Yük bağlaşımlı aygıt

Ultraviyole görüntüleme için kullanılan, kablolu bir pakette özel olarak geliştirilmiş bir CCD

Yük bağlaşımlı cihaz (CCD) (İngilizce; Charge Coupled Device) veya CCD sensörü, bir dizi bağlantılı veya birleştirilmiş kapasitör içeren bir entegre devre'dir. Harici bir devrenin kontrolü altında, her kapasitör elektrik yükünü komşu bir kapasitöre aktarabilir. CCD sensörleri, dijital görüntülemede kullanılan önemli bir teknolojidir.

Bir CCD'de görüntü sensörü, piksel'ler p katkılı metal–oksit–yarı iletken (MOS) kondansatörleri ile temsil edilir. Bir CCD'nin temel yapı taşları olan bu MOS kondansatör'ler, görüntü alımı başladığında ters çevirme eşiğinin üzerinde etki altında bırakılır ve gelen foton'ların yarıiletken-oksit arayüzde elektron yüklerine dönüştürülmesine izin verir; CCD daha sonra bu yükleri okumak için kullanılır.

CCD'ler ışık algılamaya imkan veren tek teknoloji olmasa da, CCD görüntü sensörleri, yüksek kaliteli görüntü verilerinin gerekli olduğu profesyonel, tıbbi ve bilimsel uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Tüketici ve profesyonel dijital kameralar gibi daha az kalite talepleri olan uygulamalarda genellikle CMOS sensörler (tamamlayıcı MOS sensörleri) olarak da bilinen aktif piksel sensörü'ler kullanılır. Ancak CCD'lerin erken dönemde sahip olduğu büyük kalite avantajı zamanla azaldı ve 2010'ların sonlarından bu yana CMOS sensörleri, CCD görüntü sensörlerinin yerini büyük ölçüde veya tamamen değiştirmiş olan baskın teknolojidir.

Dijital fotoğraf makineleri ve video kameralarda ışığa duyarlı yüzey olarak iş görür. Bir tabakanın üstüne dizilmiş ışığa duyarlı foto diyotlardan oluşur. Bunlar, düşen ışığı elektrik gerilimine çevirir. Ne kadar aydınlık olursa ışık hücresinde (fotosel) biriken gerilim de o kadar yüksek olur. Matriks gerilim, bir analog-dijital çevirici (ADC) ve işlemci vasıtası ile resme çevrilir.

CCD algılayıcı teknolojisi, CMOS teknolojisinden daha eskidir. CMOS teknolojisi, daha az enerji tükettiği ve daha ucuz olduğu için pek çok fotoğraf makinesi üreticisi, özellikle orta format makine üreticileri tarafından tercih edilir. CCD sensörlerin ise yüksek kalite olanları PhaseOne, Hasselblad, Leica, Mamiya gibi Büyük Format fotoğraf makinesi üreticileri tarafından tercih edilir. Bunun sebebi CMOS sensörün büyük formatlar için yetersiz oluşudur.

CCD sensörler, CMOS sensörlere göre daha iyi ışık alır, buna karşılık çok aydınlık veya doğrudan objektife ışık giren ortamlarda zaaf gösterirler. CCD sensörler profesyonel çekimler için, CMOS sensörler ise aktüel çekimler ve meraklılar için daha uygundur.

İşlemin temelleri

Yük paketleri (elektronlar, mavi), kapı elektrotlarına (G) pozitif voltaj uygulanarak oluşturulan “potansiyel kuyularda” (sarı) toplanır. Kapı elektrotuna doğru sırayla pozitif voltaj uygulamak, yük paketlerini aktarır.

Görüntüleri yakalamak için bir CCD'de, fotoaktif bir bölge (epitaksiyel silikon tabakası) ve bir kaydırma yazmaç’dan (CCD, doğrusu) yapılmış bir iletim bölgesi vardır.

Görüntü bir mercek aracılığıyla kapasitör dizisine (fotoaktif bölge) yansıtılır ve her kapasitörün o konumdaki ışık yoğunluğuyla orantılı bir elektrik yükü biriktirmesine neden olur.

Çizgi tarama kameralarında kullanılan tek boyutlu dizi, görüntünün tek dilimini yakalarken, video ve hareketsiz kameralarda kullanılan iki boyutlu dizi, sensörün odak düzlemine yansıtılan görüntüye karşılık gelen iki boyutlu resmi yakalar. Dizi görüntüye maruz kaldığında, bir kontrol devresi her kapasitörün içeriğini komşusuna (kaydırma yazmaç (ing: shift register) olarak çalışarak) aktarmasına neden olur. Dizideki son kapasitör, yükünü bir yük amplifikatörüne boşaltır, bu ise yükü voltaja dönüştürür. Bu işlemi tekrarlayarak, kontrol devresi yarı iletkendeki dizinin tüm içeriğini bir dizi voltaja dönüştürür. Sayısal bir cihazda, bu voltajlar daha sonra örneklenir, sayısallaştırılır ve genellikle bellekte saklanır; bir analog cihazda (analog video kamera gibi), voltajlar sürekli bir analog sinyale işlenir (örneğin, şarj yükselticisinin çıkışını alçak-geçişli bir filtreye besleyerek), bu daha sonra işlenir ve iletim, kayıt veya diğer işlemler için diğer devrelere verilir.

Ayrıntılı operasyon fiziği

Sony ICX493AQA 10,14 megapiksel APS-C (23,4 × 15,6 mm) dijital fotoğraf makinesinden CCD Sony α DSLR-A200 veya DSLR-A300, sensör tarafı

Şarj üretimi

MOS kapasitörleri ışığa maruz bırakılmadan önce tükenme bölgesine doğru taraflandırılırlar; n-kanallı CCD'lerde, beys kapısının altındaki silisyum hafifçe p-katkılı veya içseldir. Kapı daha sonra güçlü ters çevirme eşiğinin üzerinde pozitif bir potansiyele saptırılır ve bu sonuçta MOSFET'te olduğu gibi kapının altında bir n kanalın oluşmasıyla sonuçlanır. Ancak bu termal dengeye ulaşmak zaman alır: Düşük sıcaklıkta soğutulan üst düzey bilimsel kameralarda saatlere kadar.. Başlangıçta kutuplamanın ardından delikler alt tabakanın içine doğru itilir ve yüzeyde veya yüzeye yakın hiçbir hareketli elektron yoktur; CCD bu nedenle derin tükenme adı verilen denge dışı bir durumda çalışır. Daha sonra tükenme bölgesinde elektron-delik çiftleri oluştuğunda, bunlar elektrik alanı tarafından ayrılır, elektronlar yüzeye doğru hareket eder ve delikler altlığa doğru hareket eder. Dört çift oluşturma süreci tanımlanabilir:

• fotoğraf üretimi (%95'e kadar kuantum verimliliği),
• Tükenme bölgesindeki üretim,
• yüzeyde üretim ve
• Nötr kütlede üretim.

Son üç süreç, karanlık akım üretimi olarak bilinir ve görüntüye gürültü katar; toplam kullanılabilir entegrasyon süresini sınırlayabilirler. Elektronların yüzeyde veya yüzeye yakın birikmesi, görüntü entegrasyonu tamamlanana ve yük aktarılmaya başlayana veya termal dengeye ulaşılana kadar devam edebilir. Bu durumda kuyunun dolduğu söylenir. Her bir kuyucuğun maksimum kapasitesi, kuyu derinliği olarak bilinir, tipik olarak piksel başına yaklaşık 10⁵ elektrondur. CCD'ler normalde iyonlaştırıcı radyasyona ve CCD çıkışında gürültüye neden olan enerjik parçacıklara karşı hassastır ve CCD kullanan uydularda bu durumun dikkate alınması gerekir.