Opbouw van de CCD beeldsensor.
Fig 3 1
De beeldsensor heeft een basis van silicium dat werd gedoteerd met borium.
De zone waarin het licht wordt omgezet in lading, noemen we de 1st P-Well.
De fotonen van het invallend licht zorgen voor de nodige energie om de elektronen in een geleidende baan te brengen.
Het silicium is bedekt met een laag siliciumoxide (SiO2) dat een elektrisch isolatie en bescherming biedt aan het onderliggende silicium substraat (Eg = 8 eV SiO2).
Fig 3.2
De read out gate is de overgangszone tussen de 1st P-Well en het verticale register.
Met een interval gelijk aan de verticale sync wordt de geaccumuleerde elektronenlading in de pixel, simultaan getransfereerd naar het nabijgelegen verticale shiftregister.
Fig 3.3
Het verticale shiftregister verschuift de elektronenlading tot aan het horizontale register.
Het verticale shiftregister is het Charged Coupled Device in de afkorting CCD.
De floating diffusion aan het uiteinde is de plaats waar de lading naar spanning wordt omgezet en versterkt.
Dark Current Noise of Fixed Pattern Noise.
Fig 3.4
Het raakvlak tussen het siliciumoxide en het silicium is elektrisch onstabiel en neigt naar de opwekking van spontane elektronen.
Zonder lichtinval – cameralens afgedekt – en geholpen door de opwarming van de sensor worden er elektronen geagiteerd.
Een ongewenste ladingenstroom wordt dan waargenomen als signaalruis (signal noise) gekend als donkerstroom-ruis (Dark Current Noise) en patroon-ruis (Fixed Pattern Noise).
Blooming en smear
 |
|
Fig 3.5
Blooming en vertikale smear zijn twee randeffecten bij beeldsensors.
Bij een overdaad van invallende licht, vaak gespot bij de koplampen van een voertuig dat voorbij de camera rijdt, loopt de 1st P-Well over.
Bij blooming springen de elektronen over naar naburige pixels.
Fig 3.6
Bij white smear bereiken de pixels het horizontale register op eigen kracht via het siliciumoxide.
Bij red smear wordt het horizontale register via het silicium bereikt.
In vergelijking met blauw en groen, vallen de fotonen van rood licht gemiddeld dieper in het silicium. De dieper liggende elektronen, die door het rode licht worden geagiteerd, bereiken het verticale register op eigen kracht, zonder de controlerende werking van de read out gate.
Infrarood licht, dat nog energetischer is dan zichtbaar rood licht valt nog dieper in het silicium.
Tijd voor corrigerende maatregelen : Sony’s HAD !
HAD – Hole Accumulated Diode
Fig 3.7
Om het probleem van dark current noise te verhelpen wordt een Hole Accumulated Layer (HAL) aangebracht tussen beide oppervlakken.
De HAL is gedoteerd met positief geladen holes (gaten) en beïnvloed het potentiaal in de contactlaag tussen siliciumoxide (SiO2) en silicium (Si).
De HAL in combinatie met een N-type onderlaag creëert het effect van een diode.
Ladingen die willen bloomen worden gesperd.
De grootste verbetering is echter dat deze HAD techniek de ladingen verzameld onder het oppervlak.
Meer ladingen kunnen zo efficiënter en sneller door de read out gate.
Fig 3.8
Met een 2nd P-Well schermen we het verticale register af voor ongecontroleerde transfers van ladingen afkomstig van voornamelijk rood licht en infrarood licht.
Door de isolerende siliciumoxidelaag (SiO2) te vernauwen, sluiten we ook deze binnenweg naar het verticale register.
OCL – On Chip Lens
Fig 3.10
Verdere verbetering aan de lichtgevoeligheid wordt bereikt door het invallend licht te concentreren door een lens die op elke pixel wordt verdampt (Hyper HAD).
Fig 3.11
Bij de Exwave HAD is de lens dubbel uitgevoerd, zowel op de bovenkant van het Bayer patroon kleurenfilter als aan de onderzijde ervan.
Waar bevindt zich het kleurenfilter ?
Fig 3.12
Net onder de OCL is het kleurenfilter aangebracht in een Bayer-patroon Rood Groen Blauw Groen
Opbouw van de CMOS sensor.
Fig 3.13
De CMOS beeldsensor vervangt de CCD beeldsensor.
CMOS is de afkorting van Complementary Metal Oxide Semiconductor.
De CMOS schakelingis de halfgeleider
De CMOS sensor is nog steeds gebaseerd op het 1st P-Well silicium, maar door nieuwe productie-technieken kunnen er meer circuits op eenzelfde oppervlak gebouwd worden.
Bij CMOS sensor is het verticale shiftregister vervangen door een matrix van pixel switches.
De read out gate verbindt rechtstreeks met een eigen floating diffusion die de lading omzet en versterkt naar een spanning.
De afbeelding hierboven toont de circuits achter elkaar. In werkelijkheid is de uitvoering compacter.
Fig 3.14
Het aandeel bedrading in het afdekken van de beeldsensor is verwaarloosbaar bij CCD sensors.
Bij CMOS bedekt het meer dan de helft van het lichtgevoelige silicium.
Fig 3.15
In een nieuwste ontwikkeling wordt de structuur van de sensor omgekeerd.
Een Back Illuminated CMOS heeft de bedrading ingewerkte achter het silicium, en creëert zo een groter nuttig sensor oppervlak.
Fig 3.16