Характеристики светочувствительных материалов

Основой конструкции твердотельного светочувствительного элемента является полупроводник, обладающий набором удивительных свойств, связанных с изменением его проводимости при нагревании, воздействии электромагнитных колебаний (света) и пр. Ключ к пониманию происходящих при этом процессов дает квантовая механика и разработанная на ее основе зонная (энергетическая) структура атома, в которой выделяют:

• валентную энергетическую зону, в которой размещаются электроны, связанные с ядром атома и обладающие определенной

для каждого химического элемента энергией;

• зону проводимости, где размещаются свободные носители отрицательного заряда – электроны, которые под действием

электрического поля могут перемещаться в произвольном направлении.

• запрещенную зону, свободную от электронов и представляющая некий энергетический барьер; такая зона отсутствует в металлах,

мала в диэлектриках и еще меньше в полупроводниках.

Для перемещения из валентной зоны в зону проводимости электрон должен получить дополнительную энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера. Ее минимальное значение Eg соответствует разности между максимально возможной энергией валентной зоны E_V и минимально возможной энергией зоны проводимости E_C.

Датчики цифрового изображения характеризуют: квантовая эффективность – мера эффективности датчика, определяемая как отношение числа зарегистрированных носителей заряда к числу фотонов, попавших на светочувствительную область. светочувствительность датчика ПЗС, зависящая от площади его светочувствительной области и квантовой эффективности;светочувствительность матрицы ПЗС, определяющая ее способность реагировать на оптическое излучение и генерировать заряд, которая зависит от монохроматической, спектральной и интегральной светочувствительности сенсора; порог светочувствительности, характеризующий минимальную величину регистрируемого светового сигнала; динамический диапазон, зависящий от способности потенциальной ямы удерживать заряд определенной величины и представляющий собой отношение максимального выходного сигнала датчика к уровню его собственного шума; размер матрицы светочувствительных элементов, измеряемый в мегапикселах и зависящий от возможностей промышленности по созданию микросхем

Твердотельные датчики цифрового изображения

Как известно, аналоговое изображение создается в результате фотохимической реакции, возникающей в процессе экспонирования фотографической эмульсии, при взаимодействии фотонов с чувствительными к свету зернами галоидных солей бромистого, хлористого или йодистого серебра. Такие зерна являются центрами светочувствительности, а их размер определяет разрешающую способность фото- графического изображения, достигающую 500 линий на мм. Цифровое изображение формируется в результате взаимодействия фотонов со светочувствительными элементами, объединенными в специализированную аналоговую интегральную микросхему и осуществляющими преобразование энергии фотонов в электрический заряд Разрешающая способность такого изображения зависит от линейного размера светочувствительного элемента (датчика, сенсора), которая в настоящее время достигает 4 мкм (несколько тысяч линий на мм). Цифровая фотография базируется на явлении фотоэффекта, заключающемся в испускании электронов некоторыми металлами под действием электромагнитного излучения. Это явление было открыто в 1887 году Генрихом Герцем; его исследованием занимались физики Александр Столетов и Филипп Ленард, а теоретическое обоснование дано Альбертом Эйнштейном в 1905 г. Появление твердотельных датчиков изображения относится к 1963 г., когда сотрудниками фирмы Honeywell Co. было изобретено «полупроводниковое фоточувствительное устройство» фотосканер, в котором использовалось свойство кремния реагировать на свет. В 1970 г., благодаря работам инженеров телефонной корпорации Belly, появился светочувствительный элемент Charge-Coupled Device (CCD) – прибор с зарядовой связью (ПЗС). Уже в 1972 г. коллектив той же компании объявил о создании улучшенного варианта CCD, и с тех пор практически регулярно, с интервалом в несколько лет, различные исследовательские лаборатории мира сообщают о всё новых изобретениях, конструкциях и технологиях производства датчиков изображения. В 1993 г. лаборатория NASA объявила о создании принципиально иного твердотельного датчика изображения, построенного по архитектуре CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor – Комплементарный Метал-Оксид-Полупроводник, КМОП) «Active-Pixel». Это изобретение открыло возможности для снижения стоимости, улучшения эксплуатационных характеристик датчиков и расширения области их применения. Следует отметить, что датчики CCD и CMOS не являются совокупностью транзисторов, сопротивлений, конденсаторов и пр., поскольку электрический сигнал в них представляется не током или напряжением, как в большинстве других приборов, а зарядами, которые при определенных условиях можно переносить между соседними элементами прибора

Датчики изображения CCD и CMOS

Конструкции сенсоров CCD и CMOS, как твердотельных датчиков изображения, не отличаются от рассмотренной ранее и включают кремниевую подложку p-типа, объемный канал переноса n-типа под ним, изолирующий слой двуокиси кремния и располагающиеся на нем. Одинаков и принцип получения изображения, основанный на использовании явления внутреннего фотоэффекта. Различия между ними заключаются в используемых способах сбора ин- формации с элементов светочувствительной матрицы (точнее – зарядов их потенциальных ям) и их первичной обработки. В датчиках ПЗС (CCD- сенсорах) по завершению экспонирования происходит его перенос в область хранения, путём последовательной подачи напряжения на следующие один за другим электроды. Если элементы организованы в виде двумерного массива, то выполняется параллельный, синхронный «построчный» перенос зарядов сразу целыми строками. Причем, заряды под электродами переноса перемещаются к соседним ПЗС-элементам и далее в последовательный регистр сдвига, откуда попадают на выходной усилитель, где и осуществляется их аналого-цифровой преобразование. За один рабочий цикл на вход усилителя должны поступить все строки зарядов матрицы. Датчики ПЗС характеризуются повышенными энергозатратами, большим (достигающим 100%) коэффициентом заполнения (отноше нием площади фоточувствительного элемента ко всей площади пиксела), а их производство требует использования специализированных технологических процессов и дорогостоящей производственной базы. Область применения датчиков ПЗС ограничивается использованием в высокоточных съемочных системах (например, аэрокосмических) и профессиональных фото- и видеокамерах. Изготовлением датчиков на основе CCD занимаются многие ведущие производители: Texas Instruments, SONY, SHARP, SAMSUNG и др.; в России они выпускаются НПП «Электрон-Оптроник» в Санкт- Петербурге. В датчиках КМОП (CMOS-сенсорах) кроме светочувствительного элемента размещена активная транзисторная схема архитектуры ActivePixel Sensors (APS), изготовленная по CMOS-технологии. Все это позволяет считывать информацию о состоянии каждого пиксела отдельно, задавая адрес его строки и столбца в двумерном массиве элементов изображение заданного фрагмента матрицы («окна»), масштабировать его, сжимать и пр., что важно для обнаружения движения в кадре или отслеживания передвижения объекта. Датчики КМОП характеризуются малым энергопотреблением (в 100 раз меньшим, чем ПЗС-датчики), обладают высоким быстродействием (до 500 кадров в секунду), их изготовление не требует больших затрат и возможно на стандартном промышленном оборудовании, применяемом при производстве более 90% всех существующих микросхем. Однако они имеют высокий (в сравнении с ПЗС) уровень шума и низкую светочувствительность. Сравнительные характеристики датчиков Преимущества и недостатки датчиков изображения ПЗС (CCD) КМОП (CMOS) Преимущества датчика − улучшенная светочувствительность; − стабильно высокое качество снимков; − улучшенная цветопередача и четкость снимков; −низкий фоновый шум. − более низкая стоимость − простота конструкции и возможность изготовления камер малого размера; − малое энергопотребление; − высокое быстродействие. Недостатки датчика − сложность изготовления, − более высокая стоимость: − появление ореола и размытости при прямом ярком свете. − низкая светочувствительность; − высокий коэффициент шума, особенно при низкой освещенности; − малый коэффициент заполнения (≤75%). Малое энергопотребление и низкая стоимость КМОП-датчиков предоставляют большие возможности по созданию на их основе самых разнообразных портативных устройств: цифровых фотоаппаратов, видеокамер для персональных компьютеров и ноутбуков, сотовых теле- фонов с интегрированной видеокамерой, интерактивных игрушек и пр. Кроме того, они широко используются в системах автоматизации производственных процессов, машинного зрения, датчиках движения, в медицинских зондах и пр. К началу 2008 г. ряд недостатков датчиков КМОП были преодолены, и они стали альтернативой ПЗС, хотя об их использовании в съемочных системах речи пока не идет.