Dispositivo de carga acoplada


Un dispositivo de carga acoplada ( CCD ) es un circuito integrado que contiene una matriz de condensadores enlazados o acoplados . Bajo el control de un circuito externo, cada capacitor puede transferir su carga eléctrica a un capacitor vecino. Los sensores CCD son una de las principales tecnologías que se utilizan en las imágenes digitales .

En un sensor de imagen CCD , los píxeles están representados por condensadores de semiconductores de óxido metálico (MOS) dopados con p . Estos condensadores MOS , los bloques de construcción básicos de un CCD, [1] están sesgados por encima del umbral de inversión cuando comienza la adquisición de imágenes, lo que permite la conversión de fotones entrantes.en cargas de electrones en la interfaz semiconductor-óxido; el CCD se utiliza para leer estos cargos. Aunque los CCD no son la única tecnología que permite la detección de luz, los sensores de imagen CCD se utilizan ampliamente en aplicaciones profesionales, médicas y científicas donde se requieren datos de imagen de alta calidad. En aplicaciones con menos exigentes demandas de calidad, tales como los consumidores y profesionales cámaras digitales , sensores de píxeles activos , también conocido como sensores CMOS (sensores MOS complementarios), se utilizan generalmente. Sin embargo, la gran ventaja de calidad que disfrutaban los CCD desde el principio se ha reducido con el tiempo y, desde finales de la década de 2010, los sensores CMOS son la tecnología dominante, y han reemplazado en gran medida, si no por completo, a los sensores de imagen CCD.

La base para el CCD es el de metal-óxido-semiconductor estructura (MOS), [2] con condensadores MOS de ser los bloques de construcción básicos de un CCD, [1] [3] y un empobrecido estructura MOS utilizado como el fotodetector en CCD temprano dispositivos. [2] [4]

A finales de la década de 1960, Willard Boyle y George E. Smith de Bell Labs estaban investigando la tecnología MOS mientras trabajaban en la memoria de burbujas de semiconductores . Se dieron cuenta de que una carga eléctrica era la analogía de la burbuja magnética y que podía almacenarse en un minúsculo condensador MOS. Como era bastante sencillo fabricar una serie de condensadores MOS en una fila, les conectaron un voltaje adecuado para que la carga pudiera pasar de uno a otro. [3] Esto llevó a la invención del dispositivo de carga acoplada por Boyle y Smith en 1969. Concibieron el diseño de lo que denominaron, en su portátil, "Dispositivos de carga de 'burbujas'". [5] [6]

El artículo inicial que describía el concepto en abril de 1970 enumeraba posibles usos como memoria , una línea de retardo y un dispositivo de imágenes. [7] El dispositivo también podría usarse como un registro de desplazamiento . La esencia del diseño fue la capacidad de transferir carga a lo largo de la superficie de un semiconductor de un condensador de almacenamiento al siguiente. El concepto era similar en principio al dispositivo de brigada de cubo (BBD), que fue desarrollado en Philips Research Labs a finales de la década de 1960.

El primer dispositivo experimental que demostró el principio fue una hilera de cuadrados metálicos estrechamente espaciados sobre una superficie de silicio oxidado a la que se accede eléctricamente mediante uniones de alambre. Fue demostrado por Gil Amelio , Michael Francis Tompsett y George Smith en abril de 1970. [8] Esta fue la primera aplicación experimental del CCD en tecnología de sensores de imagen , y utilizó una estructura MOS empobrecida como fotodetector. [2] La primera patente ( Patente de Estados Unidos 4.085.456 ) sobre la aplicación de CCD a la formación de imágenes se asignó a Tompsett, quien presentó la solicitud en 1971. [9]


Un CCD especialmente desarrollado en un paquete unido por cable utilizado para imágenes ultravioleta
George E. Smith y Willard Boyle , 2009.
Los paquetes de carga (electrones, azul) se recogen en pozos de potencial (amarillo) creados mediante la aplicación de voltaje positivo en los electrodos de puerta (G). La aplicación de voltaje positivo al electrodo de puerta en la secuencia correcta transfiere los paquetes de carga.
Sony ICX493AQA CCD APS-C (23,4 × 15,6 mm) de 10,14 megapíxeles de la cámara digital Sony α DSLR-A200 o DSLR-A300 , lado del sensor
CCD de una cámara digital Argus de 2,1 megapíxeles
Sensor de imagen CCD unidimensional de una máquina de fax
Un sensor CCD de transferencia de cuadros
Los electrones se transfieren en serie a través de las etapas de ganancia que forman el registro de multiplicación de un EMCCD . Los altos voltajes utilizados en estas transferencias en serie inducen la creación de portadores de carga adicionales a través de la ionización por impacto.
en un EMCCD hay una dispersión (variación) en el número de electrones emitidos por el registro de multiplicación para un número determinado (fijo) de electrones de entrada (que se muestra en la leyenda de la derecha). La distribución de probabilidad para el número de electrones de salida se traza logarítmicamente en el eje vertical para una simulación de un registro de multiplicación. También se muestran los resultados de la ecuación de ajuste empírico que se muestra en esta página.
Matriz de 30 CCD utilizados en la cámara de imágenes del telescopio Sloan Digital Sky Survey , un ejemplo de "exploración por deriva".
Un filtro Bayer en un CCD
Vista de microscopio x80 de un filtro RGGB Bayer en un sensor CCD de videocámara CCD PAL Sony de 240 líneas
Frotis vertical