trúc CCD và CMOS
Cấu tạo của một ma trận cảm biến hình ảnh CCD (charge couple devices) gồm m thanh ghi hàng (parallel register), mỗi thanh chứa n phần tử nhạy sáng đƣợc gọi là pixel. Tùy theo số lƣợng photon ánh sáng đập vào mặt nhạy sáng của pixel mà một số lƣợng điện tử tƣơng ứng (gọi là hạt tải) sẽ đƣợc tạo ra. Sau đó các hạt tải đƣợc chuyển tuần tự từng hàng một đến vùng lƣu trữ
(storage array) nhờ các vi mạch tạo xung điều khiển (parallel và serial clock
có chức năng đọc và chuyển đổi điện tích của hạt tải ở mỗi pixel thành các giá trị điện áp. Nhờ các mạch tích phân ngoại vi nhƣ output amplifier, AD, multiplexing trên cơ sở FPGA… tín hiệu điện áp này sẽ đƣợc khuếch đại và chuyển đổi thành tín hiệu hình ảnh video…
Hình 1.11 biểu diễn mặt cắt của một pixel đƣợc đúc liền trong một phiến bán dẫn Si pha tạp p. Trên bề mặt mỗi pixel - cấu tạo nhƣ 1 photodiode - đƣợc phủ lên ít nhất 2 điện cực (đƣợc gọi là các cổng - gate). Hình 1.11 biểu diễn 1 pixel có 4 cổng điều khiển. Do đó các pixel cũng có cấu tạo nhƣ một tụ điện nhạy sáng MOS (kim loại-điện môi- bán dẫn). Để tăng diện tích nhận sáng, các bản điện cực kim loại đƣợc thay bằng vật liệu polysilicon dẫn điện và cho ánh sáng truyền qua. Vật liệu cho chất điện môi ở đây thƣờng là SiO2.
Hình 1.11. Cấu tạo một CCD loại quét từng khuôn hình FT có 2 vùng nhạy
sáng và lưu trữ tách biệt
Cơ chế làm việc của một CCD đơn sắc (đen/trắng) gồm ba giai đoạn sau:
a)Sản sinh hạt tải: Các photon ánh sáng đập vào bề mặt nhạy quang của mỗi
pixel sẽ tạo ra các điện tử tƣ do (hạt tải) trong vùng chuyển tiếp (vùng nghèo) của photodiode.
b)Tích trữ hạt tải: Các hạt tải này đƣợc giam giữ trong các giếng thế năng (potential well) đƣợc hình thành bằng cách đặt vào các điện áp dƣơng.Giếng nàycó các rào chắn (potential barrier) làm vách ngăn cách.
Hình 1.12. Kiến trúc của 1 pixel CCD (hình trái ) dựa trên các tụ điện bán
dẫn - điện môi - kim loại (MOS) hay là các cổng. Chất bán dẫn thuộc loại p,
lớp cách điện từ SiO2 và điện cực trong suốt polysilicon cho ánh sáng truyền
qua để tăng hiệu suất.
Hình 1.13. Cơ chế truyền hạt tải trong 1 pixel CCD có 3 điện cực. a: Hạt tải
được chứa trong giếng thế năng; b và c: Giếng được mở rộng và cần bằng; d: Giếng bị co lại; e:Hạt tải được dịch hết sang giếng mới; f: xung điều khiển
c)Chuyển đổi tín hiệu hình ảnh: Ở thanh ghi cuối cùng (serial register) của CCD, số lƣợng hạt tải trong mỗi pixel sẽ đƣợc đọc ra. Sau đó chúng đƣợc lƣợng tử hóa thành tín hiệu video.
Hình 1.14. Các kiến trúc quét ảnh của CCD: FT. FF, IT và FIT.. Mũi tên chỉ
hướng truyền các hạt tải. Vùng lưu trữ (diện tích sẫm màu) được che chắn khỏi ánh sáng nhờ lớp màng kim loại trong chip