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Los años 60 y 70 fueron años llenos de brillantes descubrimientos, invenciones y avances en tecnología, especialmente tecnologías de memoria. Uno de los descubrimientos clave en ese momento fue realizado por Willard Boyle y George Smith, mientras exploraban la aplicación de la tecnología de semiconductores de óxido de metal (MOS) para el desarrollo de una memoria de “burbuja” de semiconductores.

El equipo descubrió que se podía almacenar una carga eléctrica en un minúsculo condensador MOS, que se podía conectar de tal forma que la carga se pudiera pasar de un condensador a otro. Este descubrimiento condujo a la invención de dispositivos de carga acoplada (CCD), que fueron originalmente diseñados para servir aplicaciones de memoria, pero ahora se han convertido en componentes importantes de los sistemas de imágenes avanzados.

Un CCD (dispositivos de carga acoplada) es un detector de fotones altamente sensible que se utiliza para mover cargas desde el interior de un dispositivo a un área donde se puede interpretar o procesar como información (por ejemplo, conversión en un valor digital).

En el artículo de hoy, examinaremos cómo funcionan los CCD, las aplicaciones en las que se implementan y sus ventajas comparativas con otras tecnologías.

¿Qué es un dispositivo de carga acoplada?

En términos simples, los dispositivos controlados de carga se pueden definir como circuitos integrados que contienen una matriz de elementos de almacenamiento de carga (contenedores capacitivos) vinculados o acoplados, diseñados de tal manera que, bajo el control de un circuito externo, la carga eléctrica almacenada en cada capacitor se puede mover a un condensador vecino. Los condensadores semiconductores de óxido metálico (condensadores MOS) se utilizan normalmente en los CCD y, al aplicar un voltaje externo a las placas superiores de la estructura MOS, se pueden almacenar cargas (electrones (e-) u orificios (h +)) en el potencial. Estas cargas se pueden cambiar de un condensador a otro mediante pulsos digitales aplicados a las placas superiores (puertas) y se pueden transferir fila por fila a un registro de salida en serie.

Funcionamiento del dispositivo de carga acoplada

Hay tres etapas involucradas en el funcionamiento de un CCD y dado que la aplicación más popular en los últimos tiempos es la obtención de imágenes, lo mejor es explicar estas etapas en relación con la imagen. Las tres etapas incluyen;

1. Carga de inducción / recolección
2. Marcado de carga
3. Medida de carga

Carga de inducción / recolección / almacenamiento:

Como se mencionó anteriormente, los CCD se componen de elementos de almacenamiento de carga y el tipo de elemento de almacenamiento y el método de inducción / deposición de carga depende de la aplicación. En Imaging, el CCD está compuesto por una gran cantidad de materiales sensibles a la luz divididos en áreas pequeñas (píxeles) y se utilizan para construir una imagen de la escena de interés. Cuando la luz arrojada a la escena se refleja en el CCD, un fotón de luz que cae dentro del área definida por uno de los píxeles se convertirá en uno (o más) electrones, cuyo número es directamente proporcional a la intensidad del escena en cada píxel, de modo que cuando el CCD se sincroniza, se mide el número de electrones en cada píxel y se puede reconstruir la escena.

La siguiente figura muestra una sección transversal muy simplificada a través de un CCD.

En la imagen de arriba, se puede ver que los píxeles están definidos por la posición de los electrodos sobre el CCD. De tal manera que si se aplica un voltaje positivo al electrodo, el potencial positivo atraerá todos los electrones cargados negativamente cerca del área debajo del electrodo. Además, cualquier agujero cargado positivamente será rechazado del área alrededor del electrodo y esto conducirá al desarrollo de un "pozo de potencial" donde se almacenarán todos los electrones producidos por los fotones entrantes.

A medida que cae más luz sobre el CCD, el "pozo de potencial" se vuelve más fuerte y atrae más electrones hasta que se alcanza la "capacidad completa del pozo" (el número de electrones que se pueden almacenar en un píxel). Para garantizar que se capture una imagen adecuada, por ejemplo, se utiliza un obturador en las cámaras para controlar la iluminación de manera cronometrada, de modo que el pozo potencial se llene pero no se exceda su capacidad, ya que eso podría ser contraproducente.

Salida de carga:

La topología MOS utilizada en la fabricación de CCD limita la cantidad de acondicionamiento y procesamiento de señales que se pueden realizar en el chip. Por lo tanto, las cargas generalmente deben transferirse a un circuito de acondicionamiento externo donde se realiza el procesamiento.

Cada píxel de una fila de un CCD suele estar equipado con 3 electrodos, como se ilustra en la imagen que se muestra a continuación:

Uno de los electrodos se utiliza en la creación del pozo de potencial para el almacenamiento de carga, mientras que los otros dos se utilizan en el cronometraje de las cargas.

Digamos que se acumula una carga debajo de uno de los electrodos, como se ilustra en la siguiente imagen:

Para sacar la carga del CCD, se induce un nuevo pozo de potencial manteniendo IØ3 alto, lo que obliga a que la carga se comparta entre IØ2 e IØ3 como se ilustra en la imagen a continuación.

A continuación, IØ2 se reduce y esto conduce a una transferencia completa de la carga al electrodo IØ3.

El proceso de reloj de salida continúa tomando IØ1 alto, lo que asegura que la carga se comparta entre IØ1 e IØ3, y finalmente tomando IØ3 bajo para que la carga se cambie completamente debajo de los electrodos IØ1.

Dependiendo de la disposición / orientación de los electrodos en el CCD, este proceso continuará y la carga se moverá hacia abajo de la columna o a lo largo de la fila hasta llegar a la fila final, generalmente conocida como el registro de lectura.

Medida de carga:

Al final del registro de lectura, se usa un circuito amplificador conectado para medir el valor de cada carga y lo convierte en un voltaje con un factor de conversión típico de alrededor de 5-10 µV por electrón. En aplicaciones de imágenes, una cámara basada en CCD vendrá con el chip CCD junto con algunos otros componentes electrónicos asociados, pero lo más importante es el amplificador, que al convertir la carga en voltaje ayuda a digitalizar los píxeles a una forma que puede ser procesada por el software. para obtener la imagen capturada.

Propiedades de CCD

Algunas de las propiedades que se utilizan para describir el rendimiento / calidad / grado de los CCD son:

1. Eficiencia cuántica:

La eficiencia cuántica se refiere a la eficiencia con la que un CCD adquiere / almacena una carga.

En Imaging, no todos los fotones que caen en los planos de píxeles se detectan y se convierten en una carga eléctrica. El porcentaje de fotos que se detectan y convierten con éxito se conoce como eficiencia cuántica. Los mejores CCD pueden lograr una QE de alrededor del 80%. Por contexto, la eficiencia cuántica del ojo humano es de alrededor del 20%.

2. Rango de longitud de onda:

Los CCD suelen tener un amplio rango de longitudes de onda, desde aproximadamente 400 nm (azul) hasta aproximadamente 1050 nm (infrarrojos) con una sensibilidad máxima de aproximadamente 700 nm. Sin embargo, los procesos como el adelgazamiento posterior se pueden utilizar para ampliar el rango de longitud de onda de un CCD.

3. Rango dinámico:

El rango dinámico de un CCD se refiere al número mínimo y máximo de electrones que se pueden almacenar en el pozo de potencial. En los CCD típicos, el número máximo de electrones suele ser de alrededor de 150.000, mientras que el mínimo puede ser menos de un electrón en la mayoría de los entornos. El concepto de rango dinámico puede explicarse mejor en términos de imágenes. Como mencionamos anteriormente, cuando la luz incide sobre un CCD, los fotones se convierten en electrones y son succionados hacia el pozo de potencial que en algún momento se satura. La cantidad de electrones que resulta de la conversión de fotones depende típicamente de la intensidad de las fuentes, como tal, el rango dinámico también se usa para describir el rango entre la fuente más brillante y la más débil posible que puede ser captada por un CCD.

4. Linealidad:

Una consideración importante en la selección de CCD suele ser su capacidad para responder linealmente en una amplia gama de entradas. En la obtención de imágenes, por ejemplo, si un CCD detecta 100 fotones y convierte lo mismo en 100 electrones (por ejemplo, suponiendo que QE es 100%), entonces, en aras de la linealidad, se espera que genere 10000 electrones si detecta 10000 fotones. El valor de la linealidad en los CCD radica en la reducida complejidad de las técnicas de procesamiento utilizadas para pesar y amplificar las señales. Si el CCD es lineal, se requiere una menor cantidad de acondicionamiento de señal.

5. Poder:

Dependiendo de la aplicación, la energía es una consideración importante para cualquier dispositivo, y usar un componente de bajo consumo suele ser una decisión inteligente. Esta es una de las cosas que los CCD aportan a las aplicaciones. Si bien los circuitos que los rodean pueden consumir una cantidad significativa de energía, los CCD en sí mismos son de baja potencia, con valores de consumo típicos de alrededor de 50 mW.

6. Ruido:

Los CCD, como todos los dispositivos analógicos, son susceptibles al ruido, por lo que una de las principales propiedades para la evaluación de su rendimiento y capacidad es cómo tratan el ruido. El último elemento de ruido experimentado en CCD es el ruido de lectura. Es un producto de los electrones al proceso de conversión de voltaje y es un factor que contribuye a la estimación del rango dinámico del CCD.

Aplicaciones de los CCD

Los dispositivos de carga acoplada encuentran aplicaciones en diferentes campos, incluidos;

1. Ciencias de la vida:

Los detectores y cámaras basados ​​en CCD se utilizan en diversas aplicaciones y sistemas de imágenes en las ciencias de la vida y el campo médico. Las aplicaciones en esta área son demasiado amplias para mencionarlas todas, pero algunos ejemplos específicos incluyen la capacidad de tomar imágenes de células con mejoras de contraste aplicadas, la capacidad de recolectar muestras de imágenes que han sido dopadas con fluoróforos (que hacen que la muestra tenga fluorescencia).) y su uso en sistemas avanzados de tomografía de rayos X para obtener imágenes de estructuras óseas y muestras de tejidos blandos.

2. Microscopía óptica:

Si bien las aplicaciones en ciencias de la vida incluyen el uso en microscopios, es importante tener en cuenta que las aplicaciones de microscopía no se limitan al campo de las ciencias de la vida. Los microscopios ópticos de diversos tipos se utilizan en otros campos convincentes como; ingeniería en nanotecnología, ciencia de los alimentos y química.

En la mayoría de las aplicaciones de microscopía, los CCD se utilizan debido a la baja relación de ruido, la alta sensibilidad, la alta resolución espacial y la rápida obtención de imágenes de la muestra, lo que es importante para analizar las reacciones que ocurren a niveles microscópicos.

3. Astronomía:

Con la microscopía, los CCD se utilizan para obtener imágenes de elementos diminutos, pero en Astronomía, se utilizan para enfocar las imágenes de objetos grandes y lejanos. La astronomía es una de las primeras aplicaciones de los CCD y los objetos que van desde estrellas, planetas, meteoros, etc. han sido fotografiados con sistemas basados ​​en CCD.

4. Cámaras comerciales:

Los sensores de imagen CCD de bajo costo se utilizan en cámaras comerciales. Los CCD suelen ser de menor calidad y rendimiento en comparación con los utilizados en astronomía y ciencias de la vida debido a los requisitos de bajo costo de las cámaras comerciales.