Halbleiter-Bildsensor

Ein Halbleiter-Bildsensor wandelt eine räumliche Lichtverteilung in elektrische Signale um; entsprechende Architekturen entstanden seit den frühen 1960er-Jahren. Bei der CCD-Variante werden die im Silizium gesammelten Ladungen zu einem analogen Ausgang übertragen, dessen Messwerte anschließend digitalisiert werden können.

Was es ist

Ein elektronischer Bildsensor wandelt eine räumliche Lichtverteilung in elektrische Signale um. Beim CCD, dem ladungsgekoppelten Bauelement, sammeln lichtempfindliche Bereiche während der Belichtung Ladungen. Diese stehen für die empfangene Beleuchtung. Die Anordnung der Messstellen erlaubt es, die räumliche Verteilung später wiederherzustellen.

MOS- und CCD-Sensoren organisieren das Auslesen unterschiedlich. Bei einem passiven MOS-Pixel wählt ein Transistor die Fotodiode aus und leitet ihr Signal an eine gemeinsame Schaltung weiter. Ein aktives Pixel enthält zusätzlich eine örtliche Verstärkung. Beim CCD wandern dagegen Ladungspakete durch den Halbleiter bis zum Ausgang. Die Lichtaufnahme und die Gewinnung des elektrischen Messwerts lassen sich damit als getrennte Funktionen betrachten.

In Silizium absorbiertes Licht kann Ladungsträger erzeugen. Elektrische Felder sammeln die nutzbaren Elektronen. Der Sensor hält eine örtliche Messung fest; das Objektiv zur Bilderzeugung und das Aufzeichnungssystem erfüllen andere Aufgaben.

Ein CCD liefert zunächst analoge Größen. Ein Analog-Digital-Wandler setzt ihre Messwerte in Zahlen um. Lichtaufnahme, Auslesen und Digitalisierung sind unterschiedliche Funktionen innerhalb einer Verarbeitungskette. Ein elektrisches Bildsignal kann auch für analoges Video verwendet werden.

Wie es funktioniert

Die Gate-Spannungen verschieben die elektrischen Speicherbereiche; das Silizium bleibt unbewegt.

Durch eine Oxidschicht vom Silizium isolierte Elektroden erzeugen Potentialmulden. Dort hält das elektrische Feld die Ladungen fest. Es handelt sich um elektrische Speicherbereiche und nicht um kleine, in den Kristall gegrabene Behälter.

Während der Belichtung sammelt sich Ladung an. In einer einfachen Matrixarchitektur verschieben gesteuerte Elektrodenspannungen die Pakete anschließend entlang der Spalten in ein serielles Register. Dieses führt sie nacheinander zur Ausgangsstufe, wo sie als Spannung gemessen werden können. Die Reihenfolge bewahrt die Zuordnung zum ursprünglichen Bildort.

Die Antwort ist begrenzt. Eine Messstelle kann sättigen; Dunkelstrom erzeugt auch ohne Beleuchtung zusätzliche Ladung, und das Auslesen bringt Rauschen ein. Die Pixelzahl allein beschreibt daher nicht die Qualität eines Bildes.

Ein Filtermosaik wählt Farben aus, bevor die Ladungen gesammelt werden.

Farbfilter trennen Bereiche des Spektrums. Bei einem Filtermosaik erhält jede Messstelle nur einen Teil der Farbinformation. Die Verarbeitung kombiniert benachbarte Messwerte, um die Farben zu rekonstruieren.

Bei einem Vollbild-CCD dient dieselbe Fläche zunächst zur Lichtaufnahme und anschließend zum Ladungstransport. Während des Auslesens wird die Beleuchtung unterbrochen, etwa durch einen geschlossenen externen Verschluss. So wird während des Transports möglichst wenig weiteres Lichtsignal gesammelt. Andere Bauarten besitzen einen eigenen Speicherbereich oder abgeschirmte Register neben den lichtempfindlichen Bereichen. Damit unterscheiden sich auch die Abläufe beim Belichten und Auslesen.

So geht’s

Zur Herstellung eines CCD dienen eine hochreine Siliziumscheibe, dotierte Bereiche, Isolatoren, Elektroden und metallische Verbindungen. Die Muster entstehen durch Mikrostrukturierung im Reinraum. Bei einer Variante mit Aluminiummetallisierung bildet dieses Metall Verbindungen und schirmt Bereiche gegen Lichteinfall ab. Das Gehäuse macht den Chip nutzbar, ohne seine empfindlichen Schichten offenzulegen.

Das Auslesen lässt sich auf Papier nachvollziehen. Ein Raster zeichnen und seine Felder mit Spielsteinen für unterschiedliche Beleuchtungsstärken belegen. Mit der untersten Reihe beginnen, ihre Spielsteine in die Ausleseleiste verschieben und von dort nach rechts zum Zählfeld weiterreichen; das Feld ganz rechts wird zuerst gelesen. Für die übrigen Reihen von unten nach oben wiederholen. Die Werte in ihrer Reihenfolge notieren und in ein gleiches Raster eintragen.

Einen Chip nicht abätzen, erhitzen oder zerbrechen, um Pixel zu suchen.

Geschichte und Entwicklung

Bereits Anfang der 1960er-Jahre untersuchte Paul Weimer bei RCA Bildsensoren mit Dünnschichttransistoren auf Glas. 1963 stellte S. R. Morrison bei Honeywell Bauelemente mit in Silizium diffundierten Dioden vor, darunter eine Abtastvorrichtung und einen Detektor für die Position eines Lichtflecks. IBM stellte 1964 den Scanistor vor. Seine Übergänge lieferten ein Signal entsprechend der örtlichen Beleuchtung. Diese Ansätze gingen der gezielten Ladungsintegration innerhalb der Pixel voraus.

Festkörpersensoren gab es schon vor dem CCD. Gene Weckler untersuchte 1967 die Integration von Fotodiodensignalen. Peter Noble beschrieb 1968 Siliziumdetektor-Matrizen mit gesteuertem Auslesen und Verstärkung innerhalb des Pixels.

Willard Boyle und George Smith entwarfen 1969 bei Bell Labs das Ladungstransportprinzip des CCD im Rahmen von Speicherforschung. Ihre ersten Notizen tragen das Datum 8. September. Veröffentlichungen von 1970 und weitere Arbeiten von Michael Tompsett und seinen Kollegen führten zu Anwendungen in der Bildaufnahme.

CMOS-Sensoren mit aktiven Pixeln sind beim Auslesen anders organisiert. Die Verstärkung erfolgt örtlich im Pixel; Zeilen und Spalten werden gezielt adressiert. Anfang der 1990er-Jahre entwickelte Eric Fossums Team am JPL diesen Ansatz für kompakte Kameras weiter. Örtliche Ladungstransfers in manchen CMOS-Pixeln machen die Matrix nicht zu einem CCD. Beide Familien nutzen die photoelektrische Umwandlung, besitzen jedoch unterschiedliche Architekturen.