Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №9

Анатомия сенсоров изображений

Бараш Л.

Сенсоры изображений (image sensors) являются главным элементом цифровых фотоаппаратов, сканеров и многих приборов, использующихся в науке, медицине и в военных целях. В основе функционирования всех сенсоров лежит одно и то же явление фотоэффекта — взаимодействия света (фотонов) с электронами, однако технологии изготовления сенсорных матриц и механизмы их работы различаются. Хотя сенсоры изображений применяются во многих устройствах, мы будем рассматривать их особенности только в контексте цифровых фотоаппаратов.

Точная дата рождения цифровой фотографии неизвестна. Наиболее вероятным периодом называют конец 1960-х гг. — время, когда многие исследователи обнаружили, что структуры КМОП (CMOS) обладают чувствительностью к свету. Второй тип фоточувствительных полупроводниковых устройств — приборы с зарядовой связью, ПЗС, или в английском написании CCD (Charge Coupled Device) — были изобретены в конце 1969 г. Уильямом Бойлем (William Boyle) и Джорджем Смитом (George Smith) из Bell Labs. Качество формирования изображений у этих устройств было на то время столь высоким, что они быстро затмили матрицы на КМОП.

Первые коммерчески доступные ПЗС-сенсоры появились в 1973 г. Впечатляющие возможности по переносу заряда сделали их идеальным выбором для изготовления сенсорных матриц. Сегодня ПЗС являются специализированными чипами, применяемыми, как правило, только для захвата изображения. Они производятся небольшим числом компаний, в частности Sony, Philips, Kodak, Matsushita, Fuji и Sharp. КМОП также продолжают использоваться в фотокамерах, однако более прочно утвердились для изготовления памяти, обработки данных и других цифровых функций ввиду их низкого энергопотребления и гибкой полупроводниковой технологии. Тем не менее ряд характеристик этих устройств продолжает привлекать к себе внимание производителей цифровой фототехники. Поскольку особенности архитектуры КМОП позволяют осуществлять обработку изображений и преобразование аналог-код прямо в чипе, цифровые камеры и другие устройства на базе КМОП получаются значительно дешевле. Вдобавок КМОП-камеры требуют меньше сопутствующей электроники и печатных плат и могут быть размером с ноготь или еще меньше. В начале 90-х характеристики КМОП-сенсоров, а также технология производства были значительно улучшены. Например, прогресс в субмикронной литографии и дальнейшая миниатюризация транзисторов в интегральных схемах позволили применять в КМОП-сенсорах более тонкие соединения. Это, в свою очередь, привело к увеличению фоточувствительности за счет большего процента облучаемой площади матрицы. Таким образом, в последние годы КМОП стали практической альтернативой ПЗС. Однако в сегменте высокоуровневых решений ПЗС в ближайшее время будут удерживать первенство.

Что происходит в кремнии

Большинство сенсоров изображений строится на базе кремния. Напомним вкратце основные принципы взаимодействия света и электронов в полупроводниках.

Как известно, энергия фотона связана с частотой (длиной волны) соотношением

Е = hv = hс/λ

где — h постоянная Планка, с — скорость света, v — частота, λ — длина волны падающего света. Если энергия фотона больше, чем ширина энергетической щели, разделяющей валентную зону и зону проводимости полупроводника, то электрон при взаимодействии с таким фотоном может перейти из валентной зоны в зону проводимости и стать подвижным. Важным следствием данного соотношения является существование минимальной длины волны света, при которой возможно появление подвижного электрона. Обычно полупроводник легируют соответствующим материалом, что приводит к образованию промежуточных энергетических уровней в запрещенной зоне. Это позволяет свету с длиной волны большей, чем минимальная, генерировать электроны проводимости. Легирование бором создает полупроводник р-типа, а фосфором — n-типа.

Вообще говоря, электроны проводимости способен генерировать свет в видимом диапазоне длин волн (400–750 нм) и в ближней инфракрасной области спектра (1100 нм). Количество электронов, так называемый квантовый выход, является линейной функцией от числа фотонов, падающих на единицу площади за единицу времени (интенсивности света). Оно может быть меньше (рис. 1) за счет отраженных и поглощенных фотонов и рекомбинации возбужденных электронов или больше — при взаимодействии с высокоэнергетическими фотонами. Квантовый выход является одним из важнейших параметров, используемых при оценке качества фотодетектора.

Пиксели

Сенсор изображений состоит из набора фотоприемников — пикселов, которые образуют прямоугольную матрицу. Хотя структура пикселов зависит от типа сенсора, принципы их работы одинаковы.