Dispositivo acoplado por carga

Un dispositivo acoplado por carga ( CCD ) es un circuito integrado que contiene una serie de condensadores enlazados o acoplados . Bajo el control de un circuito externo, cada condensador puede transferir su carga eléctrica a un condensador vecino. Los sensores CCD son una tecnología importante utilizada en la creación de imágenes digitales .

En un sensor de imagen CCD , los píxeles están representados por condensadores de metal-óxido-semiconductor (MOS) dopados con p . Estos condensadores MOS , los componentes básicos de un CCD, ^[1] están polarizados por encima del umbral de inversión cuando comienza la adquisición de la imagen, lo que permite la conversión de fotones entrantes en cargas de electrones en la interfaz semiconductor-óxido; luego, el CCD se utiliza para leer estas cargas.

Aunque los CCD no son la única tecnología que permite la detección de luz, los sensores de imagen CCD se utilizan ampliamente en aplicaciones profesionales, médicas y científicas donde se requieren datos de imágenes de alta calidad.

En aplicaciones con exigencias de calidad menos exigentes, como cámaras digitales de consumo y profesionales , se utilizan generalmente sensores de píxeles activos , también conocidos como sensores CMOS (sensores MOS complementarios).

Sin embargo, la gran ventaja de calidad que disfrutaron los CCD al principio se ha reducido con el tiempo y desde finales de la década de 2010 los sensores CMOS son la tecnología dominante, habiendo reemplazado en gran medida, si no completamente, a los sensores de imagen CCD.

La base del CCD es la estructura de metal-óxido-semiconductor (MOS), ^[2] siendo los capacitores MOS los bloques básicos de construcción de un CCD, ^{[1] [3]} y una estructura MOS empobrecida utilizada como fotodetector en los primeros dispositivos CCD. ^{[2] [4]}

A finales de los años 60, Willard Boyle y George E. Smith , de los Laboratorios Bell, investigaban la tecnología MOS mientras trabajaban en la memoria de burbuja de semiconductores . Se dieron cuenta de que una carga eléctrica era la analogía de la burbuja magnética y que podía almacenarse en un diminuto condensador MOS. Como era bastante sencillo fabricar una serie de condensadores MOS en fila, les conectaron un voltaje adecuado para que la carga pudiera pasar de uno a otro. ^[3] Esto condujo a la invención del dispositivo acoplado por carga por parte de Boyle y Smith en 1969. Concibieron el diseño de lo que denominaron, en su cuaderno, "dispositivos de 'burbuja' de carga". ^{[5] [6]}

El artículo inicial que describía el concepto en abril de 1970 enumeraba posibles usos como memoria , línea de retardo y dispositivo de imágenes. ^[7] El dispositivo también podría usarse como registro de desplazamiento . La esencia del diseño era la capacidad de transferir carga a lo largo de la superficie de un semiconductor desde un condensador de almacenamiento al siguiente. El concepto era similar en principio al dispositivo de brigada de cubos (BBD), que se desarrolló en Philips Research Labs a fines de la década de 1960.

El primer dispositivo experimental que demostró el principio fue una fila de cuadrados de metal muy espaciados sobre una superficie de silicio oxidado a la que se accedía eléctricamente mediante enlaces de cables. Fue demostrado por Gil Amelio , Michael Francis Tompsett y George Smith en abril de 1970. ^[8] Esta fue la primera aplicación experimental del CCD en la tecnología de sensores de imagen y utilizó una estructura MOS agotada como fotodetector. ^[2] La primera patente ( patente estadounidense 4.085.456 ) sobre la aplicación de CCD a la formación de imágenes fue asignada a Tompsett, quien presentó la solicitud en 1971. ^[9]

El primer CCD funcional fabricado con tecnología de circuito integrado fue un simple registro de desplazamiento de 8 bits, informado por Tompsett, Amelio y Smith en agosto de 1970. ^[10] Este dispositivo tenía circuitos de entrada y salida y se utilizó para demostrar su uso como registro de desplazamiento y como un dispositivo de imágenes lineales de ocho píxeles rudimentario . El desarrollo del dispositivo progresó a un ritmo rápido. En 1971, los investigadores de Bell dirigidos por Michael Tompsett pudieron capturar imágenes con dispositivos lineales simples. ^[11] Varias empresas, incluidas Fairchild Semiconductor , RCA y Texas Instruments , retomaron la invención y comenzaron programas de desarrollo. El esfuerzo de Fairchild, dirigido por el ex investigador de Bell Gil Amelio, fue el primero con dispositivos comerciales, y en 1974 tenía un dispositivo lineal de 500 elementos y un dispositivo 2D de 100 × 100 píxeles. Peter Dillon, un científico de Kodak Research Labs, inventó el primer sensor de imagen CCD en color superponiendo una matriz de filtros de color en este CCD Interline de 100 x 100 píxeles de Fairchild a partir de 1974. ^[12] Steven Sasson , un ingeniero eléctrico que trabajaba para la División de Aparatos de Kodak , inventó una cámara digital fija usando este mismo CCD Fairchild de 100 × 100 en 1975. ^[13]

El dispositivo CCD de transferencia interlineal (ILT) fue propuesto por L. Walsh y R. Dyck en Fairchild en 1973 para reducir las manchas y eliminar un obturador mecánico . Para reducir aún más las manchas de las fuentes de luz brillante, K. Horii, T. Kuroda y T. Kunii desarrollaron la arquitectura CCD de transferencia interlineal de fotogramas (FIT) en Matsushita (ahora Panasonic) en 1981. ^[2]

El primer satélite de reconocimiento KH-11 KENNEN equipado con tecnología de matriz de dispositivos acoplados por carga ( 800 × 800 píxeles) ^{[ cita requerida ]} para imágenes se lanzó en diciembre de 1976. ^[14] Bajo el liderazgo de Kazuo Iwama , Sony inició un gran esfuerzo de desarrollo de CCD que implicó una inversión significativa. Finalmente, Sony logró producir CCD en masa para sus videocámaras . Antes de que esto sucediera, Iwama murió en agosto de 1982. Posteriormente, se colocó un chip CCD en su lápida para reconocer su contribución. ^{[15] La primera} cámara de video CCD de consumo producida en masa , la CCD-G5, fue lanzada por Sony en 1983, basada en un prototipo desarrollado por Yoshiaki Hagiwara en 1981. ^[16]

Los primeros sensores CCD sufrían de retardo de obturación . Esto se resolvió en gran medida con la invención del fotodiodo fijado (PPD). ^[2] Fue inventado por Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki y Yasuo Ishihara en NEC en 1980. ^{[2] [17]} Reconocieron que el retardo se puede eliminar si los portadores de señal se podían transferir del fotodiodo al CCD. Esto condujo a su invención del fotodiodo fijado, una estructura de fotodetector con bajo retardo, bajo ruido , alta eficiencia cuántica y baja corriente oscura . ^[2] Fue informado públicamente por primera vez por Teranishi e Ishihara con A. Kohono, E. Oda y K. Arai en 1982, con la adición de una estructura anti-floración. ^{[2] [18]} La nueva estructura de fotodetector inventada en NEC recibió el nombre de "fotodiodo pinned" (PPD) por parte de BC Burkey en Kodak en 1984. En 1987, el PPD comenzó a incorporarse en la mayoría de los dispositivos CCD, convirtiéndose en un elemento fijo en las cámaras de vídeo electrónicas de consumo y luego en las cámaras fotográficas digitales . Desde entonces, el PPD se ha utilizado en casi todos los sensores CCD y luego en los sensores CMOS . ^[2]

En enero de 2006, Boyle y Smith recibieron el Premio Charles Stark Draper de la Academia Nacional de Ingeniería , ^[19] y en 2009 recibieron el Premio Nobel de Física ^[20] por su invención del concepto CCD. Michael Tompsett recibió la Medalla Nacional de Tecnología e Innovación de 2010 por su trabajo pionero y tecnologías electrónicas, incluido el diseño y desarrollo de los primeros generadores de imágenes CCD. También recibió la Medalla Edison del IEEE de 2012 por "contribuciones pioneras a los dispositivos de imágenes, incluidos los generadores de imágenes CCD, las cámaras y los generadores de imágenes térmicas".

En un CCD para capturar imágenes, hay una región fotoactiva (una capa epitaxial de silicio) y una región de transmisión formada por un registro de desplazamiento (el CCD, propiamente dicho).

Se proyecta una imagen a través de una lente sobre el conjunto de condensadores (la región fotoactiva), lo que hace que cada condensador acumule una carga eléctrica proporcional a la intensidad de la luz en esa ubicación. Un conjunto unidimensional, utilizado en cámaras de barrido lineal, captura una única porción de la imagen, mientras que un conjunto bidimensional, utilizado en cámaras de vídeo y de fotografía, captura una imagen bidimensional correspondiente a la escena proyectada sobre el plano focal del sensor. Una vez que el conjunto ha sido expuesto a la imagen, un circuito de control hace que cada condensador transfiera su contenido a su vecino (operando como un registro de desplazamiento). El último condensador del conjunto descarga su carga en un amplificador de carga , que convierte la carga en un voltaje . Al repetir este proceso, el circuito de control convierte todo el contenido del conjunto en el semiconductor en una secuencia de voltajes. En un dispositivo digital, estos voltajes se muestrean, se digitalizan y, por lo general, se almacenan en la memoria; En un dispositivo analógico (como una cámara de vídeo analógica), se procesan en una señal analógica continua (por ejemplo, alimentando la salida del amplificador de carga a un filtro de paso bajo), que luego se procesa y se envía a otros circuitos para su transmisión, grabación u otro procesamiento. ^[21]

Antes de que los condensadores MOS se expongan a la luz, se polarizan en la región de agotamiento; en los CCD de canal n, el silicio debajo de la compuerta de polarización está ligeramente dopado con p o intrínseco. Luego, la compuerta se polariza a un potencial positivo, por encima del umbral de inversión fuerte, lo que eventualmente dará como resultado la creación de un canal n debajo de la compuerta como en un MOSFET . Sin embargo, lleva tiempo alcanzar este equilibrio térmico: hasta horas en cámaras científicas de alta gama enfriadas a baja temperatura. ^[22] Inicialmente, después de la polarización, los huecos son empujados hacia el sustrato y no hay electrones móviles en la superficie o cerca de ella; el CCD, por lo tanto, opera en un estado de no equilibrio llamado agotamiento profundo. ^[23] Luego, cuando se generan pares electrón-hueco en la región de agotamiento, se separan por el campo eléctrico, los electrones se mueven hacia la superficie y los huecos se mueven hacia el sustrato. Se pueden identificar cuatro procesos de generación de pares:

• fotogeneración (hasta el 95% de eficiencia cuántica ),
• generación en la región de agotamiento,
• generación en la superficie, y
• Generación en el volumen neutro.

Los últimos tres procesos se conocen como generación de corriente oscura y añaden ruido a la imagen; pueden limitar el tiempo de integración total utilizable. La acumulación de electrones en la superficie o cerca de ella puede continuar hasta que finalice la integración de la imagen y comience a transferirse la carga, o hasta que se alcance el equilibrio térmico. En este caso, se dice que el pozo está lleno. La capacidad máxima de cada pozo se conoce como profundidad del pozo, ^[24] típicamente alrededor de 10 ⁵ electrones por píxel. ^[23] Los CCD normalmente son susceptibles a la radiación ionizante y a las partículas energéticas que provocan ruido en la salida del CCD, y esto debe tenerse en cuenta en los satélites que utilizan CCD. ^{[25] [26]}

La región fotoactiva de un CCD es, generalmente, una capa epitaxial de silicio . Está ligeramente dopada con p (normalmente con boro ) y se cultiva sobre un material de sustrato , a menudo p++. En los dispositivos de canal enterrado, el tipo de diseño utilizado en la mayoría de los CCD modernos, ciertas áreas de la superficie del silicio están implantadas con iones de fósforo , lo que les da una designación de dopado n. Esta región define el canal en el que viajarán los paquetes de carga fotogenerados. Simon Sze detalla las ventajas de un dispositivo de canal enterrado: ^[23]

Esta capa delgada (= 0,2–0,3 micrones) se agota por completo y la carga fotogenerada acumulada se mantiene alejada de la superficie. Esta estructura tiene las ventajas de una mayor eficiencia de transferencia y una corriente oscura más baja, debido a una recombinación superficial reducida. La desventaja es una capacidad de carga menor, por un factor de 2–3 en comparación con el CCD de canal superficial.

El óxido de la compuerta, es decir, el dieléctrico del condensador , se cultiva sobre la capa epitaxial y el sustrato.

Más adelante en el proceso, se depositan compuertas de polisilicio mediante deposición química de vapor , se modelan con fotolitografía y se graban de tal manera que las compuertas en fases independientes se encuentran perpendiculares a los canales. Los canales se definen aún más mediante la utilización del proceso LOCOS para producir la región de detención del canal .

Los topes de canal son óxidos generados térmicamente que sirven para aislar los paquetes de carga de una columna de los de otra. Estos topes de canal se producen antes que las compuertas de polisilicio, ya que el proceso LOCOS utiliza un paso de alta temperatura que destruiría el material de la compuerta. Los topes de canal son paralelos a las regiones del canal o "portadoras de carga" y no pertenecen a ellas.

Los canales suelen tener una región dopada con p+ debajo, lo que proporciona una barrera adicional a los electrones en los paquetes de carga (este análisis de la física de los dispositivos CCD supone un dispositivo de transferencia de electrones , aunque la transferencia de huecos es posible).

La sincronización de las compuertas, alternativamente alta y baja, polarizará en forma directa e inversa el diodo que proporcionan el canal enterrado (dopado con n) y la capa epitaxial (dopado con p). Esto hará que el CCD se agote cerca de la unión p–n y recogerá y moverá los paquetes de carga debajo de las compuertas (y dentro de los canales) del dispositivo.

La fabricación y el funcionamiento de los CCD se pueden optimizar para distintos usos. El proceso anterior describe un CCD de transferencia de trama. Si bien los CCD se pueden fabricar en una oblea p++ muy dopada, también es posible fabricar un dispositivo dentro de pozos p que se han colocado en una oblea n. Este segundo método, según se informa, reduce las manchas, la corriente oscura y la respuesta infrarroja y roja. Este método de fabricación se utiliza en la construcción de dispositivos de transferencia entre líneas.

Otra versión del CCD se denomina CCD peristáltico. En un dispositivo peristáltico acoplado a carga, la operación de transferencia de paquetes de carga es análoga a la contracción y dilatación peristálticas del sistema digestivo . El CCD peristáltico tiene un implante adicional que mantiene la carga alejada de la interfaz de silicio/ dióxido de silicio y genera un gran campo eléctrico lateral de una compuerta a la siguiente. Esto proporciona una fuerza impulsora adicional para ayudar en la transferencia de los paquetes de carga.

Los sensores de imagen CCD se pueden implementar en varias arquitecturas diferentes. Las más comunes son la de fotograma completo, la de transferencia de fotogramas y la interlineal. La característica distintiva de cada una de estas arquitecturas es su enfoque del problema del obturador.

En un dispositivo de fotograma completo, toda el área de la imagen está activa y no hay obturador electrónico. Se debe agregar un obturador mecánico a este tipo de sensor o la imagen se difumina cuando se registra o lee el dispositivo.

En un CCD de transferencia de fotogramas, la mitad del área de silicio está cubierta por una máscara opaca (normalmente de aluminio). La imagen se puede transferir rápidamente desde el área de imagen al área opaca o región de almacenamiento con una difuminación aceptable de un pequeño porcentaje. Luego, esa imagen se puede leer lentamente desde la región de almacenamiento mientras se integra o expone una nueva imagen en el área activa. Los dispositivos de transferencia de fotogramas normalmente no requieren un obturador mecánico y eran una arquitectura común para las primeras cámaras de transmisión de estado sólido. La desventaja de la arquitectura de transferencia de fotogramas es que requiere el doble de espacio de silicio que un dispositivo de fotograma completo equivalente; por lo tanto, cuesta aproximadamente el doble.

La arquitectura interlineal extiende este concepto un paso más allá y enmascara cada una de las demás columnas del sensor de imagen para su almacenamiento. En este dispositivo, solo se debe producir un desplazamiento de píxel para transferir desde el área de imagen al área de almacenamiento; por lo tanto, los tiempos de obturación pueden ser inferiores a un microsegundo y se eliminan esencialmente las manchas. Sin embargo, la ventaja no es gratuita, ya que el área de imagen ahora está cubierta por tiras opacas que reducen el factor de relleno a aproximadamente el 50 por ciento y la eficiencia cuántica efectiva en una cantidad equivalente. Los diseños modernos han abordado esta característica perjudicial agregando microlentes en la superficie del dispositivo para dirigir la luz lejos de las regiones opacas y hacia el área activa. Las microlentes pueden hacer que el factor de relleno vuelva a ser del 90 por ciento o más, dependiendo del tamaño del píxel y del diseño óptico general del sistema.

La elección de la arquitectura depende de la utilidad. Si la aplicación no puede tolerar un obturador mecánico costoso, propenso a fallas y que consume mucha energía, un dispositivo interlineal es la opción correcta. Las cámaras instantáneas de consumo han utilizado dispositivos interlineales. Por otro lado, para aquellas aplicaciones que requieren la mejor recolección de luz posible y las cuestiones de dinero, energía y tiempo son menos importantes, el dispositivo de fotograma completo es la opción correcta. Los astrónomos tienden a preferir los dispositivos de fotograma completo. La transferencia de fotogramas se encuentra en el medio y era una opción común antes de que se abordara el problema del factor de relleno de los dispositivos interlineales. Hoy en día, la transferencia de fotogramas generalmente se elige cuando no se dispone de una arquitectura interlineal, como en un dispositivo retroiluminado.

Los CCD que contienen cuadrículas de píxeles se utilizan en cámaras digitales , escáneres ópticos y cámaras de vídeo como dispositivos de detección de luz. Por lo general, responden al 70 por ciento de la luz incidente (lo que significa una eficiencia cuántica de aproximadamente el 70 por ciento), lo que los hace mucho más eficientes que la película fotográfica , que captura solo alrededor del 2 por ciento de la luz incidente.

Los tipos más comunes de CCD son sensibles a la luz infrarroja cercana, lo que permite la fotografía infrarroja , los dispositivos de visión nocturna y la grabación de video/fotografía con lux cero (o casi cero lux). Para los detectores normales basados ​​en silicio, la sensibilidad está limitada a 1,1 μm. Otra consecuencia de su sensibilidad a los infrarrojos es que los infrarrojos de los controles remotos a menudo aparecen en las cámaras digitales o videocámaras basadas en CCD si no tienen bloqueadores de infrarrojos.

El enfriamiento reduce la corriente oscura del conjunto , mejorando la sensibilidad del CCD a intensidades de luz bajas, incluso para longitudes de onda ultravioleta y visible. Los observatorios profesionales suelen enfriar sus detectores con nitrógeno líquido para reducir la corriente oscura y, por lo tanto, el ruido térmico , a niveles insignificantes.

El sensor CCD de transferencia de fotogramas fue la primera estructura de imagen propuesta para la obtención de imágenes CCD por Michael Tompsett en los Laboratorios Bell. Un CCD de transferencia de fotogramas es un CCD especializado, que se utiliza a menudo en astronomía y en algunas cámaras de vídeo profesionales , diseñado para lograr una alta precisión y eficiencia de exposición.

El funcionamiento normal de un CCD, astronómico o de otro tipo, se puede dividir en dos fases: exposición y lectura. Durante la primera fase, el CCD recoge pasivamente los fotones entrantes , almacenando electrones en sus celdas. Una vez transcurrido el tiempo de exposición, las celdas se leen una línea a la vez. Durante la fase de lectura, las celdas se desplazan hacia abajo por toda el área del CCD. Mientras se desplazan, continúan recogiendo luz. Por lo tanto, si el desplazamiento no es lo suficientemente rápido, pueden producirse errores debido a la luz que incide sobre una celda que mantiene la carga durante la transferencia. Estos errores se denominan "manchas verticales" y hacen que una fuente de luz intensa cree una línea vertical por encima y por debajo de su ubicación exacta. Además, el CCD no se puede utilizar para recoger luz mientras se está leyendo. Un desplazamiento más rápido requiere una lectura más rápida, y una lectura más rápida puede introducir errores en la medición de la carga de la celda, lo que genera un mayor nivel de ruido.

Un CCD de transferencia de imágenes resuelve ambos problemas: tiene una zona protegida, no sensible a la luz, que contiene tantas células como el área expuesta a la luz. Normalmente, esta zona está cubierta por un material reflectante como el aluminio. Cuando se acaba el tiempo de exposición, las células se transfieren muy rápidamente al área oculta. Aquí, a salvo de cualquier luz entrante, las células pueden leerse a cualquier velocidad que se considere necesaria para medir correctamente la carga de las células. Al mismo tiempo, la parte expuesta del CCD vuelve a recoger luz, por lo que no se produce ningún retraso entre exposiciones sucesivas.

La desventaja de este tipo de CCD es su mayor coste: el área de la celda prácticamente se duplica y se necesita una electrónica de control más compleja.

Un dispositivo de carga acoplada intensificada (ICCD) es un CCD que está conectado ópticamente a un intensificador de imágenes que está montado delante del CCD.

Un intensificador de imagen incluye tres elementos funcionales: un fotocátodo , una placa de microcanales (MCP) y una pantalla de fósforo . Estos tres elementos están montados uno detrás del otro en la secuencia mencionada. Los fotones que provienen de la fuente de luz caen sobre el fotocátodo, generando así fotoelectrones. Los fotoelectrones son acelerados hacia el MCP mediante un voltaje de control eléctrico, aplicado entre el fotocátodo y el MCP. Los electrones se multiplican dentro del MCP y luego se aceleran hacia la pantalla de fósforo. La pantalla de fósforo finalmente convierte los electrones multiplicados nuevamente en fotones que son guiados hacia el CCD por una fibra óptica o una lente.

Un intensificador de imagen incluye inherentemente una función de obturador : si se invierte el voltaje de control entre el fotocátodo y el MCP, los fotoelectrones emitidos no se aceleran hacia el MCP, sino que regresan al fotocátodo. Por lo tanto, el MCP no multiplica ni emite electrones, no va ningún electrón a la pantalla de fósforo y el intensificador de imagen no emite luz. En este caso, no incide luz sobre el CCD, lo que significa que el obturador está cerrado. El proceso de invertir el voltaje de control en el fotocátodo se denomina activación por compuerta y, por lo tanto, los ICCD también se denominan cámaras CCD activables por compuerta.

Además de la altísima sensibilidad de las cámaras ICCD, que permiten la detección de fotones individuales, la capacidad de detección es una de las principales ventajas de las cámaras ICCD con respecto a las cámaras EMCCD. Las cámaras ICCD de mayor rendimiento permiten tiempos de obturación de tan solo 200 picosegundos .

Las cámaras ICCD son, en general, algo más caras que las cámaras EMCCD porque necesitan un intensificador de imágenes costoso. Por otro lado, las cámaras EMCCD necesitan un sistema de refrigeración para enfriar el chip EMCCD a temperaturas de alrededor de 170  K (−103  °C ). Este sistema de refrigeración añade costes adicionales a la cámara EMCCD y, a menudo, produce graves problemas de condensación en la aplicación.

Los ICCD se utilizan en dispositivos de visión nocturna y en diversas aplicaciones científicas.

Un CCD multiplicador de electrones (EMCCD, también conocido como L3Vision CCD, un producto comercializado por e2v Ltd., GB, L3CCD o Impactron CCD, un producto ahora descontinuado ofrecido en el pasado por Texas Instruments) es un dispositivo acoplado a carga en el que se coloca un registro de ganancia entre el registro de desplazamiento y el amplificador de salida. El registro de ganancia se divide en una gran cantidad de etapas. En cada etapa, los electrones se multiplican por ionización de impacto de manera similar a un diodo de avalancha . La probabilidad de ganancia en cada etapa del registro es pequeña ( P < 2 %), pero como el número de elementos es grande (N > 500), la ganancia general puede ser muy alta ( ), con electrones de entrada únicos que dan muchos miles de electrones de salida. La lectura de una señal de un CCD da un fondo de ruido, típicamente unos pocos electrones. En un EMCCD, este ruido se superpone a muchos miles de electrones en lugar de a un solo electrón; La principal ventaja de estos dispositivos es que el ruido de lectura es insignificante. El uso de la ruptura por avalancha para la amplificación de las cargas fotoeléctricas ya había sido descrito en la patente estadounidense 3.761.744 de 1973 por George E. Smith/Bell Telephone Laboratories.$Estilo de visualización g=(1+P)^{N}}$

Los EMCCD muestran una sensibilidad similar a los CCD intensificados (ICCD). Sin embargo, al igual que con los ICCD, la ganancia que se aplica en el registro de ganancia es estocástica y es imposible saber la ganancia exacta que se ha aplicado a la carga de un píxel. Con ganancias altas (> 30), esta incertidumbre tiene el mismo efecto en la relación señal-ruido (SNR) que reducir a la mitad la eficiencia cuántica (QE) con respecto al funcionamiento con una ganancia de la unidad. Este efecto se conoce como factor de ruido excesivo (ENF). Sin embargo, con niveles de luz muy bajos (donde la eficiencia cuántica es más importante), se puede suponer que un píxel contiene un electrón o no. Esto elimina el ruido asociado con la multiplicación estocástica con el riesgo de contar múltiples electrones en el mismo píxel como un solo electrón. Para evitar múltiples conteos en un píxel debido a fotones coincidentes en este modo de funcionamiento, son esenciales altas velocidades de cuadro. La dispersión en la ganancia se muestra en el gráfico de la derecha. Para registros de multiplicación con muchos elementos y grandes ganancias, se modela bien mediante la ecuación:

$${\displaystyle P\left(n\right)={\frac {\left(n-m+1\right)^{m-1}}{\left(m-1\right)!\left(g-1+{\frac {1}{m}}\right)^{m}}}\exp \left(-{\frac {n-m+1}{g-1+{\frac {1}{m}}}}\right)\quad {\text{ si }}n\geq m}$$donde P es la probabilidad de obtener n electrones de salida dados m electrones de entrada y una ganancia media total del registro de multiplicación de g . Para cantidades muy grandes de electrones de entrada, esta función de distribución compleja converge hacia una gaussiana.

Debido a los menores costos y la mejor resolución, los EMCCD pueden reemplazar a los ICCD en muchas aplicaciones. Los ICCD aún tienen la ventaja de que se pueden activar muy rápidamente y, por lo tanto, son útiles en aplicaciones como la obtención de imágenes con activación por rango . Las cámaras EMCCD necesitan indispensablemente un sistema de enfriamiento (que utilice enfriamiento termoeléctrico o nitrógeno líquido) para enfriar el chip a temperaturas en el rango de −65 a −95 °C (−85 a −139 °F). Este sistema de enfriamiento agrega costos adicionales al sistema de obtención de imágenes EMCCD y puede generar problemas de condensación en la aplicación. Sin embargo, las cámaras EMCCD de alta gama están equipadas con un sistema de vacío hermético permanente que confina el chip para evitar problemas de condensación.

Las capacidades de baja luminosidad de los EMCCD se utilizan en astronomía y en investigación biomédica, entre otros campos. En particular, su bajo nivel de ruido a altas velocidades de lectura los hace muy útiles para una variedad de aplicaciones astronómicas que involucran fuentes de baja luminosidad y eventos transitorios, como la obtención de imágenes afortunadas de estrellas débiles, la fotometría de conteo de fotones de alta velocidad , la espectroscopia Fabry-Pérot y la espectroscopia de alta resolución. Más recientemente, estos tipos de CCD han irrumpido en el campo de la investigación biomédica en aplicaciones con baja luminosidad, incluidas la obtención de imágenes de animales pequeños , la obtención de imágenes de moléculas individuales , la espectroscopia Raman , la microscopía de súper resolución , así como una amplia variedad de técnicas modernas de microscopía de fluorescencia gracias a una mayor relación señal-ruido en condiciones de baja luminosidad en comparación con los CCD y los ICCD tradicionales.

En términos de ruido, las cámaras EMCCD comerciales suelen tener carga inducida por reloj (CIC) y corriente oscura (dependiente del grado de enfriamiento) que juntas dan lugar a un ruido de lectura efectivo que oscila entre 0,01 y 1 electrón por píxel leído. Sin embargo, las recientes mejoras en la tecnología EMCCD han dado lugar a una nueva generación de cámaras capaces de producir significativamente menos CIC, una mayor eficiencia de transferencia de carga y una ganancia EM 5 veces superior a la disponible anteriormente. Estos avances en la detección con poca luz dan lugar a un ruido de fondo total efectivo de 0,001 electrones por píxel leído, un nivel de ruido que ningún otro dispositivo de obtención de imágenes con poca luz iguala. ^[27]

Debido a la alta eficiencia cuántica de los dispositivos acoplados a carga (CCD) (la eficiencia cuántica ideal es del 100%, un electrón generado por fotón incidente), la linealidad de sus salidas, la facilidad de uso en comparación con las placas fotográficas y una variedad de otras razones, los CCD fueron adoptados muy rápidamente por los astrónomos para casi todas las aplicaciones de UV a infrarrojo.

El ruido térmico y los rayos cósmicos pueden alterar los píxeles del conjunto CCD. Para contrarrestar estos efectos, los astrónomos toman varias exposiciones con el obturador del CCD cerrado y abierto. El promedio de las imágenes tomadas con el obturador cerrado es necesario para reducir el ruido aleatorio. Una vez revelada, la imagen promedio del cuadro oscuro se resta de la imagen con el obturador abierto para eliminar la corriente oscura y otros defectos sistemáticos ( píxeles muertos , píxeles calientes, etc.) en el CCD. Los CCD Skipper más nuevos contrarrestan el ruido recopilando datos con la misma carga recopilada varias veces y tienen aplicaciones en búsquedas precisas de materia oscura y mediciones de neutrinos . ^{[28] [29] [30]}

El telescopio espacial Hubble , en particular, tiene una serie de pasos altamente desarrollados ("canalización de reducción de datos") para convertir los datos CCD sin procesar en imágenes útiles. ^[31]

Las cámaras CCD que se utilizan en astrofotografía suelen requerir monturas resistentes para soportar las vibraciones del viento y otras fuentes, además del enorme peso de la mayoría de las plataformas de captura de imágenes. Para tomar exposiciones prolongadas de galaxias y nebulosas, muchos astrónomos utilizan una técnica conocida como autoguiado . La mayoría de los autoguiados utilizan un segundo chip CCD para controlar las desviaciones durante la captura de imágenes. Este chip puede detectar rápidamente errores en el seguimiento y ordenar a los motores de la montura que los corrijan.

Una aplicación astronómica inusual de los CCD, llamada escaneo por deriva, utiliza un CCD para hacer que un telescopio fijo se comporte como un telescopio de seguimiento y siga el movimiento del cielo. Las cargas en el CCD se transfieren y leen en una dirección paralela al movimiento del cielo y a la misma velocidad. De esta manera, el telescopio puede obtener imágenes de una región del cielo más grande que su campo de visión normal. El Sloan Digital Sky Survey es el ejemplo más famoso de esto, utilizando la técnica para producir un estudio de más de una cuarta parte del cielo. El telescopio espacial Gaia es otro instrumento que opera en este modo, girando sobre su eje a una velocidad constante de 1 revolución en 6 horas y escaneando una franja de 360° por 0,5° en el cielo durante este tiempo; una estrella atraviesa todo el plano focal en aproximadamente 40 segundos (tiempo de exposición efectivo).

Además de los generadores de imágenes, los CCD también se utilizan en una variedad de instrumentos analíticos, incluidos espectrómetros ^[32] e interferómetros . ^[33]

Las cámaras digitales en color, incluidas las cámaras digitales en color de los teléfonos inteligentes, generalmente utilizan un sensor de imagen en color integral, ^[34] que tiene una matriz de filtros de color fabricada sobre los píxeles monocromáticos del CCD. El patrón CFA más popular se conoce como filtro Bayer , que lleva el nombre de su inventor, el científico de Kodak Bryce Bayer . En el patrón Bayer, cada cuadrado de cuatro píxeles tiene un rojo filtrado, uno azul y dos píxeles verdes (el ojo humano tiene mayor agudeza para la luminancia, que tiene un mayor peso en el verde que en el rojo o el azul). Como resultado, la información de luminancia se recopila en cada fila y columna utilizando un patrón de tablero de ajedrez, y la resolución de color es menor que la resolución de luminancia.

Se puede lograr una mejor separación de colores mediante dispositivos de tres CCD ( 3CCD ) y un prisma divisor de haz dicroico , que divide la imagen en componentes rojo , verde y azul . Cada uno de los tres CCD está dispuesto para responder a un color particular. Muchas videocámaras profesionales , y algunas videocámaras semiprofesionales, utilizan esta técnica, aunque los avances en la tecnología CMOS competidora han hecho que los sensores CMOS, tanto con divisores de haz como con filtros Bayer, sean cada vez más populares en las cámaras de cine digital y de vídeo de alta gama. Otra ventaja del 3CCD sobre un dispositivo de máscara Bayer es una mayor eficiencia cuántica (mayor sensibilidad a la luz), porque la mayor parte de la luz de la lente entra en uno de los sensores de silicio, mientras que una máscara Bayer absorbe una gran proporción (más de 2/3) de la luz que cae sobre cada ubicación de píxel.

En el caso de las escenas fijas, por ejemplo en el microscopio, la resolución de un dispositivo de máscara Bayer se puede mejorar mediante la tecnología de microescaneo . Durante el proceso de muestreo de color en el mismo sitio , se generan varios fotogramas de la escena. Entre las adquisiciones, el sensor se mueve en dimensiones de píxeles, de modo que cada punto del campo visual se adquiere consecutivamente mediante elementos de la máscara que son sensibles a los componentes rojo, verde y azul de su color. Finalmente, cada píxel de la imagen se ha escaneado al menos una vez en cada color y la resolución de los tres canales se vuelve equivalente (las resoluciones de los canales rojo y azul se cuadruplican mientras que la del canal verde se duplica).

Los sensores (CCD/CMOS) vienen en varios tamaños o formatos de sensor de imagen. Estos tamaños suelen denominarse con una designación de fracción de pulgada, como 1/1,8″ o 2/3″, denominada formato óptico . Esta medida se originó en la década de 1950 y en la época de los tubos Vidicon .

Cuando la exposición al CCD es lo suficientemente prolongada, los electrones que se acumulan en los "contenedores" de la parte más brillante de la imagen acabarán desbordándose, lo que dará lugar a una eclosión. La estructura del CCD permite que los electrones fluyan con mayor facilidad en una dirección que en otra, lo que da lugar a una formación de rayas verticales. ^{[35] [36] [37]}

Algunas características anti-floración que se pueden incorporar en un CCD reducen su sensibilidad a la luz al utilizar parte del área de píxeles para una estructura de drenaje. ^[38] James M. Early desarrolló un drenaje anti-floración vertical que no restaría valor al área de recolección de luz y, por lo tanto, no reducía la sensibilidad a la luz.

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