores dos pixels vizinhos. O padrão Bayer embora simples e barato, joga fora informações comprometendo a resolução da imagem. Além disso, quando usado em locais com mudanças abruptas na intensidade da luz, o padrão Bayer cria artefatos. Algumas câmeras também podem usar padrões de cores diferentes para geração de cores. A resolução pode ser melhorada em aplicações específicas pela tecnologia Microscanning.
Um prisma divisor de feixe dicróico divide a imagem em componentes vermelho, verde e azul que podem então ser incidentes separadamente em dispositivos de três CCD. Isto oferece maior eficiência quântica em relação à máscara Bayer, pois a maior parte da luz é capturada pelos sensores e não absorvida pelas camadas intermediárias da máscara. Esses dispositivos têm sido usados ​​em filmadoras de vídeo profissionais.
Um dispositivo CCD, apesar de todos os bons recursos que tem a oferecer, também tem algumas desvantagens. O acoplamento das cargas ao longo de uma fileira de muitos pixels resulta na perda de uma quantidade considerável de carga, resultando em desvanecimento. O controle inadequado do obturador ou condições de brilho excessivo que levam a muitos fótons atingindo o elemento CCD resultam no vazamento de carga para o pixel vizinho, o que causa o florescimento.
Figura 9: Imagem gráfica representando o funcionamento/diagrama mostrando o funcionamento do prisma divisor de feixe dicróico

Além disso, se os fótons atingirem os sensores enquanto a carga estiver sendo transferida devido a um clock inadequado, poderá ocorrer perda de dados na forma de manchas. A sensibilidade de um dispositivo CCD é frequentemente uma função da temperatura de operação. À medida que a temperatura aumenta, a corrente escura de fuga também aumenta, reduzindo assim a sensibilidade. O ruído é inerente a todos os equipamentos eletrônicos e no caso de dispositivos baseados em CCD, a degradação da SNR pode ocorrer devido ao ruído de fótons, ruído escuro ou ruído de leitura ou a combinação deles. No entanto, o trabalho intensivo de investigação neste campo produziu resultados positivos e o desenvolvimento de muitas variantes melhoradas. Dispositivos como CCD de multiplicação de elétrons (EMCCDs), que incorporam ganho de multiplicação no chip, ajudaram a obter sensibilidades de detecção de fóton único sem comprometer a resolução ou a eficiência da estrutura do CCD, ao mesmo tempo que reduzem custos. Essas características são típicas dos caros CCDs bombardeados por elétrons, que utilizam um intensificador de imagem com um dispositivo CCD.

CCD x CMOS

Tem havido uma competição direta entre as tecnologias de imagem CCD e CMOS. Imagens CCD e CMOS foram inventados na mesma época em poucos anos. No entanto, os CCDs tornaram-se dominantes devido aos resultados superiores da tecnologia de fabricação então disponível. As tecnologias CMOS focavam na uniformidade e em tamanhos de recursos menores, o que não aconteceu até a década de 1990, quando a litografia avançou o suficiente para suportar tamanhos de recursos pequenos. Foi depois disso que os geradores de imagens CMOS retornaram e, desde então, ambas as tecnologias lutaram pelo domínio do mercado. Embora os sensores CCD sejam conhecidos por oferecerem as melhores qualidades de imagem, os geradores de imagens CMOS oferecem mais funções no chip e recursos atraentes, como menor consumo de energia, tornando-os mais populares em câmeras de telefones celulares, etc. decisão será tomada dependendo dos requisitos da aplicação.
Fator
CCD
CMOS
Responsividade
Moderado
Mais alto
Faixa Dinâmica
Alto
Moderado
Uniformidade
Alto
Baixo
Velocidade
Moderado
Mais alto
Antifloração
Alto
Alto
Sinal fora do pixel/chip
Pacote de elétrons/tensão
Tensão/Bits
Complexidade do sistema/sensor
Alto/Baixo
Baixo alto
Barulho
Baixo
Alto
Os mercados têm visto um rápido declínio na participação dos CCDs devido à crescente popularidade dos sensores CMOS em telefones celulares e câmeras automáticas e até mesmo empresas fortes da indústria como Canon e Sony, que usavam produtos CCD principalmente, agora estão migrando para geradores de imagens CMOS. Espera-se que mais de 95% do mercado de câmeras mude para sensores CMOS até 2014. Mas ainda permanece e continuará a ser um segmento predominante que continuará a apostar em sensores CCD, na investigação científica e na comunidade de astrónomos, a maior exemplo sendo o Telescópio Espacial Hubble. Portanto, embora a luz dos CCDs possa estar desaparecendo da Terra, ainda precisaríamos de um CCD para ver o que está lá fora.

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