- Історія CCD-матриці
- Принцип роботи ПЗС-матриці
- Приклад пікселя CCD-матриці з кишенею n-типу
- Повнокадровий перенесення CCD-матриці
- Будова елементів CCD-матриці
Головна 
Терміни: Відеоспостереження Що таке ПЗС-матриця
Що таке ПЗС-матриця? | ПЗС-матриця (Прилад із зарядовим зв'язком) або CCD-матриця (на англ. Charge-Coupled Device) - це аналогова інтегральна мікросхема, до складу якої входять світлочутливі фотодіоди, виконані на основі кремнію або оксиду олова. Дана мікросхема використовує технологію ПЗЗ (Приборов із зарядним зв'язком).
Історія CCD-матриці
Перший прилад із зарядним зв'язком був розроблений в 1969 році Джорджем Смітом (George Smith) і Уіллардом Бойл (Willard Boyle) в Лабораторіях Белла (AT & T Bell Labs) в США. Розробки велися в області відеотелефонії (Picture Phone) і розвитку актуальною в той час, «напівпровідникової бульбашкової пам'яті» (Semiconductor Bubble Memory). Незабаром прилади із зарядним зв'язком почали використовуватися як пристрої пам'яті, в яких можна було помістити заряд у вхідний регістр мікросхеми. Але пізніше здатність елемента пам'яті пристрою отримувати заряд за рахунок фотоефекту зробила застосування CCD пристроїв основним.
У 1970 році дослідники Лабораторії Белла навчилися фіксувати зображення за допомогою найпростіших лінійних пристроїв.
Незабаром, під керівництвом Кадзуо Івама, компанія Sony стала активно розробляти і займатися CCD технологіями, вклавши в це величезні кошти, і зуміла налагодити масове виробництво ПЗС-матриць для своїх відео камер.
Кадзуо Ивама помер в серпні 1982 року. Для увічнення його внеску, мікросхема ПЗС-матриці була встановлена на його надгробній плиті. 
У 2006 році за роботи над CCD, Віллард Бойл і Джордж Сміт були нагороджені Національної Інженерної Академією США (USA National Academy of Engineering).
Пізніше, в 2009 році творці були нагороджені Нобелівською премією з фізики.
Принцип роботи ПЗС-матриці
CCD-матриця в основному складається з полікремнію, відокремленого від кремнієвої підкладки мембраною, у якій при подачі напруги живлення через полікремневие затвори сильно змінюються електричні потенціали поблизу електродів провідника.
До експонування і подачею певної комбінації напружень на електроди, відбувається скидання всіх зарядів утворилися раніше і перетворення всіх елементів в ідентичне або первісний стан.
Потім комбінація напруг на електродах створює потенційний запас або яму, в якій накопичуватися електрони, що утворилися в певному пікселі матриці в результаті впливу світлових променів при експонуванні. Чим інтенсивніше сила світлового потоку під час експозиції, тим більше накопичується запас електронів в потенційній ямі, відповідно тим вище потужність підсумкового заряду певного пікселя.
Після експонування, послідовні зміни напруги харчування на електродах формуються в кожному окремо взятому пікселі і поруч з ним відбувається розподіл потенціалів, яке призводить до перетікання заряду в заданому напрямку, до вихідних пикселям ПЗС-матриці.
Приклад пікселя CCD-матриці з кишенею n-типу
Примітка: архітектура субпикселей у кожного виробника своя.
Позначення пікселя CCD на схемі: 
1 - Частинки світла (фотони), що пройшли через об'єктив відеокамери;
2 - мікролінз субпікселя;
3 - Червоний світлофільтр субпікселя (є фрагментом фільтра Байера);
4 - Світлопропускаючі електрод з оксиду олова або полікристалічного кремнію;
5 - Ізолятор (складається з оксиду кремнію);
6 - Спеціальний кремнієвий канал n-типу. Зона внутрішнього фотоефекту (зона генерації носіїв);
7 - Зона можливого запасу або ями (кишеня n-типу). Місце де збираються електрони з зони генерації носіїв;
8 - Кремнієва підкладка p-типу.
Повнокадровий перенесення CCD-матриці
Повністю сформований об'єктивом відео зображення потрапляє на CCD-матрицю, тобто світлові промені падають на світлочутливу поверхню CCD-елементів, мета яких - перетворити енергію частинок (фотонів) в електричний заряд.
Даний процес протікає в такий спосіб.
Для фотона, що потрапив на CCD-елемент, є три варіанти розвитку подій - він або «відлетить» від поверхні, або поглине товщею напівпровідника (склад матеріалу матриці), або проб'є його поверхню. Тому від розробників потрібно створити такий сенсор, в якому втрати від відображення і поглинання були б мінімізовані. Ті ж частинки, які були поглинені CCD-матрицею, утворюють пару електрон-дірка, якщо сталося слабку взаємодію з атомом кристалічної решітки підлозі провідника, або взаємодія була з атомами донорських, або акцепторних домішок. Обидва з перерахованих вище явищ називаються - внутрішнім фотоефектом. Але, внутрішнім фотоефектом робота сенсора не обмежується - головне необхідно зберегти «відібрані» у напівпровідника носії заряду в спеціалізованому сховищі, а потім їх рахувати.
Будова елементів CCD-матриці
У загальному вигляді конструкція CCD-елемента виглядає приблизно так: кремнієва підкладка p-типу забезпечується каналами з підлозі провідника n-типу. Над цими каналами розміщуються електроди з полікристалічного кремнію з ізолюючої мембраною з оксиду кремнію. Після подачі на цей електрод електричного потенціалу, в ослабленій зоні під каналом n-типу створюється потенційна пастка (яма), завдання якої - зберегти електрони. Частка світла, яка проникає в кремній, призводить до генерації електрона, який притягається потенційної пасткою і «застряє» в ній. Величезна кількість фотонів або яскраве світло забезпечує більший заряд пастки. Потім треба вважати значення отриманого заряду, також іменованого фотострумом, і потім посилити його.
Зчитування фотострумів CCD-елементів відбувається з так званими послідовними регістрами зсуву, які конвертують рядок зарядів на вході в серію імпульсів на виході. Створена серія імпульсів - це і є аналоговий сигнал, який надалі надходить на підсилювач.
Так, за допомогою регістра можливо перетворити в аналоговий сигнал заряди рядки з CCD-елементів. Практично, послідовний регістр зсуву в CCD-матрицях реалізується за допомогою тих же CCD-елементів, об'єднаних в один рядок. Робота даного пристрою базується на вмінні приладів із зарядним зв'язком обмінюватися зарядами своїх потенційних ловувшек. Цей обмін відбувається завдяки наявності спеціалізованих електродів переносу (по англ. Transfer Gate), розташованих між сусідніми CCD-елементами. При подачі підвищеного потенціалу на найближчий електрод, заряд «мігрує» під нього з потенційною пастки. Між CCD-елементами зазвичай розташовуються від двох до чотирьох електродів перенесення, і від їх кількості залежить фазность регістразсуву, який також називається двофазним, трифазним або четирёхфазним.
Подача різних потенціалів на електроди перенесення синхронізована так, що перетікання зарядів потенційних пасток всіх CCD-елементів регістра відбувається практично одночасно. Так за один цикл перенесення, CCD-елементи передають по ланцюжку заряди справа наліво або зліва направо. А крайній CCD-елемент віддає свій заряд підсилювача, розміщеного на виході регістра.
Отже, послідовний регістр зсуву це і є пристрій з послідовним виходом і паралельним входом. Після зчитування всіх зарядів з регістра виникає можливість подати на його вхід новий рядок, потім наступну і так сформувати безперервний аналоговий сигнал в основі яких лежить двовимірний масив фотострумів. Потім, вхідний паралельний потік для послідовного регістра зсуву забезпечується сукупністю вертикально орієнтованих послідовних регістрів зсуву, яка називається паралельним регістром зсуву, а вся конструкція в зборі якраз і є пристроєм, який називається CCD-матрицею.