أداة مقترنة ب-الشحنة

اداه مقترنه بشحنه

Charge coupled device (CCD) - Charge coupled device(CCD)

الأداة المقترنة بالشحنة

محمد قعقع 

بنية المكثِّفة معدن- أكسيد - نصف ناقل metal- oxide semiconductor (MOS)

فيزياء البنية معدن-أكسيد- نصف ناقل (MOS)

عمل الأداة المقترنة بالشحنة

 بنى الدخل والخرج

الأداة المقترنة بالشحنة  charge- coupled device (CCD)  جهاز إلكتروني يعمل بالاعتماد على وجود شحنات في مكثِّفات، فهو دارة متكاملة نُمِّشت على سطح رقاقة من السليكون على هيئة صفيف array  من المكثِّفات الدقيقة المرصوفة جنباً إلى جنب لتشكل عناصر حساسة للضوء تسمى عنصورات (عناصر الصورة)  pixels، تُستعمل في التصوير ومعالجة الإشارة. تُمثَّل فيها المعلومات كرزمة من الشحنات الكهربائية التي تختزن في صفيف المكثِّفات، ويمكنها أن تنتقل من واحدة إلى أخرى بطريقة يُتحكَّم فيها.

يُعد الإنجاز الإلكتروني في التصوير -أي تحويل توزع الضوء ثنائي البعد إلى إشارات كهربائية- هدفاً رئيساً في البصريات الحديثة. وقد ظل الضوء التقليدي يعتمد على العين البشرية اعتماداً كبيراً لتقدير توزع الضوء، واستعملت أفلام التصوير وسيلة تخزين متوسطة عند اللزوم. مع تقدم الحواسيب أصبحت حسَّاسات الصور الإلكترونية وسائل لا مفر منها في البصريات والمعالجة الرقمية، وقد اقترب أداؤها من الحدود الفيزيائية الأساسية للتصوير.

حدث الاختراق التقني الكبير لتحويل الصورة إلى إشارة كهربائية باختراع أنواع مختلفة من نبائط التصوير بالأنابيب المخلاَّة. ففي هذه الحسَّاسات تُسقط الصورة على فلم رقيق من مادة حسَّاسة للضوء فتتولد نماذج لشحنات إلكترونية يمكن قراءتها بحزمة مبأرة من الإلكترونات تقوم بعملية مسح. ظلت أنابيب الصور الإلكترونية هذه تشكل الأساس الذي قام عليه اختراع التلفاز وتطويره تجارياً. ومع استمرار تطور الأنابيب المخلاَّة في التصوير؛ فقد ظلت تعاني المحدودية الملازمة للحزمة الإلكترونية الماسحة، وهذا يضفي عيباً في التسجيل وضخامة في التصميم تُزيد صعوبة النقل، إضافة إلى حاجة تطبيق كمون عالٍ مما يسبب استهلاكاً كبيراً في الطاقة.

جرت أولى المحاولات لتطبيق تقانة أنصاف النواقل الحديثة لحل مشكلة الحصول على الصور نحو عام 1950، لكنها لم تحقق في ذلك الحين متطلبات الأداء العالي للتلفاز. وجاء الاختراق في التصوير باستعمال إلكترونيات الحالة الصلبة؛ مع انبثاق أداة (نبيطة) الشحنة المقرونة والتي يرمز إليها اختصاراً  CCD، وهي اختراع كان يهدف في الأصل إلى استعمالها ذاكرة رقمية. ولما كانت صناعتها منسجمة مع تقانة أنصاف النواقل؛ فقد استفادت من التقدم المستمر الذي حصل في صناعة الدارات الإلكترونية المتكاملة.

MOS الشكل (1) بنية المكثفة

اخترع ويلارد بويل  Willard Boyel وجورج سميث George. E. Smith أولى نبائط الشحنة المقرونـة   CCD عام 1969 في مختبرات  AT&T و بِلْ  Bell، وبدأ إنتاجها التجاري في أوائل سبعينيات القرن العشرين، وكان أول استعمال لها في آلات التصوير التلفازي (الڤيديو). وفي عام 1983 حلَّت نبائط  CCD محل الصفائح الفوتوغرافية. وفي العام نفسه جُهزت المقاريب لأول مرة بكاميرات  CCD، وتلى ذلك في السنوات العشر الأخيرة استقبال صور خلابة من كاميرات بنبائط  CCD لمقراب هابل  Hubble الفضائي. وفي عام 1995 غزت الكاميرات الرقمية الأسواق، وهي تمتلك مَيْزاً عالياً. وفي كانون الثاني/يناير من عام 2006 مُنح بويل وسميث جائزة تشارلز شتارك درابِر Charles Stark Draper من الأكاديمية الوطنية للهندسة، كما مُنحا جائزة نوبل للفيزياء على بحوثهما الخاصة بالأداة المقترنة بالشحنة في عام 2009.

بنية المكثِّفة معدن- أكسيد - نصف ناقل metal- oxide semiconductor (MOS) 

المكثِّفة MOS هي اللبنة الأساسية في بنية أداة الشحنة المقرونة؛ فهي التي تقوم بعملية تجميع الشحنة ونقلها، وتختلف عن المكثِّفة العادية بكون أحد لبوسيها من أنصاف النواقل. وتتكون من ثلاث طبقات مرتبة على النحو التالي: معدنية (تسمى البوابة)- عازلة (هو أكسيد عادة)- نصف ناقلة، ومن هنا جاءت التسمية  MOS التي تمثل الأحرف الأولى من أسماء هذه الطبقات (الشكل 1). تظهر في الشكل أيضاً طبقة معدنية ثانية على ظهر ركازة نصف الناقل تشكل معه تماساً أومياً.

فيزياء البنية معدن-أكسيد- نصف ناقل(MOS(

يُدرس سلوك بنية معدن- أكسيد- نصف ناقل بدراسة المخطط العصابي band-structure، وخاصة عند السطحين الفاصلين بين المعدن والعازل والمعدن ونصف الناقل الذي يمكن أن يكون من النوع n أو من النوع P. وبما أن طبقة العازل رقيقة فإن حركة الشحنات محكومة بظاهرة العبور النفقي الكمومية، لذلك تُدرس أولاً شروط تراكم الشحنة على طرفيها في كل حالة ولنصف الناقل من النوع  P. يبين الشكل (2) المخطط العصابي لبنيتين من نوع MOS  في حالة التوازن. يمثل الجزء (آ) من الشكل بنية مثالية تكون دالَّة عمل work function  المعدن فيها تساوي دالة عمل نصف الناقل، كما يمثل الجزء (ب) بنية غير مثالية؛ دالَّتا عمل المعدن ونصف الناقل فيها مختلفتان، رُمز إلى دالة عمل المعدن بـ  Φ_M، والإلفة الإلكترونية -التي تقابل دالة العمل- للأكسيد  χoxide، وللسليكون  χ، إضافة إلى فرجة الطاقة  Eg للسليكون. وتقع فرجة طاقة الأكسيد بين 8 و 9 إلكترون- ڤولط. ويظهر في الشكل أيضاً قمة عصابة التكافؤ EV في نصف الناقل، وكذلك أسفل عصابة النقل Ec فيه.

في الحالة المثالية المبينة في الجزء (آ) من الشكل (2) لا يحدث جريان للشحنة بين المعدن ونصف الناقل؛ لأن سويتي فيرمي EF فيهما منطبقتان، كما يفترض ألا توجد شحنات حرة في العازل، لذا فإن الشحنات المتحركة الوحيدة الموجودة هي الشحنات الموجودة في نصف الناقل والشحنات الموجودة عند السطح الفاصل بين المعدن والعازل (أي الحالات السطحية إن وجدت). ونظراً لعدم وجود انتقال للشحنة بين المعدن ونصف الناقل (لأن مقاومية الأكسيد عالية) فإن سويَّة فيرمي في نصف الناقل تبقى مستوية، ويسمى المخطط العصابي في هذه الحالة مخطط العصابة المستوية flat band. بيد أن الشحنات المتحركة في نصف الناقل يمكن أن تعيد ترتيب نفسها تحت تأثير حقل كهربائي مطبق، ويمكن لعصائب الطاقة أن تنعطف إلى الأعلى أو إلى الأسفل بالنسبة إلى سويَّة فيرمي.

أما في الجزء (ب) من الشكل (2) فسويَّتا فيرمي في المعدن ونصف الناقل غير منطبقتين، ومن ثم لا تكون البنية في حالة توازن، ولكي تصير كذلك يجب أن تنطبق سويَّتا فيرمي في المعدن ونصف الناقل، ويحدث ذلك بهجرة الإلكترونات من المعدن إلى نصف الناقل حتى يحدث التوازن حيث تتساوى سويتا فيرمي في الجانبين، ولكن عصائب الطاقة في نصف الناقل تكون منعطفة نحو الأعلى (غير ممثلة على الشكل)، فهي ليست مستوية. للحصول على العصابة المستوية يجب تطبيق توتر سالب على معدن البوابة يساوي الفرق بين دالَّتي عمل المعدن ونصف الناقل، وهذا الكمون المطبق هو الذي يدعى كمون العصابة المستوية، وهو المبيَّن في الجزء )ب( من الشكل (2) وقد رُمز إليه بالرمز VFB. يمكن أخذ تأثيره تصحيحاً عند دراسة البنية المثالية تحت الانحياز الكهربائي.

MOS الشكل (2) مخطط طاقة العصابة المستوية لبنية

تُدرس أنماط الانحياز المختلفة للمكثِّفة MOS ذات البنية المثالية؛ مع افتراض غياب الحالات السطحية في السطح البيني للأكسيد ونصف الناقل، وهذا يعني عدم وجود شحنة في نصف الناقل قبل تطبيق أي توتر بين البوابة ونصف الناقل.

يُنظر في ثلاثة توترات (كمونات) انحياز مختلفة مطبقة على هذه البنية، الأول تحت توتر العصابة المستوية VFB، والثاني بين توتر العصابة المستوية والتوتر الحرج VT، والثالث أكبر من التوتر الحرج. تشكل أنظمة الانحياز هذه ثلاثة أنماط للتشغيل تنشأ فيها ثلاث حالات للشحنة عند سطح نصف الناقل هي: حالة التراكم، وحالة النضوب، وحالة الانقلاب، ويبين الشكل (3) مخطط عصائب الطاقة لبنية MOS مثالية في الحالات الثلاث المذكورة؛ مع تطبيق الانحياز.

حالة التراكم: يحدث التراكم accumulation   عندما يطبق على البوابة توترمستمر V < 0 (أو عند كون  V أقل من توتر العصابة المستوية V_FB)، فتنجذب الثقوب من الركازة ذات النمط  p إلى السطح البيني للأكسيد ونصف الناقل. إن هذا التراكم لا يتطلب إلا قدراً ضئيلاً من انعطاف العصابة (الجزء آ من الشكل 3 )، لذا فإن معظم التغير في التوتر يحدث ضمن الأكسيد. إن تطبيق إشارة متناوبة ac على البوابة، إضافة إلى التوتر المستمر ينتج منه تيار انزياح في الأكسيد، وسيتغير عدد الثقوب المتراكمة عند السطح متجاوباً مع الإشارة ac. إن زمن استجابة الثقوب للإشارة المتناوبة في السليكون صغير جداً ويقارب 10-12 ثانية؛ لذا فإن نصف الناقل يسلك سلوك صفيحة معدنية في حالة التراكم، كما أن السعة الكلية هي السعة الناتجة من سمك طبقة الأكسيد. 

MOS الشكل (3) المخطط  العصابي  لبنية     Pونصف الناقل فيها من النمط عند تطبيق توترات مختلفة على البوابة . أ- حالة التراكم مع تطبيق توتر سالب على البوابة . ب - حالة النضوب مع تطبيق توتر موجب صغير على البوابة . ج - حالة الانقلاب مع تطبيق توتر موجب كبير على البوابة  مثالية

حالة النضوب: لدى تطبيق توتر مستمر موجب صغير على البوابةV_S  تنشأ في الركازة تحت السطح البيني منطقة ناضبة   depleted layer ذات ثخن معين ينمو فيها حقل كهربائي. هذه المنطقة الناضبة خالية من الثقوب الحرة ولكنها ذات شحنة سالبة كثافتها ρ = qN_A cm^-3، حيث NA تركيز الثقوب و q شحنة الإلكترون. جاءت هذه الشحنة من الآخذات المتأينة الثابتة والتي هجرتها الثقوب التي دُفعت من السطح البيني بالتوتر الموجب المطبق على البوابة، يعطى  xd عرض المنطقة الناضبة بالعلاقة :

حيثN_d  محصلة تركيز الإلكترونات والثقوب في المنطقة الناضبة.   

حيث  k_s ثابت العزل لنصف الناقل، و  سماحية الخلاء، فيكون الكمون على البوابة VG = هبوط الكمون في طبقة الأكسيد + الكمون السطحي، ويعطى بالمعادلة التالية:

تشير المعادلة (2) إلى أن عرض المنطقة الناضبة x_d يزداد مع زيادة كمون البوابة، كما يزداد تركيز الإلكترونات أيضاً في المنطقة الناضبة، لكن تركيز الإلكترونات والثقوب يبقى صغيراً فيها ويمكن إهماله بالمقارنة بتركيز الآخذات؛ لأن الأول ينتج من التوليد الحراري لأزواج الإلكترونات والثقوب في المنطقة الناضبة.

MOS الشكل (4) بنية المكثفة n بقناة مدفونة من النوع  n أ- البنية: معدن -أكسيد - نصف ناقل Pنصف ناقل  ب- مخطط عصائب الطاقة للبنية

حالة الانقلاب: مع تزايد أكبر لكمون البوابة الموجب يزداد انعطاف عصائب الطاقة إلى الأعلى أكثر في المنطقة الناضبة من نصف الناقل. هذه الآثار مبينة في الجزء (ج) من الشكل (3) حيث أدى انعطاف عصائب الطاقة إلى الأعلى إلى وضع أصبح فيه طرف عصابة التكافؤ يقطع سويَّة فيرمي. إن قطع عصابة التكافؤ لسويَّة فيرمي عند السطح يعني أن نصف الناقل يصبح من النوع n بصورة فعالة، وذلك بالقرب من السطح البيني مشكلاً منطقة منقلبة inversion layer من مادة من النوع n في نصف ناقل من النوع p. يصبح تركيز الإلكترونات عند السطح قريباً من تركيز الآخذات acceptors، وتدعى هذه الطبقة من الإلكترونات عند السطح البيني الطبقة المنقلبة (الجزء ج من الشكل 3)، ويكون الانقلاب شديداً عندما يصبح تركيز الإلكترونات عند السطح البيني مساوياً تركيز الآخذات في الركازة.

بعد نشوء الطبقة المنقلبة فإن أي زيادة في توتر البوابة الموجب سوف يعادلها زيادة مماثلة في هذه الطبقة، في حين يزداد عرض الطبقة الناضبة زيادة ضئيلة أو يبقى ثابتاً تقريباً؛ لأن الشحنة في الطبقة المنقلبة تزداد وفق علاقة أسّيّة مع التوتر، في حين يزداد سمك الطبقة الناضبة وفق علاقة تربيعية.

وعلى هذا فإن تطبيق انحياز موجب على البوابة يؤدي إلى بئر كمون للإلكترونات عند السطح الفاصل بين الأكسيد ونصف الناقل، وكلما كانت قيمة توتر البوابة أكبر كانت بئر الكمون أعمق. ومع وجود بئر كمون للإلكترونات في البنية MOS؛ فإن الإلكترونات الأقلية في ركازة نصف الناقل من النوع  pتتراكم في البئر حتى الوصول إلى حالة يتوازن فيها انتثار الإلكترونات المبتعدة عن السطح البيني مع انسياق الإلكترونات نحو السطح. تُعرف هذه الحالة المستقرة بحالة الإشباع. وإذا تجاوزت كثافة الإلكترونات الأقلية كثافة الإشباع فإن الإلكترونات الإضافية ترتد متجهة نحو ركازة نصف الناقل حيث تفنى هناك بعملية إعادة الاتحاد بالثقوب الأكثرية، وإن تراكم الحاملات الأقلية وخزنها في بئر الكمون -عند سطح نصف الناقل في بنية MOS منحازة- هو الأساس الذي تعمل بموجبه الأجهزة المقرونة بالشحنة. 

إذاً: يظهر أن المنطقة الحساسة في البنية MOS هي السطح البيني الكائن بين الأكسيد ونصف الناقل الذي تتشكل عنده المنطقة المنقلبة، والذي قد لا يكون منتظماً، فيأسر إلكترونات في الحالات الموضعية السطحية، مما يقلل من جودة قراءة الشحنة، لذلك طورت بنية القناة المدفونة buried channel كي تخفف من المشاكل التي يسببها عدم الانتظام عند السطح البيني للأكسيد ونصف الناقل، فتُنمّى طبقة من النوع n على سطح نصف الناقل، ثم تنمى بعد ذلك طبقة من ثنائي أكسيد السليكون على السطح العلوي من الطبقة n. وتستكمل المكثِّفة بوضع مربط واحد أو أكثر -وهو ما يسمى بالبوابة- على سطح ثنائي أكسيد السليكون العازل. يمكن أن تكون هذه المرابط من المعدن، ولكن من الأفضل استعمال طبقة ناقلة من السليكون المتعدد التبلور والمطعم بشدة.

يبين الشكل (4) البنية MOS  ذات القناة المدفونة، وتجدر الإشارة إلى أن النهاية الصغرى لبئر الكمون - حيث ستتشكل القناة- تقع بأكملها ضمن الطبقة من النوع n، كما هو مبين في الجزء السفلي من الشكل(4) الذي يمثل مخطط عصائب الطاقة للبنية معدن- أكسيد-نصف ناقل من النوع n– نصف ناقل من النوع p؛ المبينة في الجزء العلوي من الشكل (4). وبذلك يمكن التخلص من المشاكل التي قد تحدث بالقرب من السطح البيني لطبقة الأكسيد.   

عمل الأداة المقترنة بالشحنة

الشكل (5) ب

الشكل (6) ب

الشكل (7) ب

CCD الشكل (8) شكل موجة الإثارة ثلاثية الأطوار لتشغيل ال في الشكل (7)ء

CCD الشكل (9) بنية المرابط لـ n ثلاثية الأطوار بقناة

يتألف جهاز الشحنة المقرونة من صفيف أحادي أو ثنائي البعد من المكثِّفات MOS. يبين الشكل (5) رسماً تخطيطياً لجهاز الشحنة المقرونة مؤلف من صفيف أحادي البعد؛ فيه أربع مكثِّفات ذات البنية MOS، وفيه سلسلة من البوابات المعدنيةG₁،G₂ ...G₄ القريبة بعضها من بعض على طبقة عازلة مشتركة موجودة فوق ركازة من نصف ناقل من النوع  p. تظهر البوابات المعدنية باللون الأسود، بحيث تكون الكمونات المطبقة:V₂>V₁ =V₃ =V₄ . ويمثل الخط المنقط في الشكل جانبية بئر الكمون (أو الطاقة الكامنة) للإلكترون بدلالة البعد على امتداد البنية. كلما كانت قيمة الكمون المطبق على البوابة أكبر كانت بئر كمون الإلكترون أعمق. تقع أعمق بئر تحت البوابة 2، وهي البئر التي ستتراكم فيها الإلكترونات الأقلية المتوفرة (أو الداخلة). تظهر المناطق تحت البوابات 1 و 3 و 4 خالية من الإلكترونات الأقلية. ويمكن لهذه الآبار أن تبقى خالية لفترات زمنية تصل إلى الثواني قبل أن تتراكم الحاملات الأقلية المتولدة حرارياً. إذا أدخلت رزمة من الإلكترونات في المنطقة تحت البوابة 2؛ فإن هذه الشحنات تستطيع الحركة بحرية ضمن البئر، ولكنها لا تستطيع الخروج منها واختراق جدران الطاقة الكامنة للبئر. ويمكن القول: إنه مادام التوتر V₂ موجوداً فإن الشحنة السالبة لا تستطيع الخروج؛ بل تبقى مأسورة؛ أي مخزونة في البئر تحت البوابة 2 بالقرب من سطح القناة.

غير أنه يمكن أن تتحرك الشحنة المخزونة من اليسار إلى اليمين في القناة، فعند ازدياد V₃  ليصبح أكبر من V₂ وتكون الكمونات المطبقة على البوابات كما يلي:

V₃ >V₂>V₁ =V₄

إن جانبية آبار الكمون ستتغير بعدئذ إلى الوضع المبين في الشكل (6)، حيث تصبح بئر الكمون تحت البوابة 3 أعمق من بئر الكمون الموجودة تحت البوابة 2، وستنتقل الإلكترونات الآن إلى البئر الأعمق، كما هو مبين في الشكل (6).

إذن: يمكن نقل الحاملات الأقلية (وهي الإلكترونات هنا) في البنى MOS بين آبار الكمون عن طريق معالجة ملائمة لتوترات الانحياز المطبقة على المرابط المعدنية (البوابات). ولما كان وجود حاملات الشحنة -أو غيابها- في بئر معينة يشكِّل معلومات؛ فإن هذا الجهاز يسمح بنقل المعلومات على امتداد سطح نصف الناقل، وهو بذلك يكوِّن الفكرة الأساسية لجهاز انتقال الشحنة أو جهاز الشحنة المقرونة وارتباطها زمنياً بأزمنة تطبيقها.

يُجَزّأ كل صفيف إلى مناطق أصغر تسمى عنصورات (عناصر الصورة)  pixels (مفردها عنصورة وتعني عنصر صورة)، وتتكون كل عنصورة من ثلاث بوابات يطبق عليها ثلاثة كمونات نبضية بأطوار مختلفة تمكِّن من إزاحة الشحنة من عنصورة إلى أخرى بوساطة هذه النبضات الرقمية، وبهذه الطريقة يمكن نقل الشحنات سطراً فسطراً إلى سجل الخرج.

يُلاحظ من دراسة الجزء (آ) من الشكل (7) أن البنية المدروسة تتألف من 10 بوابات رُبطت مرابطها كما هو مبين في الشكل، ويُطبق التوتر نفسه على كل ثالث مربط. تحتوي هذه البنية على ثلاث عنصورات، وُصلت مرابط كل عنصورة فيها إلى التوترات ثلاثية الطور  و و، وهكذا وُصلت المرابط 1 و4 و7 و10 إلى الكمون ، والمرابط 2 و5 و8 إلى الكمون ، والمرابط 3 و 6 و 9 إلى الكمون .

إذا كانت التوترات المطبقة على المرابط الثلاثة في اللحظة  t=t₁ هي  و ؛ فعندئذ تكون آبار الكمون كما يبينها الجزء (ب) من الشكل (7) حيث تتشكل هذه الآبار تحت المرابط 1، 4 ،7 و10. تشير إشارات الناقص إلى أن الشحنة مخزونة بالقرب من السطح تحت المرابط 1 و7 و10 و ليس تحت المربط 4، مما يشير إلى أن الكلمة الرقمية 1011 أدخلت إلى جهاز الشحنة المقرونة CCD . وفي اللحظة t=t₂  يتغير التوتر  فيصبح ، ولكن  و يحافظان على قيمتيهما السابقتين. وعليه: تتغير جانبية الكمون وتصبح كما في الجزء )ج( من الشكل (7). أما الشحنة المخزونة الآن فيتقاسمها المربطان المتجاوران؛ نظراً لانتثار الإلكترونات من البئر الأصلية إلى البئر الفارغة التي تشكلت حديثاً. وبعد فترة قصيرة من استقرار الوضع على ما هو عليه في الجزء ) ج(  من الشكل 8؛ يبدأ  بالتناقص. وفي اللحظة  t=t₃ يصبح ؛ في حين يبقى كل من  و  من دون تغيير. يبين الجزء ( د) من الشكل (7) جانبية الكمون في اللحظة t₃. وتتحرك الإلكترونات نحو البئر الأعمق نظراً لاختلاف الكمون بين  و . وأخيراً وعند t=t₄  حيث يكون عندها  و و  تصبح جانبية الكمون كما هو مبين في الجزء (هـ) من الشكل (7).

ونتيجة لهذا التسلسل في تغيرات الكمون؛ فإن النموذج الأولي للشحنة المخزونة 1011 يكون قد انتقل مربطاً واحداً إلى اليمين، كما يمكن ملاحظة ذلك من مقارنة (ب) و (هـ) من الشكل (7). ويمثّل هذا التسلسل انتقالاً من مربط إلى الذي يليه في مسجل الإزاحة في الجهاز CCD. ولما كان يلزم ثلاثة توترات؛ لذا يتطلب الأمر ساعات ثلاثية الأطوار، ويوضح الشكل (8) الأشكال الموجية

 وو اللازمة كي تتوافق وجانبيات الشكل (7).

تظهر في الشكل (8) أيضاً الأزمنة المشار إليها بـ  t₁  وt₂ وt₃ و t₄، وهي ذاتهاالموجودة في الشكل (7). ويُلاحظ أن   و  تكون في اللحظة t₁ في الشكل (8) كما هي في الشكل (7)، وأن  و  و  في كلا الشكلين، وإلخ. إن الانتقال الأول يأخذ مجراه بينt₁ وt₄ ، والثاني بين  t₅و t₆، والثالث بين t₇ و t₈، والرابع بين t₉و t₁₀. ومن الواضح أنه من أجل كل دورة دخل ذات دورT ؛ فإن ثلاثة انزياحات تأخذ مجراها، وفي الفترة الزمنية بين الانزياحات (بين   t₄ وt₅ ، على سبيل المثال) تبقى توترات الساعة ثابتة ولا تتغير جانبية الكمون.

وهكذا فإن كل رزمة شحنة في السطر تكون قد تحركت ثلث عنصورة أقرب إلى جهاز معالجة المعطيات. تعاد هذه الدورة مرات ومرات في أجزاء من الثانية لتنتقل كل الشحنة بعيداً عن الركازة إلى كاشف يَستَعمِل عادة مقاومة حمولة ليقيس مقدار الشحنة تحت كل بوابة (الشكل 10)، وهذه هي الكيفية التي تعمل بها CCD ذات الأطوار الثلاثة.

ومن جهة أخرى إذا ما أرتج على بتَّة منطقية تحت أحد المرابط؛ فلا يمكن خزن معلومات تحت المربطين التاليين. وبعبارة أخرى: إن كل خلية تخزين تتألف من ثلاثة مرابط، وتخزن فيها بتة واحدة. وهكذا فعدد المرابط لكل بتة من أجل الـ  CCDفي الشكل (7) هو 3. تُقرأ المعلومات عند الخرج ( وليكن المربط 10)، حيث لوحظ الـ 1 في اللحظة T=T₁. ويدل الشكل أيضاً على أنه يلزم ثلاثة انزياحات قبل أن يتحسس الجهاز البتة التالية ( وهي 1 المخزنة تحت المربط 7). وبعد ثلاثة انتقالات يظهر الـ0  تحت البوابة 4. ولما كانت ثلاثة انزياحات تأخذ مجراها في دور واحد، فيجب أن تُقرأ المعلومة -أو تُكتب- مرة واحدة فقط في دورة واحدة من موجة الدخل.

 يلزم لتجميع الجهاز CCD قناة متصلة واحدة للربط بين مناطق النضوب. ويجب فصل البوابات الواحدة عن الأخرى بمسافات صغيرة تقارب 1um كي تحقق هذا الربط. يمثل الشكل (9)  جهاز CCD بقناة من النوع n وثلاثة أطوار. وتستفيد هذه البنية من تراكب البوابات. يُصنع عدد كبير من هذه البنى في صفوف متوازية تغطي مساحة الرقاقة؛ وبفاصل يبلغ  2و3 مكرونات بين كل صفين.

توجد في أجهزة CCD المستعملة لالتقاط الصور منطقة فعالة ضوئياً؛ وهي طبقة منضدة epitaxial من السليكون؛ مُطَعَّمة بالبور حتى تغدو من النوع P+؛ تُنَمّى فوق ركازة من السليكون من النوع P++. وفي الأجهزة ذات القناة المدفونة تشكل هذه القناة في معظم أجهزة CCD الحديثة بغرس مناطق خاصة على سطح السليكون بإيونات الفسفور، فتجعله من النوع n. تُحدد هذه المنطقة القناة التي ستنتقل فيها رزم الشحنة المتولدة ضوئياً. كما تُوجد منطقة إرسال مصنوعة من مسجل إزاحة، هو في حقيقة الأمر CCD.

 بنى الدخل والخرج

يضاف إلى طرف الدخل لمسجل CCD -عادة- مصدر انتثاري S وبوابة G كما هو مببين في الشكل (10). إن بئر الكمون تحت أول مربط   E1تقوم بدور مصرف، وبذلك يشكل S و G₁و E₁ ترانزستور مفعول الحقل من النوع MOSFET. تطبق التوترات على S وعلى G فيجري التيار حتى تمتلئ البئر بالشحنة وتصل إلى كمون المنبع S نفسه.

أما الخرج فيحصل عليه من مصرف انتثاري D -يضاف في نهاية المسجل كما في الشكل (10)- يتحسس تيار الخرج. يُحصل على الإحساس بالتوتر أو الشحنة بتصنيع مضخم خرج على الرقاقة أو بإضافة مضخم خارجي. أما في أجهزة الشحنة المقرونة المستعملة لالتقاط الصور فتوجد منطقة إرسال مصنوعة من مسجل إزاحة الذي هو في الحقيقة CCD .

CCD الشكل (10) بنى جقن الشحنة وكشفها في n ذات قناة

يتم إسقاط صورة من خلال عدسة على صفيف من المكثِّفات (المنطقة الفعالة ضوئياً) فتقوم كل مكثِّفة بتجميع شحنة كهربائية متناسبة مع شدة الضوء الساقط عليها. تعمل دارة تحكم بحيث تنقل كل مكثِّفة محتوياتها إلى جارتها، وترمي آخر مكثِّفة في الصفيف بالشحنة في مضخم شحنة الذي يحول الشحنة إلى توتر. وبإعادة هذه العملية فإن دارة التحكم تُحوِّل كل محتويات الصفيف في نصف الناقل إلى سلسلة من التوترات، تُجمع بعدئذ في جهاز رقمي (مثل كاميرا ڤيديو تماثلية)، فتُعالج لتصبح إشارة تماثلية مستمرة، وذلك بإدخال إشارة خرج مضخم الشحنة في مرشح تمرير سفلي حيث تُعالج بعدها وتُغذى بها دارات أخرى من أجل الإرسال أو التسجيل أو أي معالجة أخرى.

التصنيف : الكيمياء والفيزياء

النوع : الكيمياء والفيزياء

المجلد: المجلد الأول

رقم الصفحة ضمن المجلد : 433

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية