|
A series of
articles on “Nobel Prizes in Science & Technology” - Part 7
CCDs
Trần Trí Năng
(University of Minnesota & Ecosolar International)
“Look deep into nature, and then
you will understand everything better.”
Albert Einstein
Giải Nobel Vật Lý năm 2009 trao cho Charles K Kao
"for groundbreaking achievements concerning the transmission of light
in fibres for optical communication.” và Willard S. Boyle andGeorge E.
Smith " for the invention of an imaging semiconductor circuit, the CCD
sensor.” Trong hai bài viết trước, người viết đã trình bày sự mâu
thuẫn trong việc chọn lựa người lãnh giải và sự phản đối của cộng đồng
khoa học về giải thưởng liên quan đến CCDs này. Sau cùng Hàn Lâm Viện
Hoàng Gia Khoa Học của Thụy Điển (Royal Swedish Academy of Sciences)
đã thêm chữ “motivation” vào bảng tuyên dương ban đầu của họ như sau”
"the motivation for the invention of an imaging semiconductor circuit,
the CCD sensor.”
Có người nói” thiên nhiên là kho tàng bí ẩn của
những phát minh”. Quả thực đúng như vậy! Trong bài viết này, chúng tôi
xin mạo muội cắt nghĩa nguyên 1ý vận hành căn bản của CCDs dựa vào
hình tượng hứng nước mưa và di chuyển dây chuyền. Chúng ta có thể dùng
hình ảnh di chuyển này để diễn tả sự di chuyến điện tích trong CCD
imager. Một số pixels được sắp đặt trên một vùng hình vuông hay hình
chữ nhật. Nước mưa tượng trưng cho quang tử hay điện tích và thùng
chứa tương đương với điểm ảnh (pixels). Lúc đầu các thùng nước trống
không và sau đó hứng nước mưa tương đương với khi tấm silíc CCD được
phơi bày dưới ánh sáng (luồng quang tử). Một khi ngừng nhận nước mưa (tương
đương với thời điểm một phần của tấm CCD bị che khuất bởi màn chắn
sáng), những đai chuyền bắt đầu di động và chuyển những thùng chứa
nước mưa, từng thùng một, đến ống đo nằm ở góc phải phía dưới của tấm
CCD . Nước mưa được hứng ở những chiếc thùng với những lượng khác nhau;
tương tư như lượng điện tích tích tụ ở mảng lưới giếng điện thế tùy
theo điện thế áp đặt . Những chiếc thùng này di chuyển trên những đai
chuyền xếp theo hàng dọc rồi đổ vào những chiếc thùng trống theo hàng
ngang trước khi đưa đến ống đo . Tỉ số của lượng nước mưa nhận được
khi đến ống đo và lượng nước mưa hứng lúc ban đầu tương đương với hiệu
xuất di chuyển (hay transfer efficiency của CCDs) và thời gian di
chuyển cùng một lượng nước có thể giảm thiểu bằng cách gia tăng tầm
kích của thùng chứa (tương đương với binning format trong CCDs). Tiến
trình này cứ tiếp tục cho đến khi lượng mưa của tất cả những chiếc
thùng được chuyển dịch và đo lường. Sau khi đo xong, chu kỳ một được
hoàn tất, ống đo trở nên trống và chu kỳ kế tiếp bắt đầu.
Từ khóa
Charged couple device (CCDs), bucket, metal-oxide-
semiconductor (MOS), photons, electric field, internal potential,
transfer efficiency, amplifier, binning, shift register, semiconductor
circuit, electrons, buried channels, holes, carriers, recombinations.
1. “Tản mạn” bên lề
Từ ga Shinagawa ở Tokyo, chúng tôi đi tàu Shinkansen
đến ga Shin-Yokohama. Mất khoảng 45 phút. Yokohama là thủ phủ của
huyện Kanagawa và là thành phố cảng lớn của Nhật. Khu phố đầu tiên
chúng tôi đi bộ đến là China Town (hay Chukagai, hình 1, bên trái).
Thành phố thay đổi khá nhiều so với lần cuối cùng tôi đến vào đầu thập
niên 80s với nhiều nhà hàng Dim Sum, nhiều ngôi nhà và một số người
“ngoại quốc” đứng bán hàng. Đi dâu cũng thấy những quán dọc đường bán
nikuman, shumai, xiaolongbao và khoai nướng… Có điều khác với những
khu phố tàu khác ở Los Angeles, San Francisco, hay Toronto, Chukagai ở
đây sạch sẽ hơn!

Hình 1. Khu phố Tàu (bên trái) và con
đường đi bộ dọc theo cảng ở Yokohama.
Sau đó chúng tôi đi dọc theo cảng về hướng Minato
Mirai 21. Chúng tôi đi ngang qua tòa nhà gạch màu đỏ Akarenga Soko (ngày
xưa dùng làm nhà chứa ; giờ trở thành shopping mall).
Tôi nhìn ra cửa
biển điểm vết sẹo thời gian. Buổi chiếu vàng võ với vài vạt nắng còn
sót lại trên thảm cỏ. Bầy trẻ đùa chơi với tiếng cười giòn tan, hăng
hắt từng âm điệu ngân vang. Gót cũ tôi bước theo chồng chất lên nhau
mang số kiếp dã tràng. Kiếp đời- kiếp người chiều nay lang thang dọc
theo bờ sóng vỗ. Nhìn ngày trôi...Trời xanh xanh no ứ mộng trong lành.
“...Nắng vàng theo bước chân đi
Đường xa kỷ niệm thầm thì lối xưa
Lao xao ngọn cỏ gió đùa
Cơn mưa vừa tạnh. Đưa cơn sóng về...”

Hình 2. Tower (bên trái) và cây cầu ở
phía xa (bên phải) ở Yokohama.
Tôi nghe văng vẳng đâu đây tiếng hát của Ishida
Ayumi trong bài hát “Blue Light Yokohama” vào khoảng cuối thập niên
60s.
“Machi no akari ga totemo kirei ne.Yokohama buruu
raito Yokohama/Con phố tỏa ánh sáng tuyệt vời! Yokohama. Thành phố
cảng màu xanh!” hay “Aruitemo aruitemo kobune no you ni. Watashi wa
yurete yurete anata no ude no naka/ Bước đi, lê bước chân đi. Lắc lư
thuyền nhỏ trong vòng tay anh”.
“...Quá khứ, tương lai thành phố cảng
Minato Mirai , Marine Tower
World Porters: khu mua sắm sáu tầng
Người qua lại. Chân theo chân tấp nập...”
2. Tiếp hợp p-n
2-1 Băng dẫn (conduction band) Ec và băng hóa trị
(valence band) Ev
Băng dẫn là nơi có nhiều hạt electrons trong khi đó
hầu hết holes nằm ở băng hóa trị (hình 3 a). Những vòng tròn nhỏ tô
đậm chỉ định nồng độ đỉnh của hạt electrons nằm gần cạnh biên của băng
dẫn Ec. Tương tự như vậy, các vòng tròn trống chỉ định nồng độ đỉnh
của holes gần cạnh biên của băng hóa trị
Ev.

(a)

(b)
Hình 3: (a) Sơ đồ về sự phân phối của hạt electrons
và holes ở băng dẫn Ec và băng hóa trị Ev ; (b) Vị trí của băng dẫn
(conduction band) Ec, băng hóa trị (valence band) Ev , mức Fermi
(Fermi level) Ef , mức trung tính Ei trong ba trạng thái bán dẫn :
intrinsic (không pha tạp chất), n-type (với tạp chất thuộc nhóm V) và
p-type (với tạp chất thuộc nhóm III trong bảng tuần hoàn) [2]
2-2 Mức trung tính (intrinsic level) Ei và mức Fermi
(Fermi level) Ef
Mức trung tính Ei nằm giữa băng dẫn Ec và băng hóa
trị Ev ; trong khi đó mức Fermi được dùng như mức tham khảo để chỉ
định xác xuất số lượng hạt electrons hiện hữu. Khi mức Fermi
Ef nằm ở
trên mức trung tính Ei (đường chấm chấm trong hình), chúng ta có chất
bán dẫn thuộc dạng n-type : ở trạng thái này, có nhiều hạt electrons
(hay nói một cách khác : hạt electrons là hạt tải đa số/majority
carriers) và ít holes (hạt tải thiểu số/ minority carriers). Trường
họp ngược lại có thể áp dụng khi mức Fermi
Ef nằm dưới mức trung tính
Ei. Tham khảo Hình 3 (b).
2-3 Tiếp hợp p-n (p-n junction)
Giờ chúng ta thử mang chất bán dẫn p-type (Hình 4a)
tiếp hợp với chất bán dẫn n-type, mức năng lượng của hai bên sẽ điều
hợp với nhau bằng cách mang mức Fermi Ef đến ngang với nhau đưa đến
trang thái thằng bằng (hình 4b); kết quả là tạo nên sự khác nhau về
năng lượng Vbi giữa băng dẫn Ec của p-type và n-type (Hình 4 c). Ở
tình trạng này như chỉ định trên biểu đồ băng (band diagram), hạt
electrons từ phía n-type phải có năng lượng hoặc bằng hoặc lớn hơn Vbi
đủ để chuyển sang phía p-type và để cho dòng điện bắt đầu chạy. Nếu
không đủ năng lượng đòi hỏi thì hạt electrons không thể tham gia vào
hoạt động dẫn điện và linh kiện bán dẫn sẽ không hoạt động.


(c)
Hình 4: Biểu đồ băng (band diagram)
của tiếp hợp p-n. [2]
Chúng ta có thể dùng hình ảnh tương tự dưới đây để
diễn tả tiến trình vận động này: Cứ tưởng tượng băng hóa trị là chân
núi và hạt electrons là những người leo núi phải trèo lên vách núi (bức
tường năng lượng Vbi ) để lên đến đỉnh núi (băng dẫn) để nhìn thế giới
bên ngoài và “đường mây rộng tung tăng cỡi bộ” như ở hình 5 (a) và
(b).
Như thế nếu không đủ năng lương để vượt qua bức
tường năng lượng Vbi , những hạt electrons sẽ phải quay ngược trở lại
về phía bán dẫn n-type. Trường hợp tương tự sẽ xảy ra cho holes theo
chiều ngược lại đi về phía bán dẫn p-type.
Ở Hình 4(a) khoảng cách giữa băng dẫn
Ec và băng hóa
trị Ev gọi là vùng cấm (energy gap hay bandgap). Khoảng cách này càng
nhỏ, thì năng lượng đòi hỏi càng ít

Hình 5: Hình ảnh người đang leo núi
(a) và sau khi lên đến đỉnh núi (b)
giống như hạt electron phải vượt qua bức tường năng
lượng để lên đến băng dẫn [1] cho hạt electrons
nhày từ băng hóa trị Ev lên đến băng dẫn Ec. Trên quan điểm vật liệu,
thì bandgap này tỉ lệ nghịch với chiều dài bước sóng λ (chiều dài này
quyết định màu sắc phát quang) theo công thức dưới đây :
(1)
Eg : bandgap; h= hằng số Plank
(Plank’s constant), = tần số ánh sáng (frequency of light)
và λ= chiều dài bước sóng (wavelength).
Atoms trong silicon crystal được sắp xếp theo những
băng tầng năng lượng cá biệt nằm giữa băng hóa trị và băng dẫn. Hầu
hết hạt electrons nằm ở băng hóa trị sau khi bị kích thích có thể nhảy
vọt vào băng dẫn hoặc bằng phương tiện nhiệt hay bằng cách hấp thụ
quang tử. Khi ở băng dẫn, hạt electrons có thể di động chung quang một
cách tự do và để lại “a hole” trong vùng hóa trị với điện tích dương.
Nếu không có điện trường áp đặt bên ngoài, the hole có thể tái kết hợp.
Khi điện trường (qua hình thức bias điện áp) được áp đặt, những hạt
tải tích điện được cuốn đi và hiện tượng tái kết hợp sẽ không xảy ra.
3. Sơ lược về cơ cấu tổng quát
của CCD
CCD imager gồm có một mảng lưới (array) với mộ số
lượng lớn phần tử cảm biến quang (light-sensing elements) dàn xếp theo
hai chiều ngang và dọc trên một tấm nền silíc Đơn vị cảm biến căn bản
của CCD có dạng MOS (metal-oxide-semiconductor) và được xử dụng hoặc
như quang đi -ốt hay bộ tích tụ điện tích. . Hình ảnh của CCDs có thể
thực hiện theo ba dạng thức: hoặc từng pixel một, từng hàng một hoặc
từng vùng . Nguyên lý hoạt động của CCD imager gồm có 4 giai đoạn: tạo
điện tích do sự tác dụng của quang tử ở những vùng cảm quang, thu thập
và tích trữ điện tích phóng ra, chuyển dịch và đo lường điện tích. Khi
ánh sáng chiếu trên bề mặt của CCD, quang tử biến đổi sang điện tích
nằm ở những vị trí riêng rẽ như là điểm ảnh (pixels), vùng quang tử,
quang điốt hay bộ tụ điện. Theo hiệu ứng quang điện, quang tử rọi vào
bề mặt của tấm silic, tạo nên những hạt quang điện tử tự do (free
electrons) và holes. Nếu cứ giữ như vậy, hạt electrons sẽ tái kết hợp
với holes , phát ra năng lượng nhiệt.rất khó đo lường. Thế nên phương
pháp thích hợp là góp nhặt và thu thập hạt electrons , đo lường và thu
xếp số lương electrons để tạo hình ảnh (images). Điều này thực hiện
được bằng cách áp đặt một điện thế dương (hay dịch chuyển về hướng
dương) những vùng riêng rẻ để thu hút hạt electrons phóng ra trong lúc
quang tử rọi trên mặt nền. Vì lớp cách điện (hay channel stop) nằm
phía dưới, hạt electrons không thể đi xuyên qua gate điện cực và được
giữ lại với điện cực dương áp đặt ở phía trên Diễn tả ở đây là một sơ
đồ hình đơn giản của một điểm ảnh (pixel). Như có thể thấy ở đồ hình,
những hạt electron thặng dư khuếch tán vào p-layer; trong khi đó những
holes thặng dư sẽ khuếch tán vào n-layer. Sự chuyển đi hai loại hạt
tải (carriers) này tạo nên điện trường bên trong (internal electric
field). Và mức điện trường tối đa nằm ngay ở trong n-layer; nơi mà hạt
electrons do quang tử cung cấp được thu thập. Cấu trúc này có tên là
“buried channel” rất thịnh hành trong CCDs. Trong quá trình thu thập
điện tích để tạo hình ảnh, , một điện cực ở mỗi pixel được giữ ở điện
thế dương. Điện thế này sẽ gia tăng điện thế nằm ngay ở phía dưới điện
cực và chính ở nơi đây quang điện tử được tích tụ. Trong khi đó, những
điện cực lân cận, với điện thế thấp hơn, sẽ đóng vai trò như những bức
tường chắn điện thế dùng để xác định biên giới thẳng (vertical
boundaries) của pixels[Hình 6].

Hình 6. Phân phối điện trường trong
tiếp họp p-n: (a) internal potential và (b) với sự áp đặt của điện thế
dương.
Số lượng điện tích sẽ tùy thuộc vào lượng ánh sáng
chiếu vào. Hình ảnh sáng tương đương với lượng điện tích lớn trong khi
đó hình ảnh tối thì ngược lại là do lượng tích điện thấp. Lượng điện
tích sau đó được di chuyển qua nhiều giai tầng nằm kế tiếp nhau bằng
bộ ghi dịch (shift registers) và đồng hồ tín hiệu (clock signal). Điểm
ảnh cuối cùng trong dãy pixels sẽ chuyển di điện tich vào bộ khuếch
đại điện tích (charge amplifier) và biến đổi điện tích sang dạng điện
áp. Tín hiệu analog dược đổi sang dạng thức digital (0’s hay 1’s)
[4-5].
3-1 Sự di chuyển điện tích giống như việc vận chuyển
những thùng hứng nước mưa trên hệ thống đai chuyền
Ở những vùng quê hẻo lánh xa thành phố, người ta
thường hứng nước mưa để uống và dùng trong việc nấu nướng vì chất
lượng nước mưa tương đối sạch và ít ô nhiễm so với nước giếng. Tùy
theo nhu cầu, nước mưa có thể hứng và xách từng thùng một vào nhà. Vì
một số lượng nước mưa bị đổ khi hứng và khi di chuyển từng thùng một ,
có nơi người dân sắp thành hàng dài chuyền những nước mưa ; công tác
này cần nhiều người tham dự nên đôi khi trở nên bất tiện. Tuy nhiên
lượng nước mưa vẫn mất vì đổ tháo; vã lại, tầm kích của thùng hứng bị
giới hạn vì nếu lớn quá, thùng sẽ nặng và ít ai mang đi nỗi. Thế nên
người ta nghĩ đến một phương sách cải thiện hơn để gia tăng hiệu xuất
và giảm thiểu lượng nước mưa bị mất: dùng hệ thống đai chuyền để di
chuyển những thùng nước mưa! Chúng ta có thể dùng hình ảnh di chuyển
này để diễn tả sự di chuyến điện tích trong CCD imager. Một số pixels
được sắp đặt trên một vùng hình vuông hay hình chữ nhật. Nước mưa
tượng trưng cho quang tử hay điện tích và thùng chứa tương đương với
điểm ảnh (pixels). Lúc đầu các thùng nước trống không và sau đó hứng
nước mưa tương đương với khi tấm silíc CCD được phơi bày dưới ánh sáng
(luồng quang tử). Một khi ngừng nhận nước mưa (tương đương với thời
điểm một phần của tấm CCD bị che khuất bởi màn chắn sáng), những đai
chuyền bắt đầu di động và chuyển những thùng chứa nước mưa, từng thùng
một, đến ống đo nằm ở góc phải phía dưới của tấm CCD . Nước mưa được
hứng ở những chiếc thùng với những lượng khác nhau; tương tư như lượng
điện tích tích tụ ở mảng lưới giếng điện thế tùy theo điện thế áp đặt
. Những chiếc thùng này di chuyển trên những đai chuyền xếp theo hàng
dọc rồi đổ vào những chiếc thùng trống theo hàng ngang trước khi đưa
đến ống đo . Tỉ số của lượng nước mưa nhận được khi đến ống đo và
lượng nước mưa hứng lúc ban đầu tương đương với hiệu xuất di chuyển
(hay transfer efficiency của CCDs) và thời gian di chuyển cùng một
lượng nước có thể giảm thiểu bằng cách gia tăng tầm kích của thùng
chứa (tương đương với binning format trong CCDs). Tiến trình này cứ
tiếp tục cho đến khi lượng mưa của tất cả những chiếc thùng được
chuyển dịch và đo lường. Sau khi đo xong, chu kỳ một được hoàn tất,
ống đo trở nên trống và chu kỳ kế tiếp bắt đầu.
 

Hình 7. Cấu trúc tổng quát của CCD với giếng điện
thế tạo nên do áp đặt điện thế khác nhau (hai hình trên) và giếng điện
thế được hình dung như những thùng chứa nước mưa (quang tử) chuyển
động trên vòng đai di chuyển theo hàng dọc (vertical conveyor) và hàng
ngang (horizontal conveyor). Bộ khuyếch đại (output amplifier) nằm ở
góc bên phải phía dưới của hình tương đương với ống đo ( measuring
cylinder) dùng để thu thập quang tử giống như thu thập lượng nước mưa
hứng được trong những thùng chưa nước. Linh kiện điện tử CCD ở đây có
cấu trúc p-n với lớp oxide và điện cực. Hình bầu dục màu đỏ ở hình bên
trái hàng trên cùng diễn tả gói điện tích (charge packet).

Hình 8 a. Sự di chuyển những thùng chứa nước (quang
tử) trên những đai chuyền.Trong hình này, những thùng chưa nước mưa di
chuyển theo hướng từ hình bên trái sang hình bên phải và từ hàng trên
xuống hàng dưới cùng cho đến khi đến ống đo (đánh với dấu giống chữ I)
dùng để thu thập nước mưa vá đưa ra ngoài để đo lường và xử
lý [6].

Hình 8b. Sự di chuyển những thùng chưa nước (quang
tử) trên những vòng đai. Ống đo (với chữ I) dùng để thu thập nước vá
đưa ra ngoài để đo lường và xử ly. (tiếp tục)
3-2 Hệ đọc ra (Read-out)
Cơ cấu hoạt động của CCDs có thể cắt nghĩa rõ ràng
hơn bằng cách tham khảo Hình 7 ở trên . Hạt electrons trong giếng điện
thế được biểu hiền bằng màu xanh.nơi điện thế dương (+1V). Khi điện
thế được áp đặt ở điểm ảnh (pixel) kế tiếp cao , hạt electrons bắt đầu
di chuyển theo cùng chiều hướng cho đến khi điện thế ở điện cực gate
trở về 0V và quá trình chuyển dịch hạt electrons sang pixel bên cạnh
hoàn thành. Hạt electrons có thể chuyển dịch theo hai hướng gọi là di
chuyển song song (parallel direction) và di chuyển nối tiếp (serial
direction) và hướng gói hạt điện tử (electron packets) về phía hệ đọc
ra và đo lường (read-out and measurement electronics).

Hình 9. Di chuyển điện tích bằng cách thay đổi cách
áp đặt điện thế vào ba điện cực Ф1, Ф2 và Ф3 dành cho mỗi pixel. Lát
thời gian (time slice) diễn tả bằng hình chữ nhật tô màu xám trong
những hình bên phải dùng để chỉ định vị trí nơi điện thế được áp đặt.
Độc giả cũng có thể đối chiếu sự tương đương giữa những đường màu đỏ ở
hình bên trái với điện thế dương ở hình bên phải [6].

Hình 9. Di chuyển điện tích bằng cách
áp đặt điện thế [tiếp tục]
3-3 Hiệu xuất di chuyển (transfer efficiency)
Khi chuyển di những thùng chứa nước mưa trên, hai sự
kiện có thể xảy ra : (i) thùng nước có thể bị rò rỉ và (ii) nước còn
lại trong thùng mỗi khi đổ nước sang một thùng khác. Cả hai đều ảnh
hưởng đến hiệu xuất thu nhập nước mưa (hay quang tử). Giờ trở lại
trường hợp của CCDs. Sự mất mát điện tích có thể ảnh hưởng đến hiệu
xuất chuyển di (transfer efficiency) η của CCD. Thí dụ như trường hợp
của CCDs ban đầu có 100 x 100 pixel array (10.000 pixels). Thùng
“nước” ở cột trên của hàng bên trái sẽ di chuyển 100+100= 200 lần
trước khi đến ống đo nằm ở góc cuối cùng vào hàng bên phải. Thế nên,
phần trăm lượng nước thu thập được ở ống đo là η200 . Với hiệu xuất
chuyển di
η=0.999 (thông thường với những CCDs ban đầu), tỉ số
lượng nước còn lại trong thùng khi đến hàng cuối cùng ở góc bên phải
của Hình 8 chỉ còn lại 81.8% lượng nước mưa ban đầu [3]:
0.999200 = 81.8 %
Đây là một yếu điểm chính giới hạn hiệu xuất của
CCDs nhất là khi số pixels gia tăng quá nhiều như trong trường họp
linh kiện CCDs hiện tại. Với sự cải thiện vượt bực về kỹ thuật chế tạo
và phân tích lý luận , CCDs hiện đại có hiệu xuất chuyển di η
>99.995%, cần thiết cho một mạng với 2000 x 2000 pixels. If η chỉ có
0.999 như những CCDs ban đầu , hiệu xuất di chuyển của mạng 2,000 x
2,000 pixels này là 1.82% (.9994000 = 1.82%). Có nghĩa là hầu như
không còn nước mưa trong thùng chứa khi chuyển vận đến ống chứa để đưa
ra ngoài!
3-4 CCD Formats
Dạng hình chữ nhật mà chúng ta thường thấy ở CCDs
bắt nguồn từ khuôn khổ của video tube camera.- một linh kiện điện tử
của Bell Labs vào thập niên 60s. Nên nhớ là đơn vị “inch” trong những
dạng thức (formats) này không tương đương trực tiếp với tầm kích của
CCDs., nhưng đúng ra là dựa vào diện tích “vùng quét” trên bề mặt của
video tube tròn. Thí dụ một linh kiện CCD với tầm kích “1 inch” có
đường chéo 16 milimet (hay mm), tương đương với một vùng hình chữ nhật
có tầm kích 9.6 x 12.8 milimet. (theo hệ thức Pitago: 9.62 + 12.82 =
256 = 162 ). Con số “1 inch” này phát sinh từ một “vùng quét-scanned
area” của 1-inch vidicon tube với đường kính ngài 25.4 mm và một
“input window” bên trong có đường kính khoảng 18 mm . Tương tự như vậy,
CCD phổ biến hiện tại với dạng thức 2/3 với một mạng 768x 480 pixels
và một tầm kích 8.8 x 6.6 milimet (tương đương với đường chéo 11-
milimet, i.e., 8.82 + 6.62 = 121= 112). Thường thì khả năng chứa hạt
electrons của mỗi giếng điện thế trong CCD có thể ước lượng bằng cách
nhân tích số của chiều dài và chiều rộng của mỗi pixel trên CCD với
1,000. Thí dụ như đối với 2/3-inch CCDs với pixel có tầm kích nằm
trong khoảng từ 7 tới 13 micromet (μm) có thể chưa từ 50,000 đến
100,000 electrons (i.e 7x13x1,000= 91,000 electrons). Dùng phương pháp
ước đoán này, một pixel có tầm kích 10x10 micromet sẽ có một giếng
điện thế với khả năng chứa khoảng chừng 100,000 electrons ở mức đầy.


Hình 10. CCDs với những dạng thức
khác nhau [6]
4. Kết từ
Trong bài viết này, chúng tôi chỉ trình bày một cách
sơ lược bằng cách dùng hình tượng thùng hứng nước mưa để cắt nghĩa sự
chuyển di điện tích trong những giếng điện thế gây ra bởi sự áp đặt
điện thế khác nhau. Nước mưa ở đây tượng trưng cho quang tử chiếu trên
bề mặt của tấm silíc CCD. Vì phải chuyển di từng pixel một trong CCDs,
nên hiệu xuất chuyển đi trở thành yếu tố rất quan trọng; đòi hỏi tấm
silíc với phẩm chất rất tốt. Vì thế giá thành sẽ cao hơn so với những
linh kiện imaging khác như CMOS. Về những chi tiết về CCDs, quí độc
giả có thể tham khảo nhiều tài liệu trong Internet và thư viện.
5. Tài liệu tham khảo
[1] www.scenicreflections.com
[2] R.F. Pierret: Semiconductor device fundamentalsAddison Wesley Publishing Inc., 199
[3] Nang Tran: Introduction to semiconductors. U of
M.
[4] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Nobel-Prizes-Part-5-2016.htm
[5] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Nobel-Prizes-Part-6-2016.htm
[6] http://machinedesign.com/technologies/sensor-sense-charge-coupled-devices.
Philippe Feautrier@obs.ujf-grenoble.fr
|