Thực đơn
trang chủẢnh và video

Cảm biến hình ảnh CMOS. Mô tả bệnh viễn thị (hypermetropic). Ứng dụng công nghệ CMOS trong công nghệ máy tính

Chất rắn vô định hình, về nhiều tính chất và chủ yếu là ở cấu trúc vi mô của chúng, nên được coi là chất lỏng siêu lạnh có hệ số nhớt rất cao. Cấu trúc của những vật thể như vậy chỉ được đặc trưng bởi trật tự ngắn hạn trong cách sắp xếp các hạt. Một số chất này hoàn toàn không có khả năng kết tinh: sáp, sáp bịt kín, nhựa. Những người khác tại chế độ nhất định làm mát tạo thành các cấu trúc tinh thể, nhưng trong trường hợp làm lạnh nhanh, sự tăng độ nhớt sẽ cản trở trật tự sắp xếp của các hạt. Chất này cứng lại trước khi quá trình kết tinh diễn ra. Những vật thể như vậy được gọi là thủy tinh: thủy tinh, băng. Quá trình kết tinh trong một chất như vậy cũng có thể xảy ra sau khi đông đặc (làm đục thủy tinh). Các chất vô định hình cũng bao gồm các chất hữu cơ rắn: cao su, gỗ, da, nhựa, len, bông và sợi tơ. Quá trình chuyển các chất như vậy từ pha lỏng sang pha rắn được thể hiện trong hình. - đường cong I

Các vật thể vô định hình không có nhiệt độ hóa rắn (nóng chảy). Trên đồ thị T = f(t) có một điểm uốn gọi là nhiệt độ hóa mềm. Nhiệt độ giảm dẫn đến độ nhớt tăng dần. Bản chất của sự chuyển đổi sang trạng thái rắn gây ra sự thiếu vắng nhiệt dung riêng của phản ứng tổng hợp trong các chất vô định hình. Quá trình chuyển đổi ngược lại, khi nhiệt được cung cấp, quá trình làm mềm mịn diễn ra ở trạng thái lỏng.

CHẤT RẮN TINH THỂ.

Một đặc điểm đặc trưng của cấu trúc vi mô của tinh thể là tính tuần hoàn không gian của điện trường bên trong của chúng và độ lặp lại trong việc sắp xếp các hạt hình thành tinh thể - nguyên tử, ion và phân tử (thứ tự tầm xa). Các hạt xen kẽ nhau trong theo một thứ tự nhất định dọc theo các đường thẳng gọi là đường nút. Trong bất kỳ mặt cắt phẳng nào của tinh thể, hai hệ thống giao nhau của các đường như vậy tạo thành một tập hợp các hình bình hành hoàn toàn giống hệt nhau, chặt chẽ, không có khoảng trống, bao phủ mặt phẳng mặt cắt. Trong không gian, giao điểm của ba hệ không đồng phẳng của những đường như vậy tạo thành một mạng lưới không gian chia tinh thể thành một tập hợp các ống song song hoàn toàn giống hệt nhau. Các điểm giao nhau của các đường tạo thành mạng tinh thể được gọi là các nút. Khoảng cách giữa các nút dọc theo một hướng nhất định được gọi là các khoảng dịch chuyển hoặc các chu kỳ mạng. Một đường dẫn song song được xây dựng trên ba bản dịch không đồng phẳng được gọi là ô đơn vị hoặc độ lặp lại của mạng song song. Tính chất hình học quan trọng nhất của mạng tinh thể là tính đối xứng trong cách sắp xếp các hạt theo các hướng và mặt phẳng nhất định. Vì lý do này, mặc dù có một số cách để chọn một ô đơn vị cho một cấu trúc tinh thể nhất định, nhưng nó được chọn sao cho phù hợp với tính đối xứng của mạng.

Chất rắn kết tinh có thể được chia thành hai nhóm: đơn tinh thể và đa tinh thể. Đối với các tinh thể đơn lẻ, một mạng tinh thể đơn lẻ được quan sát trên toàn bộ cơ thể. Và mặc dù hình dạng bên ngoài của các tinh thể đơn cùng loại có thể khác nhau, nhưng góc giữa các mặt tương ứng sẽ luôn giống nhau. Một đặc điểm đặc trưng của các tinh thể đơn là tính dị hướng của các tính chất cơ, nhiệt, điện, quang và các tính chất khác.

Các tinh thể đơn thường được tìm thấy ở trạng thái tự nhiên trong tự nhiên. Ví dụ, hầu hết các khoáng sản là pha lê, ngọc lục bảo, hồng ngọc. Hiện nay, vì mục đích sản xuất, nhiều tinh thể đơn lẻ được phát triển nhân tạo từ các dung dịch và tan chảy - hồng ngọc, germani, silicon, gali arsenide.

Cùng một nguyên tố hóa học có thể tạo thành một số cấu trúc tinh thể khác nhau về hình học. Hiện tượng này được gọi là đa hình. Ví dụ carbon - than chì và kim cương; băng năm sửa đổi, v.v.

Theo quy luật, việc điều chỉnh các mặt bên ngoài và tính chất dị hướng của các đặc tính không xuất hiện đối với các vật thể tinh thể. Điều này là do chất rắn kết tinh thường bao gồm nhiều tinh thể nhỏ định hướng ngẫu nhiên. Chất rắn như vậy được gọi là đa tinh thể. Điều này là do cơ chế kết tinh: khi đạt được các điều kiện cần thiết cho quá trình này, các trung tâm kết tinh đồng thời xuất hiện ở nhiều nơi trong pha ban đầu. Các tinh thể mới sinh được định vị và định hướng tương đối với nhau một cách hoàn toàn ngẫu nhiên. Vì lý do này, khi kết thúc quá trình, chúng ta thu được một chất rắn ở dạng tập hợp các tinh thể nhỏ hợp nhất - tinh thể.

Từ quan điểm năng lượng, sự khác biệt giữa chất rắn kết tinh và chất rắn vô định hình có thể thấy rõ trong quá trình đông đặc và nóng chảy. Các vật thể tinh thể có điểm nóng chảy - nhiệt độ khi một chất tồn tại ổn định ở hai pha - rắn và lỏng (Hình đường cong 2). Sự chuyển đổi của một phân tử rắn thành chất lỏng có nghĩa là nó có thêm ba bậc tự do chuyển động tịnh tiến. Cái đó. đơn vị khối lượng của một chất ở Tpl. trong pha lỏng có nội năng lớn hơn cùng khối lượng ở pha rắn. Ngoài ra, khoảng cách giữa các hạt thay đổi. Do đó, nói chung, lượng nhiệt cần thiết để chuyển một đơn vị khối lượng của một chất kết tinh thành chất lỏng sẽ là:

λ = (U f -U cr) + P (V f -V cr),

trong đó λ là nhiệt dung riêng của sự nóng chảy (kết tinh), (U l -U cr) là chênh lệch giữa nội năng của pha lỏng và pha tinh thể, P là áp suất bên ngoài, (V l -V cr) là chênh lệch về khối lượng cụ thể. Theo phương trình Clapeyron-Clausius, nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào áp suất:

Có thể thấy rằng nếu (V f -V cr)> 0 thì > 0, tức là Khi áp suất tăng, điểm nóng chảy tăng. Nếu thể tích của một chất giảm trong quá trình nóng chảy (V f -V cr)< 0 (вода, висмут), то рост давления приводит к понижению Т пл.

Cơ thể vô định hình không có nhiệt dung hợp. Việc gia nhiệt dẫn đến tốc độ chuyển động nhiệt tăng dần và giảm độ nhớt. Có một điểm uốn trên biểu đồ quy trình (Hình), thường được gọi là nhiệt độ làm mềm.

TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA CHẤT RẮN

Chuyển động nhiệt trong tinh thể do tương tác mạnh chỉ bị giới hạn bởi sự dao động của các hạt gần các nút của mạng tinh thể. Biên độ của những dao động này thường không đạt tới 10 -11 m, tức là chỉ bằng 5-7% chu kỳ mạng dọc theo hướng tương ứng. Bản chất của những dao động này rất phức tạp, vì nó được xác định bởi lực tương tác của hạt dao động với tất cả các hạt lân cận.

Nhiệt độ tăng đồng nghĩa với việc tăng năng lượng chuyển động của hạt. Ngược lại, điều này có nghĩa là sự gia tăng biên độ dao động của hạt và giải thích sự giãn nở của chất rắn kết tinh khi bị nung nóng.

tôi t = tôi 0 (1 + αt 0),

Ở đâu tôi t và tôi 0 – kích thước tuyến tính của vật ở nhiệt độ t 0 và 0 0 C, α – hệ số giãn nở tuyến tính. Đối với chất rắn, α có giá trị vào khoảng 10 -5 – 10 -6 K -1. Do sự giãn nở tuyến tính, thể tích của vật tăng lên:

V t = V 0 (1 + βt 0),

ở đây β là hệ số giãn nở thể tích. β = 3α trong trường hợp giãn nở đẳng hướng. Các vật thể đơn tinh thể, dị hướng, có ba giá trị khác nhau của α.

Mỗi hạt dao động có ba bậc tự do chuyển động dao động. Xét rằng, ngoài động năng, hạt còn có thế năng, nên gán năng lượng ε = kT cho một bậc tự do của hạt vật rắn. Bây giờ đối với nội năng của nốt ruồi, chúng ta sẽ có:

U μ = 3N A kT = 3RT,

và đối với nhiệt dung mol:

Những thứ kia. Nhiệt dung mol của các vật tinh thể đơn giản về mặt hóa học là như nhau và không phụ thuộc vào nhiệt độ. Đây là luật Dulong-Petit.

Như thí nghiệm cho thấy, định luật này được thỏa mãn khá tốt, bắt đầu từ nhiệt độ phòng. Giải thích cho những sai lệch so với luật Dulong-Petit khi nhiệt độ thấpđược Einstein và Debye đưa ra trong lý thuyết lượng tử về nhiệt dung. Người ta đã chứng minh rằng năng lượng trên một bậc tự do không phải là một giá trị không đổi mà phụ thuộc vào nhiệt độ và tần số dao động.

TINH THỂ THẬT. KHUYẾT TẬT TRONG TINH THỂ

Tinh thể thực có một số vi phạm cấu trúc lý tưởng, được gọi là khuyết tật tinh thể:

a) khuyết điểm –

    Khiếm khuyết Schottky (đơn vị không có hạt);

    Khiếm khuyết Frenkel (sự dịch chuyển của các hạt từ nút này sang nút khác);

    tạp chất (nguyên tử lạ được đưa vào);

b) sai lệch tuyến tính - cạnh và vít. Đó là địa phương một cách bất thường

sty trong sự sắp xếp của các hạt

    do sự không hoàn chỉnh của các mặt phẳng nguyên tử riêng lẻ

    hoặc do sự bất thường trong trình tự phát triển của chúng;

c) phẳng – ranh giới giữa các tinh thể, các hàng lệch tuyến tính.

Hầu hết các chất trong khí hậu ôn đới của Trái đất đều ở trạng thái rắn. Chất rắn không chỉ giữ được hình dạng mà còn cả thể tích.

Dựa vào tính chất sắp xếp tương đối của các hạt, chất rắn được chia thành ba loại: tinh thể, vô định hình và vật liệu tổng hợp.

Cơ thể vô định hình. Ví dụ về vật thể vô định hình bao gồm thủy tinh, các loại nhựa cứng khác nhau (hổ phách), nhựa, v.v. Nếu vật thể vô định hình được nung nóng, nó sẽ mềm dần và quá trình chuyển sang trạng thái lỏng cần một khoảng nhiệt độ đáng kể.

Sự giống nhau với chất lỏng được giải thích là do các nguyên tử và phân tử của các chất vô định hình, giống như các phân tử chất lỏng, có thời gian “ổn định”. Không có điểm nóng chảy cụ thể nên vật thể vô định hình có thể được coi là chất lỏng siêu lạnh có độ nhớt rất cao. Việc thiếu trật tự tầm xa trong việc sắp xếp các nguyên tử của vật thể vô định hình dẫn đến chất ở trạng thái vô định hình có mật độ thấp hơn ở trạng thái kết tinh.

Sự mất trật tự trong việc sắp xếp các nguyên tử của các vật thể vô định hình dẫn đến khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử theo các hướng khác nhau là như nhau nên chúng có tính đẳng hướng, nghĩa là mọi tính chất vật lý (cơ, quang, v.v.) không phụ thuộc vào hướng tác động bên ngoài. Dấu hiệu của cơ thể vô định hình là hình dạng bề mặt không đều khi bị gãy. Các vật thể vô định hình sau một thời gian dài vẫn thay đổi hình dạng dưới tác dụng của trọng lực. Điều này làm cho chúng trông giống như chất lỏng. Khi nhiệt độ tăng lên, sự thay đổi hình dạng này xảy ra nhanh hơn. Trạng thái vô định hình không ổn định; xảy ra sự chuyển đổi từ trạng thái vô định hình sang trạng thái kết tinh. (Kính trở nên đục.)

Thể tinh thể. Nếu có tính tuần hoàn trong sự sắp xếp của các nguyên tử (thứ tự tầm xa) thì chất rắn là tinh thể.

Nếu bạn kiểm tra các hạt muối bằng kính lúp hoặc kính hiển vi, bạn sẽ nhận thấy chúng bị giới hạn bởi các cạnh phẳng. Sự hiện diện của những khuôn mặt như vậy là dấu hiệu của trạng thái kết tinh.

Một vật thể là một tinh thể được gọi là một tinh thể đơn. Hầu hết các vật thể tinh thể bao gồm nhiều tinh thể nhỏ nằm ngẫu nhiên cùng nhau phát triển. Những vật thể như vậy được gọi là đa tinh thể. Một miếng đường là một cơ thể đa tinh thể. Tinh thể của các chất khác nhau có hình dạng khác nhau. Kích thước của các tinh thể cũng rất đa dạng. Kích thước của tinh thể đa tinh thể có thể thay đổi theo thời gian. Các tinh thể sắt nhỏ biến thành những tinh thể lớn, quá trình này được đẩy nhanh bởi các tác động và chấn động, nó xảy ra ở các cây cầu thép, đường ray xe lửa, v.v., do đó độ bền của kết cấu giảm dần theo thời gian.



Rất nhiều vật thể có thành phần hóa học giống nhau ở trạng thái kết tinh, tùy theo điều kiện, có thể tồn tại ở hai dạng hoặc nhiều dạng. Thuộc tính này được gọi là đa hình. Ice có tới mười sửa đổi được biết đến. Đa hình carbon - than chì và kim cương.

Một tính chất thiết yếu của một tinh thể đơn lẻ là tính dị hướng - sự khác nhau về các tính chất của nó (điện, cơ, v.v.) theo các hướng khác nhau.

Các vật thể đa tinh thể có tính đẳng hướng, nghĩa là chúng biểu hiện những tính chất giống nhau theo mọi hướng. Điều này được giải thích là do các tinh thể tạo nên thể đa tinh thể được định hướng ngẫu nhiên so với nhau. Kết quả là, không có hướng nào khác với những hướng khác.

Vật liệu composite đã được tạo ra có tính chất cơ học vượt trội so với vật liệu tự nhiên. Vật liệu composite (composite) bao gồm một ma trận và chất độn. Vật liệu polymer, kim loại, carbon hoặc gốm được sử dụng làm ma trận. Chất độn có thể bao gồm râu, sợi hoặc dây. Đặc biệt, vật liệu composite bao gồm bê tông cốt thép và ferrographite.

Bê tông cốt thép là một trong những loại vật liệu xây dựng chính. Đó là sự kết hợp giữa bê tông và cốt thép.

Than chì sắt là vật liệu gốm kim loại bao gồm sắt (95-98%) và than chì (2-5%). Vòng bi và ống lót cho các bộ phận và cơ cấu máy khác nhau được chế tạo từ nó.

Sợi thủy tinh cũng là một loại vật liệu composite, là hỗn hợp của sợi thủy tinh và nhựa cứng.

Xương người và xương động vật là một vật liệu tổng hợp bao gồm hai phần hoàn toàn Các thành phần khác nhau: collagen và chất khoáng.

>>Vật lý: Vật thể vô định hình

Không phải tất cả các chất rắn đều là tinh thể. Có rất nhiều cơ thể vô định hình. Chúng khác với tinh thể như thế nào?
Các vật thể vô định hình không có trật tự chặt chẽ trong việc sắp xếp các nguyên tử. Chỉ các nguyên tử lân cận gần nhất được sắp xếp theo một thứ tự nào đó. Nhưng không có sự lặp lại chặt chẽ theo mọi hướng của cùng một thành phần cấu trúc, đặc trưng của tinh thể, trong các vật thể vô định hình.
Về sự sắp xếp của các nguyên tử và hành vi của chúng, các vật thể vô định hình tương tự như chất lỏng.
Thông thường, cùng một chất có thể được tìm thấy ở cả trạng thái tinh thể và vô định hình. Ví dụ, thạch anh SiO 2 có thể ở dạng tinh thể hoặc dạng vô định hình (silica). Dạng tinh thể của thạch anh có thể được biểu diễn dưới dạng lưới các hình lục giác đều ( Hình 12.6, a). Cấu trúc vô định hình của thạch anh cũng có dạng mạng tinh thể, nhưng có hình dạng không đều. Cùng với hình lục giác, nó còn chứa các hình ngũ giác và hình bảy cạnh ( Hình 12.6, b).
Tính chất của cơ thể vô định hình. Tất cả các vật thể vô định hình đều có tính đẳng hướng, nghĩa là các tính chất vật lý của chúng giống nhau theo mọi hướng. Các vật thể vô định hình bao gồm thủy tinh, nhựa, nhựa thông, kẹo đường, v.v.
Dưới tác động bên ngoài, các vật thể vô định hình được phát hiện đồng thời tính chất đàn hồi, giống như chất rắn và tính lưu động như chất lỏng. Như vậy, dưới những tác động (tác động) ngắn hạn, chúng hành xử như những vật thể rắn và dưới tác động mạnh sẽ vỡ ra thành từng mảnh. Nhưng với thời gian tiếp xúc rất lâu, các vật thể vô định hình sẽ chảy ra. Bạn có thể tự mình nhìn thấy điều này nếu bạn kiên nhẫn. Đi theo miếng nhựa nằm trên bề mặt cứng. Dần dần nhựa lan ra khắp nó, và nhiệt độ của nhựa càng cao thì điều này xảy ra càng nhanh.
Các nguyên tử hoặc phân tử của các chất vô định hình, giống như các phân tử chất lỏng, có thời gian nhất định“đời ít vận động” - thời gian dao động xung quanh vị trí cân bằng. Nhưng không giống như chất lỏng, thời gian này rất dài.
Vì vậy, đối với var t= 20°C thời gian “ổn định” là khoảng 0,1 giây. Về mặt này, các vật thể vô định hình gần với các vật thể kết tinh, vì sự nhảy vọt của các nguyên tử từ vị trí cân bằng này sang vị trí cân bằng khác xảy ra tương đối hiếm.
Các vật thể vô định hình ở nhiệt độ thấp giống với vật thể rắn về đặc tính. Chúng hầu như không có tính lưu động, nhưng khi nhiệt độ tăng lên, chúng mềm dần và tính chất của chúng ngày càng gần với tính chất của chất lỏng. Điều này xảy ra vì khi nhiệt độ tăng lên, việc nhảy của các nguyên tử từ vị trí cân bằng này sang vị trí cân bằng khác dần dần trở nên thường xuyên hơn. Điểm nóng chảy nhất định Các cơ thể vô định hình, không giống như các cơ thể kết tinh, không có.
Tinh thể lỏng. Trong tự nhiên, có những chất sở hữu đồng thời các tính chất cơ bản của tinh thể và chất lỏng, đó là tính dị hướng và tính lưu động. Trạng thái vật chất này được gọi là tinh thể lỏng. Tinh thể lỏng về cơ bản là các chất hữu cơ có phân tử có dạng sợi dài hoặc dạng tấm phẳng.
Chúng ta hãy xem xét trường hợp đơn giản nhất, khi một tinh thể lỏng được hình thành bởi các phân tử dạng sợi. Các phân tử này nằm song song với nhau nhưng bị dịch chuyển ngẫu nhiên, tức là có trật tự, không giống như các tinh thể thông thường, chỉ tồn tại theo một hướng.
Trong quá trình chuyển động nhiệt, tâm của các phân tử này chuyển động ngẫu nhiên, nhưng hướng của các phân tử không thay đổi và chúng vẫn song song với chính chúng. Định hướng phân tử chặt chẽ không tồn tại trong toàn bộ thể tích của tinh thể mà tồn tại ở những vùng nhỏ gọi là miền. Sự khúc xạ và phản xạ ánh sáng xảy ra ở ranh giới miền, đó là lý do tại sao tinh thể lỏng mờ đục. Tuy nhiên, trong một lớp tinh thể lỏng được đặt giữa hai tấm mỏng, khoảng cách giữa chúng là 0,01-0,1 mm, với độ lõm song song 10-100 nm, tất cả các phân tử sẽ song song và tinh thể sẽ trở nên trong suốt. Nếu điện áp được đặt vào một số vùng của tinh thể lỏng, trạng thái tinh thể lỏng sẽ bị phá vỡ. Những khu vực này trở nên mờ đục và bắt đầu phát sáng, trong khi những khu vực không có lực căng vẫn tối. Hiện tượng này được sử dụng trong việc tạo ra màn hình tivi tinh thể lỏng. Cần lưu ý rằng bản thân màn hình bao gồm một số lượng lớn các phần tử và mạch điều khiển điện tử cho màn hình như vậy là cực kỳ phức tạp.
Vật lý chất rắn. Nhân loại đã luôn và sẽ tiếp tục sử dụng chất rắn. Nhưng nếu trước đây là vật lý trạng thái rắn tụt hậu so với sự phát triển của công nghệ dựa trên kinh nghiệm trực tiếp, tình hình hiện đã thay đổi. Nghiên cứu lý thuyết dẫn đến việc tạo ra các chất rắn có đặc tính hoàn toàn khác thường.
Sẽ không thể có được những cơ thể như vậy bằng cách thử và sai. Việc tạo ra các bóng bán dẫn, sẽ được thảo luận sau, là một ví dụ nổi bật về việc hiểu biết cấu trúc của chất rắn đã dẫn đến một cuộc cách mạng trong mọi kỹ thuật vô tuyến như thế nào.
Thu được vật liệu có các tính chất cơ, từ, điện và các tính chất khác xác định là một trong những hướng chính của vật lý chất rắn hiện đại. Khoảng một nửa số nhà vật lý trên thế giới hiện đang làm việc trong lĩnh vực vật lý này.
Chất rắn vô định hình chiếm vị trí trung gian giữa chất rắn kết tinh và chất lỏng. Các nguyên tử hoặc phân tử của chúng được sắp xếp theo thứ tự tương đối. Hiểu cấu trúc của chất rắn (tinh thể và vô định hình) cho phép bạn tạo ra các vật liệu có đặc tính mong muốn.

???
1. Thể vô định hình khác với thể tinh thể như thế nào?
2. Cho ví dụ về vật vô định hình.
3. Liệu nghề thổi thủy tinh có phát sinh nếu thủy tinh là chất rắn kết tinh chứ không phải là chất vô định hình?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Vật lý lớp 10

Nội dung bài học ghi chú bài học hỗ trợ phương pháp tăng tốc trình bày bài học khung công nghệ tương tác Luyện tập nhiệm vụ và bài tập tự kiểm tra hội thảo, đào tạo, tình huống, nhiệm vụ bài tập về nhà thảo luận câu hỏi câu hỏi tu từ của học sinh Minh họa âm thanh, video clip và đa phương tiện hình ảnh, hình ảnh, đồ họa, bảng biểu, sơ đồ, hài hước, giai thoại, truyện cười, truyện tranh, ngụ ngôn, câu nói, ô chữ, trích dẫn Tiện ích bổ sung tóm tắt bài viết thủ thuật cho trẻ tò mò sách giáo khoa từ điển cơ bản và bổ sung các thuật ngữ khác Cải thiện sách giáo khoa và bài họcsửa lỗi trong sách giáo khoa cập nhật một đoạn trong sách giáo khoa, những yếu tố đổi mới trong bài, thay thế kiến ​​thức cũ bằng kiến ​​thức mới Chỉ dành cho giáo viên bài học hoàn hảo kế hoạch lịch trong năm hướng dẫn chương trình thảo luận Bài học tích hợp

Nếu bạn có những chỉnh sửa hoặc gợi ý cho bài học này,

Ma trận là nền tảng của bất kỳ thiết bị ảnh hoặc video nào. Nó quyết định chất lượng và kích thước của hình ảnh thu được. Ngày nay, hai nguyên lý công nghệ khác nhau được sử dụng trong sản xuất ma trận - CCD và CMOS. Bạn có thể thường xuyên nghe thấy câu hỏi: “Chọn ma trận nào: CCD hay CMOS?” Có những cuộc tranh luận sôi nổi về vấn đề này giữa những người hâm mộ thiết bị chụp ảnh và quay video. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ xem xét hai loại này và cố gắng tìm ra ma trận nào tốt hơn - CCD hay CMOS.

thông tin chung

Các ma trận được thiết kế để số hóa các thông số của tia sáng trên bề mặt của chúng. Không thể nói về lợi thế rõ ràng của một trong những công nghệ. Bạn có thể so sánh dựa trên các thông số cụ thể và xác định người dẫn đầu ở khía cạnh này hay khía cạnh khác. Đối với sở thích của người dùng, tiêu chí chính đối với họ thường là giá thành của sản phẩm, ngay cả khi nó kém hơn về chất lượng hoặc Thông số kỹ thuật tới đối thủ cạnh tranh của bạn.

Vì vậy, hãy hiểu cả hai loại thiết bị là gì. Ma trận CCD là một vi mạch bao gồm các điốt quang nhạy sáng; nó được tạo ra trên cơ sở silicon. Điểm đặc biệt trong hoạt động của nó nằm ở nguyên lý hoạt động của thiết bị với phí ghép. Ma trận CMOS là một thiết bị được tạo ra trên cơ sở chất bán dẫn với cổng cách điện với các kênh có độ dẫn điện khác nhau.

Nguyên lý hoạt động

Hãy chuyển sang việc xác định những điểm khác biệt sẽ giúp bạn đưa ra lựa chọn: cái nào tốt hơn - Cảm biến CMOS hay CCD? Sự khác biệt chính giữa hai công nghệ này là nguyên tắc hoạt động của chúng. Các thiết bị CCD chuyển đổi điện tích từ các điểm ảnh thành điện thế, điện thế này được khuếch đại bên ngoài cảm biến ánh sáng. Kết quả là một hình ảnh tương tự. Sau đó, toàn bộ hình ảnh được số hóa thành ADC. Nghĩa là, thiết bị bao gồm hai phần - ma trận và bộ chuyển đổi. Công nghệ CMOS được đặc trưng bởi thực tế là nó số hóa từng pixel riêng lẻ. Đầu ra là một hình ảnh kỹ thuật số đã hoàn thành. Đó là sạc điện trong pixel ma trận tích tụ trong một tụ điện, từ đó điện thế bị loại bỏ. Nó được truyền đến bộ khuếch đại analog (được tích hợp trực tiếp vào pixel), sau đó nó được số hóa trong bộ chuyển đổi.

Chọn gì: CCD hay CMOS?

Một trong những thông số quan trọng quyết định sự lựa chọn giữa các công nghệ này là số lượng bộ khuếch đại ma trận. Các thiết bị CMOS có số lượng lớn của các thiết bị này (tại mỗi điểm), do đó, khi tín hiệu đi qua, chất lượng hình ảnh sẽ giảm đi đôi chút. Do đó, ma trận CCD được sử dụng để tạo ra hình ảnh có độ chi tiết cao, ví dụ như cho mục đích y tế, nghiên cứu và công nghiệp. Nhưng công nghệ CMOS được sử dụng chủ yếu trong thiết bị gia dụng: webcam, điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tính xách tay, v.v.

Tham số tiếp theo xác định loại nào tốt hơn - CCD hay CMOS - là mật độ của điốt quang. Nó càng cao thì càng ít photon bị lãng phí và theo đó, hình ảnh sẽ đẹp hơn. Trong tham số này, ma trận CCD đi trước các đối thủ cạnh tranh vì chúng cung cấp bố cục không có những khoảng trống như vậy, trong khi CMOS có chúng (bóng bán dẫn được đặt trong đó).

Tuy nhiên, khi người dùng đứng trước sự lựa chọn: mua cái nào - CMOS hay CCD - thì tham số chính- giá của thiết bị. Công nghệ CCD đắt hơn nhiều so với đối thủ cạnh tranh và tiêu tốn nhiều năng lượng hơn. Vì vậy, không nên cài đặt chúng ở nơi có hình ảnh chất lượng trung bình là đủ.

Máy ảnh, tính năng, ưu điểm và nhược điểm của các ma trận đó.

Đến những ưu điểm ma trận CCD có thể được quy:

  • Tỷ lệ sử dụng vùng pixel cao (gần 100%);
  • tương đối thấp;
  • hiệu quả rất cao;
  • đủ lớn .

Đến những bất lợi ma trận CCD liên quan:

  • cường độ năng lượng cao;
  • đủ quá trình khó khănđọc thông tin;
  • sản xuất đắt tiền.

Ở thời hiện đại máy ảnh kĩ thuật số không chỉ các ma trận dựa trên CCD được sử dụng mà còn Ma trận CMOS, tỷ lệ máy ảnh được trang bị ma trận như vậy không ngừng tăng lên.

Ma trận CMOS của máy ảnh.

Trở lại những năm cuối thập niên 60 của thế kỷ trước, các nhà khoa học đã biết đến đặc tính cảm nhận ánh sáng của cấu trúc CMOS. Tuy nhiên, cấu trúc CCD cung cấp nhiều hơn nữa độ nhạy caođể có ánh sáng và chất lượng hình ảnh cao. Đây là lý do tại sao ma trận dựa trên công nghệ CMOS chưa trở nên phổ biến. Đặc điểm đầu thập niên 90 Ma trận CMOS và hoạt động sản xuất của họ đã được cải thiện đáng kể, dẫn đến nhiều triển khai rộng rãi những ma trận này. Những khám phá mang tính cách mạng đã được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA, nơi tạo ra Cảm biến Pixel Chủ động (APS). Điểm mấu chốt là mỗi bộ khuếch đại tín hiệu bóng bán dẫn đã được thêm vào, giúp chuyển đổi điện tích thành điện áp trực tiếp trong chính pixel. Nhờ đó, có thể truy cập ngẫu nhiên vào từng pixel riêng lẻ, về nguyên tắc tương tự như mạch RAM.

Kết quả là đến năm 2008, ma trận dựa trên các phần tử CMOS đã trở thành một giải pháp thay thế cho ma trận CCD.

Ma trận CMOS (cấu trúc bán dẫn oxit kim loại bổ sung), trong phiên âm tiếng Anh - CMOS (Chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung), về nguyên tắc tương tự như ma trận CCD. Giống như CCD, các electron được tạo ra dưới tác động của ánh sáng.

Các ô của ma trận CMOS là bóng bán dẫn hiệu ứng trường với một cổng cách nhiệt và có các kênh có độ dẫn điện khác nhau.

Không giống như phần tử CCD, mỗi ô Ma trận CMOS có thêm các thiết bị điện tử, được gọi là liên kết pixel, cho phép điện tích được chuyển đổi trực tiếp thành điện áp trong tế bào.

Hình 1 cho thấy mạch tương đương Các thiết bị phần tử CMOS.

Hình.1. Tương đương sơ đồ mạch điện phần tử CMOS.

1 - đèn LED. 2 - màn trập điện tử. 3 - tụ điện tích lũy điện tích từ photodiode. 4 - bộ khuếch đại tín hiệu. Bus đọc 5 dòng. 6 - bus qua đó tín hiệu được truyền đến bộ xử lý. 7 - đặt lại đường tín hiệu.

Nguyên lý hoạt động của mạch trên:

    trước khi chụp ảnh, tín hiệu đặt lại được gửi qua đường 7;

    Khi ánh sáng chiếu tới photodiode, nó tỷ lệ thuận với cường độ quang thông một điện tích được tạo ra để nạp điện cho tụ điện;

    Tín hiệu được đọc từ phần tử bằng cách xả tụ điện, dòng điện thu được được truyền đến bộ khuếch đại rồi đến mạch xử lý.

Việc đồng bộ hóa hoạt động ma trận được thực hiện thông qua các bus địa chỉ của cột và hàng.

Nhờ sơ đồ này, có thể đọc điện tích ngay lập tức từ một nhóm pixel (chứ không phải tuần tự từng ô, như trong ma trận CCD) hoặc thậm chí có chọn lọc từ từng pixel riêng lẻ. Trong một ma trận như vậy không cần đến các thanh ghi dịch chuyển cột và hàng, điều này giúp tăng tốc đáng kể quá trình đọc thông tin từ ma trận. Mức tiêu thụ năng lượng của ma trận cũng giảm đáng kể.

Tiến bộ trong sự phát triển của công nghệ, đặc biệt là sản xuất tấm silicon Chất lượng cao và những cải tiến trong mạch khuếch đại của phần tử CMOS, dẫn đến chất lượng của hình ảnh thu được gần như ngang bằng với phần tử CCD.

Ưu điểm của ma trận CMOS:

    Trước hết, mức tiêu thụ điện năng giảm đáng kể, do trong ma trận CMOS, chuỗi xử lý thông tin không dài như trong ma trận CCD, ma trận CMOS đặc biệt tiêu thụ điện năng thấp ở chế độ tĩnh.

    Thiết kế tế bào ma trận CMOS cho phép nó được tích hợp trực tiếp với bộ chuyển đổi tương tự sang số và thậm chí với bộ xử lý. Điều này tạo ra khả năng kết hợp cả hai trong một tinh thể mạch tương tự, cả kỹ thuật số và xử lý. Nhờ đó, việc thu nhỏ hơn nữa các máy ảnh kỹ thuật số đã trở nên khả thi, giảm giá thành do không cần thêm chip xử lý.

    Khả năng truy cập ngẫu nhiên các ô CMOS cho phép bạn đọc nhóm riêng biệtđiểm ảnh. Tính năng này được gọi là đọc cắt xén, tức là chỉ đọc một phần của toàn bộ khung, trái ngược với ma trận CCD, trong đó toàn bộ ma trận phải được dỡ bỏ để xử lý thông tin. Nhờ đó, để đảm bảo xem lướt qua Hình ảnh trên màn hình tích hợp của máy ảnh có số lượng pixel tương đối nhỏ chỉ có thể hiển thị một phần thông tin. Điều này là đủ để xem; bạn có thể kiểm soát độ chính xác của việc lấy nét, v.v.

    Ngoài ra, để quay phóng sự với tốc độ cao hơn, bạn có thể thực hiện bằng kích thước nhỏ hơn khung hình và độ phân giải thấp hơn.

    Một ưu điểm khác của ma trận CMOS là khả năng bổ sung thêm nhiều tầng khuếch đại vào bộ khuếch đại bên trong phần tử CMOS, nhờ đó làm tăng đáng kể độ nhạy của ma trận. Và khả năng điều chỉnh mức tăng cho từng màu cho phép bạn cải thiện.

    Việc sản xuất ma trận CMOS đơn giản và rẻ hơn so với CCD; hầu như bất kỳ nhà máy nào tham gia sản xuất vi điện tử đều có thể làm chủ được nó. Điều này đặc biệt đúng khi tạo ra các ma trận lớn.

Nhược điểm của ma trận CMOS:

    Những nhược điểm của ma trận CMOS so với ma trận CCD trước hết bao gồm việc giảm phần nhạy sáng của phần tử do sự hiện diện của liên kết điện tử xung quanh pixel. Đây là lý do tại sao ma trận CMOS đầu tiên có độ nhạy thấp hơn đáng kể so với ma trận CCD. Tình hình đã thay đổi với sự phát triển và ra mắt của Sony vào năm 2007 các ma trận CMOS được chế tạo bằng công nghệ EXMOR, trước đây được sử dụng cho các thiết bị cụ thể như kính thiên văn điện tử. Kích thước của phần cảm quang của pixel đã được tăng lên bằng cách di chuyển viền điện tử xuống lớp dưới cùng của phần tử, nơi nó không cản trở sự xâm nhập của ánh sáng. Điều này dẫn đến sự gia tăng độ nhạy của từng pixel và toàn bộ ma trận.

    Trong mỗi phần tử của ma trận CMOS cũng có yếu tố điện tử, theo tính chất của chúng mạch điện có tiếng ồn riêng và tiếng ồn này được thêm vào tiếng ồn của chính phần tử cảm quang. Hơn nữa, đối với mỗi pixel, mức độ nhiễu này là khác nhau.

    Độ lớn của tín hiệu nhận được từ mỗi pixel không chỉ phụ thuộc vào đặc tính của photodiode mà còn phụ thuộc vào đặc tính của từng phần tử của hệ thống dây điện tử của pixel. Hóa ra mỗi phần tử CMOS có cái riêng của nó.