CCD , charge-coupled device ( eng. CCD, charge-coupled device ) är en allmän beteckning för en klass av halvledarenheter som använder tekniken för kontrollerad laddningsöverföring i en halvledares volym.
Den mest framträdande representanten för enheter i denna klass är CCD-matrisen .
Namnet CCD står för charge-coupled device och återspeglar hur den elektriska potentialen läses genom att skifta laddningen från element till element.
En CCD-enhet består av polykisel separerat från ett kiselsubstrat, där elektriska potentialer nära elektroderna ändras när spänning appliceras genom polykiselportar . Ett element i CCD-matrisen bildas av tre eller fyra elektroder. En positiv spänning på en av elektroderna skapar en potentiell brunn, där elektroner rusar från den angränsande zonen. Sekventiell omkoppling av spänningen på elektroderna flyttar potentialbrunnen, och följaktligen elektronerna i den, i en viss riktning. Så det finns en rörelse längs en rad i matrisen.
Om vi talar om en CCD-linje, "flyter" laddningen i sin enda linje till utgångsförstärkningsstegen och där omvandlas den till en spänningsnivå vid mikrokretsens utgång.
För en matris som består av många videolinjer hamnar laddningen från utgångselementen för varje linje i cellen hos en annan skiftanordning, vanligtvis anordnad på exakt samma sätt, men som arbetar med en högre skiftfrekvens.
För att använda en CCD som en ljuskänslig enhet görs några av elektroderna genomskinliga. [ett]
Den laddningskopplade enheten uppfanns 1969 av Willard Boyle och George Smith vid AT&T Bell Labs . Laboratorier arbetade med videotelefoni (bildtelefon) och utvecklingen av "halvledarbubbleminne" ( ledarbubbleminne ) . Genom att kombinera de två utvecklade Boyle och Smith vad de kallade "laddningsbubblor". Meningen med projektet var att flytta laddningen längs halvledarens yta. Eftersom laddningskopplade enheter började sitt liv som minnesenheter kunde man bara placera en laddning i enhetens ingångsregister. Men det blev tydligt att enheten kan ta emot en laddning på grund av den fotoelektriska effekten , det vill säga bilder kan skapas med hjälp av elektroner.
År 1970 lärde sig Bell Labs forskare hur man tar bilder med hjälp av CCD-linjer (där ljusmottagande element finns i en eller flera linjer). Således skapades en laddningskopplad solcellsapparat för första gången. [2]
Därefter, under ledning av Kazuo Iwama , blev Sony aktivt involverad i CCD, investerade tungt i detta, och kunde massproducera CCD för sina videokameror . Iwama dog i augusti 1982 . Ett CCD-chip placerades på hans gravsten för att fira hans bidrag. [3]
Sedan 1975 har det aktiva införandet av TV- CCD-matriser börjat . Och 1989 användes de i nästan 97 % av alla TV-kameror .
I januari 2006 tilldelades W. Boyle och J. Smith Draper-priset från US National Academy of Engineering för deras arbete med CCD . I oktober 2009 "fick" var och en en fjärdedel av Nobelpriset i fysik .
Blooming (eller blooming) ( engelska blooming - halo, blurring of the image) i en CCD är effekten av att "sprida" överskottsladdning från överexponerade områden av CCD-matrisen till närliggande celler. Den främsta orsaken till förekomsten är den begränsade kapaciteten hos den potentiella brunnen för fotoelektroner i cellen. Blommande har en karakteristisk symmetrisk form, bestäms av geometrin för arrangemanget av element på matrisen. Sedan omkring 2006 förekommer inte längre blomning i de flesta amatörapparater, eftersom de började använda speciella anti-blomningskretsar som tar bort överflödiga elektroner från cellerna. Emellertid leder avlägsnandet av elektroner när potentialbrunnen fylls till en olinjäritet hos CCD-karaktäristiken och gör mätningar svåra. Därför används fortfarande CCD:er utan antiblomningskretsar för vetenskapliga ändamål, och blomning kan ofta ses till exempel på satellitfotografier och bilder av interplanetära sonder.