Анатомия цифрового фотоаппарата: сенсоры

Кремний

Большинство сенсоров созданы на основе кремния. Когда фотоны ударяются о кремний, электроны в кремнии возбуждаются и ковалентная связь, удерживающая электроны в атомах кремния, нарушается. Количество высвободившихся электронов прямо пропорционально энергии или интенсивности света. В зависимости от способов контроля и измерения этого фотоэлектрического эффекта, существует несколько различных дизайнов сенсоров. Они различаются эффективностью и аккуратностью учета электронов.

Заметим, фотоны должны обладать достаточной энергией, чтобы разрушить ковалентные связи в атомах кремния, чтобы появились свободные электроны (или электронно-дырочные пары) То есть энергия фотонов должна быть больше, чем ширина запрещенной зоны кремния - 1,1 эВ. Это значит, что волны должны быть из видимой части спектра (400-750 нм) или близкие к инфракрасным (до 1100 нм) - только фотоны этих волн способны разрушить связи. Именно поэтому в качестве основы сенсоров для фотоаппаратов был выбран кремний. Волны длиной менее 400 нм могут быть поглощены структурой сенсора (подробнее об этом - ниже). Если фотоны не обладают требуемой энергией (длина таких волн обычно больше 1100 нм), то свободных электронов не возникает и фотоны не вызывают никакой реакции.

Формула энергии фотонов

В идеальных условиях зависимость между фотонами и электронами была бы прямой, и один фотон высвобождал бы ровно один электрон. В результате квантовый выход бы составлял сто процентов. Тем не менее, обычные сенсоры, используемые в цифровых камерах, не столь эффективны - один фотон высвобождает не один электрон, а меньше. (Хотя бывает, что фотоны невидимых волн могут высвободить даже более одного электрона) Но даже после того, как электроны освобождаются, нет гарантии того, что они будут учтены сенсором. Поэтому у сенсоров цифровых камер квантовая эффективность ниже ста процентов.

Ещё один важный фактор в достижении большей квантовой интенсивности - это качество и чистота кремниевой пластины. Кристаллы кремния "выращиваются", и в зависимости от условий его производства определяется его качество. Если все кристаллические решетки расположены в одном направлении, то кремний лучше проводит электроны. (В будущем, возможно, кремний будут выращивать в космосе и тем самым негативный эффект от силы тяжести, которая мешает идеальному росту кристалла, исчезнет. Вероятнее всего, кристаллы в космосе будут производиться в ограниченных количествах - специально для тех случаев, когда требуется очень высокое качество. Кремниевые пластины, произведенные в космосе, скорее всего, будут дорогими и редкими).

Чистые и точные

Чистая комната

Получение полупроводников из кремния - довольно сложный процесс, требующий чистоты и микроскопической точности. Точность необходима в наложении на кремний фоторезистных масок. Затем кремний подвергается световой и температурной обработке, ионному легированию, дополнительным наслоениям и травлению.

"Легирование" кремния повышает его способность проводить электроны. Достигается это аккуратным внедрением примесей, создающих полюса зарядов. В качестве примесей используются бор (имеющий одним электроном меньше) и фосфор (имеющий на один электрон больше). Таким образом, бор создаёт на кремниевой решетке положительный заряд (или "дырки") - такой полупроводник называется полупроводником p-типа или положительный метал-оксид-полупроводник (positive metal oxide semiconductor, PMOS). С примесью фосфора заряд проводника становится отрицательным - такой полупроводник называется полупроводником n-типа (negative metal oxide semiconductor NMOS). В различных архитектурах сенсоров полупроводники этих двух типов могут использоваться по-разному. Полупроводники p-типа притягивают отрицательно заряженные электроны, а n-типа - отталкивают. Такое взаимодействие создаёт ток электронов.

В КМОП устройствах имеются транзисторы обоих типов (p и n). Ключевой характеристикой КМОП устройств является незначительное потребление энергии, при простаивании (хранении единички или нолика) и высокое потребление энергии при переключении из одного состояния в другое.

Сенсор состоит из пикселей, то есть из множества светочувствительных элементов (photosites). Они обычно расположены в сетке - из столбцов и колонок. Структура этих элементов зависит от типа сенсора, но принцип их работы везде одинаков.

Сенсор

Светочувствительные области пикселя получают свет (фотоны) и преобразуют его в электроны. Такая светочувствительная область в английском языке имеет множество названий - photocapacitor, photogate или photodiode. По-русски она называется фотодиодом. Электроны, полученные в этом фотодиоде, накапливаются в зарядовом кармане (potential pixel well). Величина накопленного заряда зависит от интенсивности падающего на поверхность фотодиода света. Количество времени, в течение которого накапливается заряд, называется временем интеграции (integration time). Таким образом, светочувствительная область содержит частичку информации изображения в виде электрического заряда, полученного из падающего света.

Введение примесей

В производстве сенсоров светочувствительная область определяется примесями, использующимися для того, чтобы воспользоваться преимуществом зарядной емкости легированного кремния. Например, пиксель может состоять из кармана p-типа на подложке n-типа. Чем меньшее количество примесей использовано, тем больше разница потенциалов.

Пиксели что в КМОП, что в ПЗС матрицах - одинаковы, основные различия начинаются после того, как фотоны преобразуются в электроны. Отметим все же, что архитектура пикселей у различных производителей может быть неодинаковой. Например, Philips наносит на светочувствительный элемент очень тонкий слой кремния с примесями из мышьяка. У получившейся смеси, как и у бора, количество электронов меньше на один. Цель подобного рода операций - увеличение зарядной емкости пикселя.

Преломление света

В обычной фотопленке на пластиковую основу наносятся галоиды серебра - именно они реагируют на любой свет, падающий под любым углом. В отличие них, кремниевые пиксели реагируют на свет только в том случае, когда он падает под прямым углом (или близким к прямому). Это требуется для того, чтобы пиксели получали больший электрический заряд. Для обеспечения требуемого угла над каждым пикселем сенсора помещается специальная выпуклая микролинза. Именно таким образом корректируется угол падения света и увеличивается светочувствительность сенсора.

Во многих случаях, стоимость объектива фотоаппарата может быть значительно выше стоимости сенсора. Преимущество использования микролинз заключается в том, что при большой угловой чувствительности сенсора можно использовать дешевый небольшой объектив. Однако микролинзы используются далеко не во всех сенсорах.

Обычно микролинзы создаются путем нанесения резистного материала на сенсор. Затем относительно пикселей в этом материале протравливается сетка. При нагревании остатки оплавляются и принимают куполообразную форму. Форма и характеристики микролинзы зависят от толщины резистного слоя, температуры процесса и от подложки. Сенсор должен выполнять по меньшей мере пять основных операций - поглощать фотоны, преобразовывать их в заряд, накапливать его, передавать, и преобразовывать в напряжение. Оба типа сенсоров - и КМОП, и ПЗС - выполняют все пять операций. Первые три операции выполняются везде одинаково, но технологии отличаются передачей заряда и преобразованием заряда в напряжение.