Bevezetés

Lehet, hogy már el is késett ez a sorozat? Hogy miért? A Photonics Spectra c. magazin (mely különféle, optikához kapcsolódó szakterületekről közöl cikkeket) februári számában két cikk is foglalkozik az immár "hagyományos" CCD-knél megszokottól eltérő technikai megoldásokat alkalmazó kamerákkal. Ezek már tisztán CMOS technikával készülnek, s így elérhető az, hogy egyetlen chip tartalamzza az érzékelőt, az analóg-digitál konvertert, a jelerősítőt, a kamera vezérlő funkcióit ellátó elektronikai egységeket. S nem csak a kis méret jelent előnyt, hisz több más kedvező tulajdonsággal is rendelkeznek ezek az eszközök. Például a dinamikai tartományuk 200-szor akkora, mint egy átlagos CCD-nek. Ezekkel a kamerákkal igen nagy fényességkülönbségek jeleníthetők meg intenzitáshelyesen, s pl. egy heggesztési eljárás, vagy egy lézeres interferenciakép esetében a fényes részek "beégés" nélkül tanulmányozhatók a halványabb struktúrákkal együtt. Az alábbi két képen egy lézeres interferenciakép látható egy CCD-vel, s alatta egy HDRC-vel (High Dinamic Range C-MOS, széles dinamikai tartományú C-MOS tecnikával készült érzékelő) készült képen.

Az alapelv azonban megegyezik mindkét eszköznél, amit még 1970 táján fejlesztettek ki a Bell Laboratóriumokban. A kutatás eredményeként olyan eszközöket készítettek, melyek ún. MOS (Metal Oxide Semi-conductor, Fém-Oxid Félvezető) alapú kondenzátorokat használtak föl analóg jelek, különböző nagyságú töltéscsomagok tárolására. Ezekből a kis tárolókból többezer darabot tudtak elhelyezni egy parányi félvezető-lapocskán, s ezeket egy kiolvasó áramkörrel összekötve memóriaegységeket, optikai érzékelőket alkottak. Utóbbiak működési elvével, felépítésével, különböző tulajdonságaival (a hagyományos fotóanyagokéval összehasonlítva), s a képek utólagos számítógépes feldolgozásának lehetőségeivel ismerkedhet meg az Olvasó a CCD rovat elkövetkezendő részeiben.

A MOS tárolóegység

Egy ilyen kis tároló három alapvető részből áll: szennyezett félvezető alapréteg, szigetelő zóna (általában szilícium-dioxid), elektróda (1. ábra).

A szilícium alapréteg vezetési tulajdonságát a tiszta Si kristály szennyezésével lehet befolyásolni. A szilícium négy vegyértékelektronnal rendelkezik, melyek a kristályrácsba épülve kötéseket létesítenek a szomszédos atomok szabad elektronjaival. Így minden atom 4 másikkal kapcsolódik össze, s a kötést 2-2 elektronból álló párok alkotják. Ha a kristály kialakitásakor három vegyértékelektronnal rendelkező atomokat (pl. gallium ?? ???) juttatunk a szilíciumok közé, akkor ezek kapcsolódásakor csak három teljesértékű kötés alakul ki. A szabadon maradt elektron mellett egy, a környezethez képest "pozitív töltésű lyuk" jelenik meg. Ekkor beszélünk P-típusúan, pozitívan szennyezett kristályról. Ha nem három, hanem öt külső elektronnal rendelkező atomokkal szennyezük a kristályt (pl. arzén), akkor kialakul mind a négy teljes értékű kötés, de marad egy szabad, "fölösleges" elektron. Ekkor N-típusú, negatív szennyezésről beszélünk. A szennyezésre azért van szükség, hogy a kristályrácson belül elektromos vezetés jöhessen léter. Egy P-típusú félvezetőben egy elektron áramlása (megfelelő mozgató erő, pl. elektromos mező hatására) valahogy úgy képzelhető el, hogy "helyet cserélget" a pozitív lyukakkal.

Ha egy P-típusú egységet veszünk, s az elektródára pozitív feszültséget kapcsolunk, akkor a félvezető rétegben a Si-SiO2 határréteg közeléből eltávolodnak a pozitív lyukak az elektródára kapcsolt pozitív feszültség taszítása miatt. Ezt a kb. 3-6 m m vastagságú zónát nevezzük pozitív lyuk kiürülési régiónak (2. ábra).

A kristály kovalens kötésben lévő elektronjai ugyanis szabaddá válhatnak az egymással való ütközéseik közben szerzett plusz energiával. (Ez természetesen nagyobb hőmérsékleten valószínűbb, hisz akkor több ütközés zajlik le.) Ilyenkor elektron-lyuk párok keletkeznek, amelyek szétválasztódnak az elektromos mező hatására, s az elektronok fölgyülemlenek közvetlen az elktróda "alatt", az un. inverziós rétegben. Ez előbb-utóbb egy egyensúlyi állapotot eredményez. Az ezt kialakító effektust sötétáramnak nevezünk, mely néhány másodperc vagy néhányszor tíz másodperc alatt zajlik le. A kiegyenlítődési idő erősen függ a hőmérséklettől, és a félvezető anyagi minőségétől.

A fényérzékelésre használt eszköz azonban csak az "egyensúlytalan" állapotban képes ellátni feladatát, amikor is a beérkező fotonok hatására szakadnak fel a kötések a kristályban. A fotoeffektus hatására a beérkezett fény mennyiségével arányos nagyságú töltés halmozódik fel az inverziós rétegben. Az összegyűlt töltés nagyságát megmérve következtethetünk a beérkezett fény mennyiségére. Azonban a mérés csak akkor lesz pontos, ha a megvilágítás ideje alatt (ez az ún. integrációs idő, ami a hagyományos expozíció megfelelője) a töltéscsomaghoz hozzáadódó sötétáram-elektronok száma elhanyagolható. Ezért szükséges a kiegyenlítődési idő elnyújtása, azaz a sötétáram csökkentése, melynek legjobb módja a hűtés.

Az integráció alatt összegyűlt töltés megméréséhez az elektronokat el kell juttatni egy megfelelő kiolvasó-egységhez. Ha azonban az elektródára kapcsolt feszültséget megszüntetjük, akkor az elktronok rekombinálódnak a pozitív lyukakkal. Ezt a problémát oldja meg a töltéscsatolás.

Töltéscsatolás és kiolvasás

A CCD rövidítés mögött is ennek a folyamatnak az angol elnevezése bújik meg. CCD = Charge Coupled Device, azaz töltéscsatolt eszköz. Ha egymás mellé több elektródát helyezünk el, s megfelelően változtatjuk az ezekre kapcsolt feszültséget, úgy a töltéscsomag mozgathatóvá válik. Ezt tetchnikailag több módon is megoldható, s így megkülönböztetünk kettő-, három- és négyfázisú eszközöket.

Háromfázisú töltéscsatolás

Ennél a megoldásnál minden harmadik elektróda van összekötve, s ezeken a feszültségeket a 3. ábra jobboldali diagramja szerint változtatva az egyes töltéscsomagok balról jobbra mozognak.

t1 időpillanatban a töltések csak az A jelű elektródák alatt találhatók, mivel mellettük, B és C elektródákon alacsonyabb feszültség van. t2 időpont eléréséig B-re is fokozatosan a magasabb feszültséget kapcsoljuk. Így az elktronokat tartalmazó "potenciálgödör" kiszélesedik, majd A-n csökkentev a feszültséget ismét csak egy elektródányi területen helyezkednek el a töltések, de ekkor már B alatt (t3). Ezt a folyamatot ismételve a töltések elléptethetőek a kiolvasó egységig, lépésenként 99.9990 %-os hatásfokkal.

(Itt most részletesen nem térek ki a két- és négyfázisú megoldásokra. Csak annyit említek meg, hogy előbbinek egyszerűbb a technikai megvalósítása, de kisebb biztonsággal továbbítja a töltéseket gyors kiolvasáskor. Utóbbi azonban a 10 MHz-es tartományban is jó hatékonysággal alkalmazható.)

A kiolvasás úgy történik, hogy egy nagyon pontos referenciafeszültséggel kalibrált kondenzátorra léptetnek egy töltéscsomagot, majd annak kisütése során mért feszültségből levonva a referenciafeszültséget megkapják az analóg jelet, mely arányos a beérkezett fotonok számával. Gyakran alkalmazzák az "egybeolvasást" (binning), amikor is 2-5 töltéscsomagot léptetnek föl egymásután a kiolvasó kondenzátorra, s azok együttes töltésmennyiségét mérik. Ennek hasznáról a későbbiekben lesz szó.

Innen már csak egy lépés, s a fent megismert működésű egységekből, a MOS tárolócellákhoz kapcsolt töltésléptető, illetve kiolvasó rendszerből elkészíthető egy CCD chip. Ezek néhány techikai megvalósitásával, fizikai jellemzőivel s a fényérzékenységük tulajdonságaival foglalkozunk a következő részben!