ચાર્જ કપલ્ડ ઉપકરણ (charge coupled device – CCD)

2012-01-06 01:55:00

ચાર્જ કપલ્ડ ઉપકરણ (charge coupled device – CCD) : અર્ધવાહકની સપાટી ઉપર તૈયાર કરેલા વિભવ-કૂપ(potential well)માં અલ્પાંશ વિદ્યુતભાર(minority charge)ને સંગ્રહ કરવા માટેની અર્ધવાહક પ્રયુક્તિ. પાસે પાસે હોય તેવા વિભવકૂપમાં વિદ્યુતભારને સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે. ઇલેક્ટ્રૉડની સપાટી ઉપર આપેલા વિદ્યુતદબાણ વડે વિભવ-કૂપને નિયંત્રિત કરે છે. વિભવ-કૂપ અસંતુલિત સ્થિતિ ધરાવે છે માટે ઉષ્માથી ઉદભવતા અલ્પાંશ વિદ્યુતભારથી તે ભરાય છે. સામાન્યત: વિભવ-કૂપને ભેગા જોડી દેવામાં આવે છે. તે વિસ્થાપન રજિસ્ટર તરીકે કામ કરે છે. ખસેડનાર (shift) રજિસ્ટર તરીકે જુદાં જુદાં નિવેશ-કેન્દ્રો(input ports)માં વિદ્યુતભાર પેદા કરવામાં આવે છે અથવા તેનો અંત:ક્ષેપ (inject) કરવામાં આવે છે. ત્યારબાદ નિર્ગત (output) સૂચક (detector) ઉપર તેને સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે. આ રીતે વિદ્યુતભારને અનેક સ્થાનાંતરણ વડે દૂર લઈ જઈ શકાય છે.

વિદ્યુતભારની ગતિનું નિયંત્રણ : તેની કેટલીક પદ્ધતિઓ છે. અર્ધવાહકની સપાટી નજીક ઇલેક્ટ્રોડ મૂકવામાં આવે ત્યારે ઇલેક્ટ્રૉડનું વિદ્યુતસ્થિતિમાન (electric potential) અર્ધવાહકના પૃષ્ઠ ઉપરના વિદ્યુતભારનું નિયંત્રણ કરે છે. MOS (Metal Oxide Semiconductors) ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં થતા નિયંત્રણ જેવું જ આ નિયંત્રણ હોય છે. પાસે પાસે રાખેલા ઇલેક્ટ્રૉડ જુદા જુદા વિદ્યુતસ્થિતિમાને હોય તો તે જુદી જુદી ઊંડાઈના વિભવ-કૂપ રચે છે. મુક્ત વિદ્યુતભાર વધુ વિદ્યુતદબાણવાળા વિસ્તાર તરફ ગતિ કરે છે.

આકૃતિ 1 : ત્રણ અવસ્થા ચાર્જ કપલ્ડ શિફ્ટ રજિસ્ટરનું કાર્ય :
(અ) ચૅનલ દ્વારા રજિસ્ટરનો આડછેદ, (બ) જુદા જુદા ત્રણ સમયગાળા t1, t2, t3 માટે પૃષ્ઠ વિભવનું પાર્શ્વચિત્ર, (ક) ત્રણ અવસ્થા ક્લૉક સમયગાળા માટે વિભવ તરંગ સ્વરૂપો Φ1, Φ2, Φ3

આકૃતિ 1 દર્શાવે છે કે ત્રણ ઇલેક્ટ્રૉડ ઉપર યોગ્ય કલા(phase)માં વિદ્યુતદબાણ બદલવાથી વિદ્યુતભારનો સમૂહ(packet) જમણી તરફ ખસે છે.

આકૃતિ 2 બીજી યોજના દર્શાવે છે. અહીં કૂપમાં તૈયાર થતી અસંમિતિ(asymmetry) વિદ્યુતભારને આપેલ દિશામાં મોકલી આપે છે. વૈદ્યુત (electrical) કલામાં ફેરફાર કરવાથી વિદ્યુતભારની દિશા ઉલટાવી શકાય છે.

સ્થાનાંતરણ કાર્યક્ષમતા (transfer efficiency) : લગભગ બધો જ વિદ્યુતભાર એક કૂપથી બીજા કૂપ ઉપર પૂરી ક્ષમતાપૂર્વક સ્થાનાંતરિત કરવાનો CCDનો મહત્વનો ગુણધર્મ છે. વિદ્યુતભારનું પૅકેટ ઝડપથી સ્થાનાંતરિત ન થાય તો તે વિકૃત બની પોતાનું સ્વત્વ (identity) ગુમાવે છે. વિદ્યુતભારને સ્થાનાંતરિત કરતી શક્તિને સ્થાનાંતરણ-ક્ષમતાના માપ તરીકે ગણાય છે. સ્થાનાંતરણક્ષમતા સામાન્ય રીતે 99.9 % હોય છે. પ્રયુક્તિમાં દાખલ કરવામાં આવતા વિદ્યુતભારમાં 100 જેટલાં સ્થાનાંતરણ બાદ માત્ર 10 % વિદ્યુતભાર ઓછો થાય છે.

આકૃતિ 2 : બે અવસ્થા ચાર્જ કપલ્ડ શિફ્ટ રજિસ્ટરનું કાર્ય :
(અ) ચૅનલ દ્વારા રજિસ્ટરનો આડછેદ, (બ) જુદા જુદા ત્રણ સમયગાળા t1, t2, t3 માટે પૃષ્ઠ વિભવનું પાર્શ્વચિત્ર, (ક) બે અવસ્થા ક્લૉક સમયગાળા માટે વિભવતરંગ સ્વરૂપો Φ1 અને Φ2

આકૃતિ 3માં CCDના તબક્કા નજીકથી બતાવ્યા છે. એક કૂપથી બીજા કૂપ ઉપર સ્થાનાંતરિત થતા વિદ્યુતભાર ઉપર કેટલાંક પરિબળો અસર કરે છે. પ્રારંભમાં, સ્વપ્રેરિત (self-induced) વિદ્યુતપ્રવાહ વિદ્યુતભારને છૂટો પાડવાનું કાર્ય કરે છે. સજાતીય વિદ્યુતભારનું અપાકર્ષણ સંકેતો(signals)ના સ્થાનાંતરણ માટેનું અસરકારક પરિબળ છે. સ્થાનાંતરણ ઇલેક્ટ્રોડની ધાર આગળ વિભવપ્રચલન(potential gradient)ને કારણે વિદ્યુતક્ષેત્ર પેદા થાય છે. તે 99 % વિદ્યુતભારને આગળ પહોંચાડે છે. બાકીનો 1 % વિદ્યુતભાર ઉષ્મીય વિસરણ (thermal diffusion) દ્વારા સ્થાનાંતરિત થાય છે.

આકૃતિ 3 : વિદ્યુતભાર સ્થાનાંતર દર નક્કી કરતી કાર્યવિધિ :
વિદ્યુતભાર સ્થાનાંતરમાં ફાળો આપનાર આત્મ-પ્રેરિત પ્રવાહ, ચૅનલ પ્રવાહક્ષેત્ર અને ઉષ્મીય પ્રસરણ ખાસ છે. ઇલેક્ટ્રૉન પાશ અને સ્થાનબદ્ધ વિભવ ન્યૂનતમને કારણે વિદ્યુતભાર પાછળ રહી જતો નથી.

ઇલેક્ટ્રૉન પાશ (electron trap) : પૂરતો સમય મળે તો લગભગ બધો જ વિદ્યુતભાર સ્થાનાંતરિત થાય છે. સિલિકનની અંદર તેમજ તેની સપાટી ઉપર કેટલાંક સ્થાન એવાં હોય છે જે ઇલેક્ટ્રૉન પાશ તરીકે કાર્ય કરે છે. ખાસ કરીને સપાટી ઉપર મોટી સંખ્યામાં આવાં સ્થાન અસ્તિત્વ ધરાવે છે. વિદ્યુતભારનું મોટું પૅકેટ, પાશ સામે આવે ત્યારે પાશ વિદ્યુતભાર મેળવે છે અને વિદ્યુતભારનું નાનું પૅકેટ સામે આવે ત્યારે પાશ ક્રમશ: વિદ્યુતભાર પૅકેટને આપે છે. વિદ્યુતભાર ધરાવતા પૅકેટ વડે પાશ પુન: વિદ્યુતભારિત થાય છે. ચૅનલ વાપરીને પાશ-અસર ઘટાડી શકાય છે. આ રચનાને આવૃત ચૅનલ પ્રયુક્તિ (burried channel device) કહે છે.

વય (lifetime) : CCD રજિસ્ટરનો આ બીજો મહત્વનો ગુણધર્મ છે. મોટા ભાગનો વિદ્યુતભાર ચાલ્યો જતાં, અર્ધવાહકનો સ્તર વિદ્યુતભારથી ખાલી થાય છે. કૂપને અલ્પાંશ વિદ્યુતભારથી ભરી દેવા માટેના જરૂરી સમયને વિભવ-કૂપ વય કહે છે. આ પ્રયુક્તિમાં બિનજરૂરી વિદ્યુતભાર ઉત્પન્ન કરનાર ઉષ્મીય પ્રસરણ, ખાલી વિસ્તારમાં ઇલેક્ટ્રૉન હોલની ઉત્પત્તિ અને ઇલેક્ટ્રૉન પાશમાંથી ઉદભવતાં અલ્પાંશ વિદ્યુતભાર વગેરે પરિબળો પણ મોજૂદ હોય છે. પૃષ્ઠ-ચૅનલ પ્રયુક્તિનું વય વધારે હોય છે.

નિવેશ અને નિર્ગત સ્થાનો : સ્થાનાંતરક્ષમતા અને વય નિક્ષેપ અને નિર્ગત પ્રયુક્તિના ઉપયોગ ઉપર આધારિત છે. ઍનેલૉગ રજિસ્ટર માટે સારી ગતિ-ક્ષમતા ધરાવતા સુરેખ (linear) નિક્ષેપ અને નિર્ગત આવશ્યક છે. ડિજિટલ રજિસ્ટર માટે 1 (one) અને 0 (zero) વપરાય છે.

ઉપયોગ : CCD કેટલાક અદ્વિતીય ગુણધર્મો ધરાવે છે માટે તેનો વ્યાપક ઉપયોગ થતો જાય છે. આ પ્રયુક્તિ ગતિક (dynamic) છે. તેનો ઉપયોગ સ્મૃતિ, જુદાં જુદાં તાર્કિક વિધેયો, સંકેત પ્રક્રમણ (signal processing) અને પ્રતિબિંબની રચનામાં થાય છે.  CCD ઇમેજરમાં પ્રકાશીય રચનાનું વિદ્યુત સંકેતમાં રૂપાંતર થાય છે.

અર્ધવાહકની સપાટી ઉપર ફોટૉન આપાત કરવાથી ફોટૉનની ઊર્જાના સમપ્રમાણમાં ઇલેક્ટ્રૉન મુક્ત થાય છે. સિલિકનની રચના હોય તો 400થી 1100 નેનોમીટર (1 નેનોમીટર = 10-9 મીટર) તરંગલંબાઈ ધરાવતો ફોટૉન ઇલેક્ટ્રૉનનું ઉત્સર્જન કરે છે.

700થી 800 નેનોમીટર તરંગલંબાઈવાળા ફોટૉન (ભૂરા પ્રકાશથી ઇન્ફ્રારેડ વિકિરણ સુધીના) વડે ઇલેક્ટ્રૉનનું મહત્તમ ઉત્સર્જન થાય છે. ફોટૉન વડે ઉત્સર્જિત થતા ઇલેક્ટ્રૉનને નિયમિત રીતે રાખેલ ફોટોસાઇટની રચનામાં એકત્રિત કરવામાં આવે છે. આવા પ્રત્યેક ફોટોસાઇટ વિદ્યુતભારનાં પૅકેટ ધરાવે છે. ફોટોસાઇટમાં એકઠો થતો વિદ્યુતભાર આપાત વિકિરણ ઊર્જાના સમપ્રમાણમાં હોય છે. જો પ્રયુક્તિની સપાટી ઉપર પ્રતિબિંબને કેન્દ્રિત કરવામાં આવે તો પ્રત્યેક ફોટોસાઇટમાં એકત્રિત થયેલો વિદ્યુતભારનો જથ્થો પ્રતિબિંબની સ્પષ્ટતાને ઘણી સારી રીતે અભિવ્યક્ત કરે છે. વિદ્યુતભારના પૅકેટનું વિસ્થાપન રજિસ્ટરમાં સમાંતર સ્થાનાંતરણ થાય છે, ત્યાંથી પૅકેટને ક્રમિક રીતે નિર્ગત ઉપર ખસેડવામાં આવે છે. ઇમેજરનો નિર્ગત વિદ્યુત-સંકેતોની શ્રેણીના સ્વરૂપે હોય છે. આ સંકેતનો કંપવિસ્તાર પ્રત્યેક ચિત્રના અંશની તીવ્રતા રજૂ કરે છે. 1980 બાદ પ્રાપ્ત થયેલી ભિન્ન ભિન્ન ઇલેક્ટ્રૉનિક પ્રયુક્તિઓમાં CCD મોખરાનું સ્થાન ધરાવે છે. હકીકતમાં તે કમ્પ્યૂટરમાં વપરાય છે તેવી સિલિકનની chip છે. તે પ્રકાશ પ્રત્યે સંવેદનશીલ હોય છે. ચિપ ઉપર ફોટૉન આપાત થતાં વિદ્યુતભાર પેદા થાય છે. પ્રત્યેક ચિત્રના નાના અંશ (picture element = pixel) ઉપર વિદ્યુતભારનો જથ્થો બાજુના pixel વડે મેળવી શકાય છે. કમ્પ્યૂટર વાચન(read-out)નું નિયંત્રણ કરે છે. ઘણીખરી વેધશાળાઓમાં એક જ દિશામાં 2000 pixel હોય તેવાં કુલ 40 લાખ pixelવાળાં CCDનો ઉપયોગ સામાન્ય બનતો જાય છે. ફિલ્મ કરતાં CCDના વધુ ફાયદા છે. ફિલ્મ ઉપર આપાત થતા ફોટૉનમાં માત્ર 50 % ફોટૉન નોંધાય છે. ફિલ્મ કરતાં CCDની કાર્યક્ષમતા 50 ગણી વધારે છે. પ્રતિબિંબ વિકસાવવા માટે ફિલ્મને જે સમય લાગે તેના કરતાં CCD ધરાવતા ટેલિસ્કોપને પાંચમા ભાગનો સમય લાગે છે.

ફિલ્મ વડે જે તારાવિશ્વ(galaxy)નું ચિત્ર એક કલાકમાં નોંધી શકાય છે તે જ ચિત્ર CCD વડે માત્ર એક જ મિનિટમાં નોંધાય છે. પ્રિન્સ્ટન અને શિકાગો યુનિવર્સિટી તથા ફર્મી નૅશનલ એક્સિલરેટર પ્રયોગશાળામાં 25-m ટેલિસ્કોપમાં CCDના 4 સેટનો ઉપયોગ થયો છે. પ્રત્યેક સેટ જુદા જુદા રંગોના વિકિરણની નોંધ કરે છે. ઝાંખાં તારાવિશ્વો અને ક્વાસાર્સ(quasi steller radio sources)ને CCD વડે શોધી શકાય છે.

બીજી રચનાઓ કરતાં ધન અવસ્થાવાળા ઇમેજરના ફાયદા વધારે છે. તેમાં વધુ વિશ્વસનીયતા અને વધુ સંવેદનશીલતા હોય છે અને શક્તિનો ઓછો વ્યય થાય છે. સંપૂર્ણ ર્દશ્ય વર્ણપટમાં સ્પેક્ટ્રમી અનુક્રિયા (spectral response) મળે છે. CCD ઇમેજરની બે રચનાઓ છે : (1) રેખીય હાર (linear array) અને (2) ક્ષેત્ર-હાર (area array). રેખીય પ્રતિબિંબરચના પ્રયુક્તિ (Linear Imaging Device, LID)માં બધાં જ ફોટોસાઇટ એક જ હારમાં હોય છે. તે એક જ સમયે પ્રતિબિંબોનું ક્રમવીક્ષણ (scanning) કરે છે. ક્ષેત્ર પ્રતિબિંબરચના પ્રયુક્તિ (Area Imaging Device, AID)માં ફોટોસાઇટનો શ્રેણિક (matrix) હોય છે. અહીં સમગ્ર ક્ષેત્ર એક જ સમયે સંવેદિત થાય છે.

પ્રયુક્તિ કે પ્રતિબિંબ અચળ વેગથી ગતિ કરે ત્યારે LIDનો ઉપયોગ થાય છે. પ્રતિકૃતિ સામગ્રી (facsimile) અને ફોટોકૉપિયરમાં તેનો ઉપયોગ થાય છે. આકાશમાંથી ભૂમિ ઉપરના નકશા બનાવવા તથા આવીક્ષણ (reconnaisance) કરવા માટે પણ તેનો ઉપયોગ થાય છે.

પ્રયુક્તિ કે પ્રતિબિંબ ગતિ કરતાં ન હોય ત્યારે AIDનો ઉપયોગ થાય છે. બંધ પરિપથ ટેલિવિઝન (Closed Circuit Television, CTV) કૅમેરા, વિડિયો કૅમેરા અને યંત્રમાનવી(robot)ની ર્દશ્યપ્રણાલી વગેરેમાં AIDનો ઉપયોગ થાય છે. ખગોલીય અવલોકનો માટે પરંપરાગત ફિલ્મની જગાએ AIDનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. અન્ય પ્રકારના સૂચકો (detectors) કરતાં CCD ઇમેજર વડે વધુ સ્થિરતા ઉપરાંત, રેખીય નિર્ગત અને પરંપરાગત ફિલ્મ કરતાં 50ગણી વધારે સંવેદનશીલતા મળે છે. –100° સે. સુધી તાપમાન ઘટાડવામાં આવે તો CCD ઇમેજર કેટલાક કલાક સુધીનો અનાવરણ (exposure) સમય આપી શકે છે. આ કારણથી પહેલાં કદાપિ જોઈ શકતા નહોતા તેવા ખૂબ ઝાંખા પદાર્થોને ખગોળશાસ્ત્રી શોધી શકે છે. જુલાઈ 1994માં શ્યુમેકર લેવી 9ના ટુકડાની ગુરુ સાથે થયેલી અથડામણો દરમિયાન મુક્ત થયેલ ઊર્જાનું માપન તથા વિસ્ફોટનો અભ્યાસ CCD પદ્ધતિ વડે કરવામાં આવ્યો હતો. આવી પ્રયુક્તિના નિર્ગત સંકેતો કમ્પ્યૂટરને આપવામાં આવે તો તે પ્રતિબિંબને વિસ્તૃત કરે છે અને તેથી અન્ય માહિતી મળે છે.

આકૃતિ 4 : પૃષ્ઠ-વિદ્યુતભાર ટ્રાન્ઝિસ્ટર

વિદ્યુતભાર સ્થાનાંતરણ પ્રયુક્તિ(Charge Transfer Device, CTD)ની સુધારેલી રચના વિદ્યુતભાર-યુગ્મિત પ્રયુક્તિ છે. CCDની સુધારેલી રચના પૃષ્ઠ-વિદ્યુતભાર ટ્રાન્ઝિસ્ટર (Surface Charge Transfer, SCT) છે. SCTની રચનામાં વિદ્યુતભાર સંગ્રહસ્થાનો (locations) વચ્ચે સ્થાનાંતરણ દ્વાર જેવો વધારાનો એક ઇલેક્ટ્રોડ રાખવામાં આવે છે. યોગ્ય વિદ્યુતવિભવ આપવામાં આવે ત્યારે આ ઇલેક્ટ્રોડ સ્થાનાંતરણસ્થાનો વચ્ચે પથ તૈયાર કરી આપે છે. આકૃતિ 4માં એક SCT દર્શાવેલ છે.

પ્રહલાદ છ. પટેલ