# Sensore d’immagine a semiconduttore > Convertire la luce in segnali elettrici - Data: c. 1963 - Epoca: Età moderna - Ambito: [Ottica e immagine](https://lastcodex.org/it/domains/optics/) - Fase: V (Era elettrica) - Difficoltà: 5/5 - URL: https://lastcodex.org/it/inventions/image-sensor/ Un sensore d’immagine a semiconduttore converte una distribuzione di luce in segnali elettrici mediante architetture sviluppate dai primi anni Sessanta. Nella variante CCD, le cariche raccolte nel silicio vengono trasferite a un’uscita analogica la cui misura può poi essere digitalizzata. ![Sensore d’immagine a semiconduttore · Convertire la luce in segnali elettrici](https://lastcodex.org/_astro/plate.BWXTvVZw_ZoKPsf.webp) ## Legenda 1. Matrice fotosensibile di silicio 2. Trasferimento lungo le colonne 3. Registro di lettura seriale 4. Stadio di uscita 5. Segnale analogico in uscita ## Che cos'è Un sensore d’immagine elettronico trasforma una distribuzione di luce in segnali elettrici. Nel CCD, dispositivo ad accoppiamento di carica, le zone fotosensibili raccolgono cariche che rappresentano l’illuminazione ricevuta durante un’esposizione. La loro posizione nella matrice permette di ricostruire la distribuzione spaziale. Le famiglie MOS e CCD organizzano diversamente la lettura. In un sensore MOS a pixel passivi, un transistor seleziona il fotodiodo e ne trasmette il segnale a un circuito comune; un pixel attivo aggiunge un’amplificazione locale. Nel CCD, i pacchetti di carica si spostano invece nel semiconduttore fino all’uscita. La luce assorbita nel silicio può creare portatori di carica. I campi elettrici permettono di raccogliere gli elettroni utili. Il sensore conserva una misura locale; l’obiettivo che forma l’immagine e il sistema che la registra svolgono altre funzioni. Il CCD produce inizialmente grandezze analogiche. Un convertitore analogico-digitale trasforma la loro misura in valori numerici. Raccolta del segnale, lettura e digitalizzazione sono funzioni successive di una catena. Un segnale elettrico d’immagine può anche essere usato per il video analogico. ## Come funziona ![Uno strato isolante separa gli elettrodi di gate fissi dal silicio, con un pacchetto di cariche rappresentato sotto](https://lastcodex.org/_astro/v1.Dr7ltZip_19QGLL.webp) _Le tensioni dei gate spostano le zone di accumulo elettrico; il silicio resta immobile._ Gli elettrodi, isolati dal silicio da uno strato di ossido, creano buche di potenziale. Sono regioni nelle quali il campo elettrico può trattenere le cariche. Non si tratta di piccoli recipienti scavati nel cristallo. Durante l’esposizione le cariche si accumulano. In una semplice architettura a matrice, il comando degli elettrodi sposta poi i pacchetti lungo le colonne verso un registro seriale. Questo li presenta in successione allo stadio di uscita, dove possono essere misurati come tensione. L’ordine di lettura conserva la posizione originaria di ciascuna misura. La risposta ha dei limiti. Un sito può saturare; la corrente di buio aggiunge cariche anche senza luce e la lettura introduce rumore. Il numero di pixel, da solo, non descrive quindi la qualità di un’immagine. ![Un mosaico quadrato di filtri rossi, verdi e blu sopra fotositi di silicio](https://lastcodex.org/_astro/v2.CaX_-KNi_HDOM3.webp) _Un mosaico di filtri seleziona i colori prima della raccolta delle cariche._ I filtri colorati separano bande dello spettro. Con una matrice di filtri, ogni fotosito riceve una parte dell’informazione cromatica. L’elaborazione combina le misure vicine per ricostruire i colori. In un CCD a quadro intero, la stessa superficie riceve la luce e successivamente trasferisce le cariche. La lettura avviene durante un’interruzione dell’illuminazione, per esempio con un otturatore esterno chiuso, per limitare il segnale aggiunto durante il trasferimento. Altre architetture impiegano una zona di memoria separata oppure registri schermati accanto ai fotositi. ## Come si fa Per fabbricare un CCD si usano una fetta di silicio molto puro, regioni drogate, isolanti, elettrodi e collegamenti metallici. I motivi sono realizzati mediante processi di microfabbricazione in camera bianca. In una variante con metallizzazione in alluminio, questo metallo forma collegamenti e scherma le aree che devono restare al buio. L’incapsulamento permette poi di utilizzare il chip senza esporne gli strati fragili. Per comprendere la lettura, tracciare una griglia su carta e distribuire gettoni nelle caselle per rappresentare illuminazioni diverse. Iniziare dalla riga inferiore, portarne i gettoni nella striscia di lettura e spostarli verso la casella di conteggio a destra; leggere per prima la casella più a destra. Ripetere per le altre righe, dal basso verso l’alto. Annotare i valori nell’ordine e riportarli in una griglia identica. Non decapare, scaldare o rompere un chip per cercarne i pixel. ## Storia ed evoluzione Nei primi anni Sessanta Paul Weimer studiò alla RCA sensori con transistor a film sottile su vetro. Nel 1963 S. R. Morrison presentò alla Honeywell dispositivi con diodi diffusi nel silicio, fra cui un dispositivo di scansione e un rilevatore della posizione di un punto luminoso. IBM presentò lo scanistor nel 1964: le sue giunzioni fornivano un segnale legato all’illuminazione locale. Questi dispositivi precedettero l’accumulo intenzionale di carica all’interno dei pixel. I sensori a stato solido precedono il CCD. Nel 1967 Gene Weckler studiò l’integrazione del segnale dei fotodiodi; nel 1968 Peter Noble descrisse matrici di rivelatori al silicio con lettura comandata e amplificazione nel pixel. Nel 1969, ai Bell Labs, Willard Boyle e George Smith concepirono il trasferimento di cariche del CCD durante ricerche sulle memorie. Le note iniziali sono datate 8 settembre. Le pubblicazioni del 1970 e il lavoro di Michael Tompsett e dei suoi colleghi portarono alle applicazioni d’immagine. I sensori CMOS a pixel attivi seguono un’altra organizzazione di lettura. L’amplificazione avviene localmente nel pixel e l’accesso è comandato per righe e colonne. All’inizio degli anni 1990 il gruppo di Eric Fossum al JPL sviluppò questa soluzione per camere compatte. I trasferimenti locali presenti in alcuni pixel CMOS non trasformano la matrice in un CCD. Entrambe le famiglie impiegano la conversione fotoelettrica, con architetture diverse. ## Dati chiave - Primi dispositivi a semiconduttore: Intorno al 1963 - Concezione del CCD: 1969 - Materiale fotosensibile del CCD: Silicio - Lettura del CCD: Trasferimento di cariche - Uscita del CCD prima della digitalizzazione: Segnale analogico ## Richiede - [Circuito integrato](https://lastcodex.org/it/inventions/integrated-circuit/): Componenti e collegamenti su un chip (1949) - [Alluminio](https://lastcodex.org/it/inventions/aluminium/): Allumina trasformata in metallo dalla corrente (1886) ## Fonti - [The Nobel Prize in Physics 2009: The masters of light, Information for the public](https://www.kva.se/app/uploads/2022/06/popfyen09.pdf), Royal Swedish Academy of Sciences - [Charge-coupled device: Innovation history](https://www.nokia.com/bell-labs/about/history/innovation-stories/charge-coupled-device/), Nokia Bell Labs - [Technical note: CCD image sensors, KMPD9002E](https://www.hamamatsu.com/content/dam/hamamatsu-photonics/sites/documents/99_SALES_LIBRARY/ssd/ccd_kmpd9002e.pdf), Hamamatsu Photonics - [CMOS Image Sensors: Electronic Camera On A Chip, IEDM 1995, Eric R. Fossum](https://ericfossum.com/Publications/Papers/CMOS%20Image%20Sensors%20Electronic%20camera%20on%20a%20chip%20IEDM.pdf), Eric R. Fossum / IEEE / JPL - [Queen Elizabeth Prize Honors Digital Imaging Pioneers](https://www.jpl.nasa.gov/news/queen-elizabeth-prize-honors-digital-imaging-pioneers/), NASA Jet Propulsion Laboratory - [The basics of microchips](https://www.asml.com/en/technology/all-about-microchips/microchip-basics), ASML - [Fairchild Journal of Semiconductor Progress, 1977, Coin Sorting with CCD](https://archive.computerhistory.org/resources/access/text/2024/06/102798014-05-0001-acc.pdf), Fairchild Camera and Instrument Corporation / Computer History Museum archive - [Boron: Element information, properties and uses](https://periodic-table.rsc.org/element/5/boron), Royal Society of Chemistry - [Phosphorus: Element information, properties and uses](https://periodic-table.rsc.org/element/15/phosphorus), Royal Society of Chemistry - [CMOS Image Sensors - Past Present and Future (2006)](https://www.imaging.org/common/uploaded%20files/pdfs/Papers/2006/ICIS-0-736/33711.pdf), Boyd Fowler, Xinqiao Liu, Paul Vu / Fairchild Imaging / IS&T - [First TFT Solid State Image Sensor, accession S.219](https://embark.tcnj.edu/objects-1/info/222), The College of New Jersey, Sarnoff Collection - [How microchips are made](https://www.asml.com/en/technology/all-about-microchips/how-microchips-are-made), ASML - [A new type of photosensitive junction device (public abstract)](https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0038110163900339), S. R. Morrison, Solid-State Electronics, September–October 1963 - [Video Camera Technologies Systematization](https://sts.kahaku.go.jp/albums/abm.php?d=6689&f=abm00015953.pdf&n=078_e.pdf), Yasuo Takemura, National Museum of Nature and Science, 2013 - [History of imaging devices, section 1-1](https://www.ieice-hbkb.org/files/08/08gun_04hen_01-01.pdf), Takao Ando, IEICE Knowledge Base, 2011 Fatti verificati il 2026-11-01. --- The Last Codex · https://lastcodex.org/it/inventions/image-sensor/ · © The Last Codex. Testi, tavole e figure: CC BY-NC-ND 4.0.