Sensor de píxeles activos

Mientras investigaban la tecnología de semiconductores de óxido metálico (MOS), Willard Boyle y George E. Smith descubrieron que se podía almacenar una carga eléctrica en un pequeño condensador MOS , que se convirtió en el componente fundamental del dispositivo de carga acoplada (CCD) que inventaron en 1969. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Uno de los principales desafíos de la tecnología CCD fue su dependencia de una transferencia de carga casi perfecta durante la lectura. Esta limitación dio lugar a varios inconvenientes: tolerancia a la radiación relativamente baja, rendimiento deficiente en condiciones de poca luz, dificultades de fabricación para producir grandes matrices, integración limitada con la electrónica en el chip , eficiencia reducida a bajas temperaturas, limitaciones a altas velocidades de fotogramas y desafíos en la fabricación utilizando materiales distintos del silicio para extender la respuesta de longitud de onda. ^{[ 1 ]}

En RCA Laboratories , un equipo de investigación que incluía a Paul K. Weimer , WS Pike y G. Sadasiv propuso en 1969 un sensor de imagen de estado sólido con circuitos de escaneo que utilizaban transistores de película delgada (TFT), con película fotoconductora utilizada para el fotodetector . ^{[ 8 ] [ 9 ]} Richard F. Lyon demostró en 1981 un generador de imágenes MOSFET de canal N (NMOS) de baja resolución "en su mayoría digital" con amplificación intrapíxel, para una aplicación de ratón óptico . ^{[ 10 ]} Otro tipo de tecnología de sensor de imagen que está relacionada con el APS es la matriz de plano focal infrarrojo híbrido (IRFPA), ^{[ 1 ]} diseñada para operar a temperaturas criogénicas en el espectro infrarrojo . Los dispositivos son dos chips que se colocan como un sándwich: un chip contiene elementos detectores hechos de InGaAs o HgCdTe , y el otro chip está hecho típicamente de silicio y se utiliza para leer los fotodetectores. Se desconoce la fecha exacta de origen de estos dispositivos, pero ya estaban en uso a mediados de la década de 1980.

Un elemento clave del sensor CMOS moderno es el fotodiodo fijado (PPD). ^{[ 2 ]} Fue inventado por Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki y Yasuo Ishihara en NEC en 1980, ^{[ 2 ] [ 11 ]} y luego reportado públicamente por Teranishi e Ishihara con A. Kohono, E. Oda y K. Arai en 1982, con la adición de una estructura antiblooming. [ ^{2 ] [ 12 ] El} fotodiodo fijado es una estructura de fotodetector con bajo retardo , bajo ruido , alta eficiencia cuántica y baja corriente oscura . La nueva estructura de fotodetector inventada en NEC recibió el nombre de "fotodiodo fijado" (PPD) por BC Burkey en Kodak en 1984. En 1987, el PPD comenzó a incorporarse en la mayoría de los sensores CCD, convirtiéndose en un elemento fijo en las cámaras de video electrónicas de consumo y luego en las cámaras fotográficas digitales . Desde entonces, el PPD se ha utilizado en casi todos los sensores CCD y luego en los sensores CMOS. ^{[ 2 ]}

El precursor del APS fue el sensor de píxeles pasivos (PPS), un tipo de matriz de fotodiodos (PDA). ^{[ 2 ]} Un sensor de píxeles pasivos consta de píxeles pasivos que se leen sin amplificación , y cada píxel consta de un fotodiodo y un interruptor MOSFET . ^{[ 13 ]} En una matriz de fotodiodos, los píxeles contienen una unión pn , un condensador integrado y MOSFET como transistores de selección . Una matriz de fotodiodos fue propuesta por G. Weckler en 1968, anterior al CCD. ^{[ 1 ]} Esta fue la base del PPS, ^{[ 2 ]} que tenía elementos de sensor de imagen con transistores de selección en el píxel, propuestos por Peter JW Noble en 1968, ^{[ 14 ] [ 2 ] [ 8 ]} y por Savvas G. Chamberlain en 1969. ^{[ 15 ]}

Los sensores de píxeles pasivos se estaban investigando como una alternativa de estado sólido a los dispositivos de imagen de tubo de vacío . El sensor de píxeles pasivos MOS utilizaba un simple interruptor en el píxel para leer la carga integrada del fotodiodo. ^{[ 16 ]} Los píxeles estaban dispuestos en una estructura bidimensional, con un cable de habilitación de acceso compartido por los píxeles de la misma fila y un cable de salida compartido por columna. Al final de cada columna había un transistor. Los sensores de píxeles pasivos sufrían muchas limitaciones, como alto ruido , lectura lenta y falta de escalabilidad . Las primeras matrices de fotodiodos (décadas de 1960-1970) con transistores de selección dentro de cada píxel, junto con circuitos multiplexores en el chip, eran impracticablemente grandes. El ruido de las matrices de fotodiodos también era una limitación para el rendimiento, ya que la capacitancia del bus de lectura del fotodiodo resultaba en un mayor nivel de ruido de lectura. El muestreo doble correlacionado (CDS) tampoco se podía utilizar con una matriz de fotodiodos sin memoria externa . En la década de 1970, debido a las limitaciones de la tecnología de microlitografía de la época, no era posible fabricar sensores de píxeles activos con un tamaño de píxel práctico . ^{[ 1 ]} Debido a la gran variabilidad del proceso MOS y a que los transistores MOS presentaban características que cambiaban con el tiempo ( inestabilidad de Vth ), el funcionamiento en el dominio de carga de los CCD era más fácil de fabricar y ofrecía un mayor rendimiento que los sensores de píxeles pasivos MOS.

El sensor de píxeles activos consta de píxeles activos, cada uno con uno o más amplificadores MOSFET que convierten la carga fotogenerada en voltaje, amplifican la señal de voltaje y reducen el ruido. ^{[ 13 ]} El concepto de dispositivo de píxeles activos fue propuesto por Peter Noble en 1968. Creó matrices de sensores con amplificadores de lectura MOS activos por píxel, esencialmente en la configuración moderna de tres transistores: la estructura de fotodiodo enterrada, el transistor de selección y el amplificador MOS. ^{[ 17 ] [ 14 ]}

El concepto de píxel activo MOS fue implementado como dispositivo de modulación de carga (CMD) por Olympus en Japón a mediados de la década de 1980. Esto fue posible gracias a los avances en la fabricación de dispositivos semiconductores MOSFET , con la miniaturización de MOSFET alcanzando niveles de micras y luego submicras durante la década de 1980 hasta principios de la década de 1990. ^{[ 1 ] [ 18 ]} El primer APS MOS fue fabricado por el equipo de Tsutomu Nakamura en Olympus en 1985. El término sensor de píxel activo (APS) fue acuñado por Nakamura mientras trabajaba en el sensor de píxel activo CMD en Olympus. ^{[ 19 ]} El generador de imágenes CMD tenía una estructura APS vertical, que aumenta el factor de llenado (o reduce el tamaño del píxel) al almacenar la carga de la señal bajo un transistor NMOS de salida. Otras empresas japonesas de semiconductores pronto siguieron con sus propios sensores de píxel activo durante finales de la década de 1980 hasta principios de la década de 1990. Entre 1988 y 1991, Toshiba desarrolló el sensor de transistor de superficie flotante de doble puerta , que tenía una estructura APS lateral, donde cada píxel contenía una fotopuerta MOS de canal enterrado y un amplificador de salida PMOS . Entre 1989 y 1992, Canon desarrolló el sensor de imagen de base almacenada (BASIS), que utilizaba una estructura APS vertical similar al sensor de Olympus, pero con transistores bipolares en lugar de MOSFET. ^{[ 1 ]}

A principios de la década de 1990, las empresas estadounidenses comenzaron a desarrollar sensores de píxeles activos MOS prácticos. En 1991, Texas Instruments desarrolló el sensor BCMD (Bulk CMD), que se fabricaba en la filial japonesa de la empresa y tenía una estructura APS vertical similar a la del sensor CMD de Olympus, pero era más complejo y utilizaba transistores PMOS en lugar de NMOS. ^{[ 2 ]}

A finales de la década de 1980 y principios de la de 1990, el proceso CMOS estaba bien establecido como un proceso de fabricación de semiconductores estable y bien controlado, y era el proceso base para casi todos los microprocesadores y lógica . Hubo un resurgimiento en el uso de sensores de píxeles pasivos para aplicaciones de imágenes de gama baja, ^{[ 20 ]} mientras que los sensores de píxeles activos comenzaron a usarse para aplicaciones de baja resolución y alta funcionalidad, como la simulación de retina ^{[ 21 ]} y detectores de partículas de alta energía. Sin embargo, los CCD continuaron teniendo un ruido temporal y un ruido de patrón fijo mucho menores y fueron la tecnología dominante para aplicaciones de consumo como videocámaras , así como para cámaras de transmisión , donde estaban desplazando a los tubos de las cámaras de video .

El sensor de píxeles activos CMOS, un tipo de sensor de imagen de metal-óxido-semiconductor (MOS) , fue desarrollado por Mitsubishi Electric en 1992 ^{[ 22 ]} y el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en 1993. ^{[ 23 ]} Surgió después de los sensores de píxeles activos que fueron desarrollados utilizando tecnología PMOS en Japón por Toshiba. Tenía una estructura APS lateral similar al sensor de Toshiba, pero fue fabricado con transistores CMOS en lugar de PMOS. ^{[ 1 ]} Fue el primer sensor CMOS con transferencia de carga intrapíxel . ^{[ 2 ]}

En 1999, Hyundai Electronics anunció la producción comercial de un sensor de imagen CMOS en color de 800x600 píxeles basado en píxeles 4T con un fotodiodo fijado de alto rendimiento con convertidores analógico-digitales integrados y fabricado con un  proceso DRAM básico de 0,5 µm.

Los sensores CMOS de Photobit se incorporaron a las webcams fabricadas por Logitech e Intel , antes de que Photobit fuera adquirida por Micron Technology en 2001. El mercado inicial de sensores CMOS estuvo liderado por fabricantes estadounidenses como Micron y Omnivision, lo que permitió a Estados Unidos recuperar brevemente una parte del mercado general de sensores de imagen de Japón, antes de que este mercado pasara a estar dominado por Japón, Corea del Sur y China. ^{[ 24 ]} El sensor CMOS con tecnología PPD fue perfeccionado y mejorado por RM Guidash en 1997, K. Yonemoto y H. Sumi en 2000, e I. Inoue en 2003. Esto llevó a que los sensores CMOS alcanzaran un rendimiento de imagen a la par con los sensores CCD, y posteriormente los superaran. ^{[ 2 ]}

Para el año 2000, los sensores CMOS se utilizaban en una variedad de aplicaciones, incluyendo cámaras de bajo costo, cámaras de PC , fax , multimedia , seguridad , vigilancia y videoteléfonos . ^{[ 25 ]}

La industria del vídeo cambió a cámaras CMOS con la llegada del vídeo de alta definición (vídeo HD), ya que la gran cantidad de píxeles requeriría un consumo de energía significativamente mayor con los sensores CCD, que se sobrecalentarían y agotarían las baterías. ^{[ 24 ]} En 2007, Sony comercializó sensores CMOS con un circuito de conversión A/D de columna original, para un rendimiento rápido y de bajo ruido, seguido en 2009 por el sensor CMOS retroiluminado (sensor BI), con el doble de sensibilidad que los sensores de imagen convencionales. ^{[ 26 ]}

Los sensores CMOS tuvieron un impacto cultural significativo, lo que llevó a la proliferación masiva de cámaras digitales y teléfonos con cámara , lo que impulsó el auge de las redes sociales y la cultura de las selfies , e impactó movimientos sociales y políticos en todo el mundo. ^{[ 24 ]} Para 2007, las ventas de sensores de píxeles activos CMOS habían superado a los sensores CCD, con los sensores CMOS representando el 54% del mercado mundial de sensores de imagen en ese momento. Para 2012, los sensores CMOS aumentaron su participación al 74% del mercado. A partir de 2017, los sensores CMOS representan el 89% de las ventas mundiales de sensores de imagen. ^{[ 27 ]} En los últimos años, la tecnología de sensores CMOS se ha extendido a la fotografía de formato medio, siendo Phase One el primero en lanzar un respaldo digital de formato medio con un sensor CMOS fabricado por Sony.

En 2012, Sony presentó el sensor CMOS BI apilado . ^{[ 26 ]} Se han llevado a cabo diversas investigaciones en el campo de los sensores de imagen. Una de ellas es el sensor de imagen cuántico (QIS), que podría suponer un cambio de paradigma en la forma en que capturamos imágenes en una cámara. En el QIS, el objetivo es contar cada fotón que incide en el sensor de imagen y proporcionar una resolución de entre menos de 1 millón y 1.000 millones o más de fotoelementos especializados (denominados jots) por sensor, y leer los planos de bits de los jots cientos o miles de veces por segundo, lo que resulta en terabits/seg de datos. La idea del QIS está en sus inicios y puede que nunca se convierta en realidad debido a la complejidad innecesaria que se requiere para capturar una imagen. ^{[ 28 ]}

Boyd Fowler, de OmniVision , es conocido por su trabajo en el desarrollo de sensores de imagen CMOS. Entre sus contribuciones destacan el primer sensor de imagen CMOS de píxeles digitales en 1994; el primer sensor de imagen CMOS lineal científico con ruido de lectura RMS de un solo electrón en 2003; y el primer sensor de imagen CMOS de área científica de varios megapíxeles con alto rango dinámico simultáneo (86  dB), lectura rápida (100 fotogramas/segundo) y ruido de lectura ultrabajo (1,2e- RMS) (sCMOS) en 2010. También patentó el primer sensor de imagen CMOS para radiografías dentales intraorales con esquinas recortadas para mayor comodidad del paciente. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

A finales de la década de 2010, los sensores CMOS habían reemplazado en gran medida, si no por completo, a los sensores CCD, ya que no solo se pueden fabricar en las líneas de producción de semiconductores existentes, lo que reduce los costos, sino que también consumen menos energía, por mencionar solo algunas ventajas. ( Ver más abajo )

Los dispositivos HV-CMOS son un caso especial de sensores CMOS convencionales utilizados en aplicaciones de alto voltaje (para la detección de partículas de alta energía ), como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN , donde se requiere un alto voltaje de ruptura de hasta ~30-120 V. Sin embargo, estos dispositivos no se utilizan para la conmutación de alto voltaje. Los HV-CMOS se implementan típicamente mediante una zona de agotamiento dopada con tipo n (pozo n) de aproximadamente 10 μm de profundidad de un transistor sobre un sustrato de oblea  de tipo p . ^{[ 31 ]}

Una ventaja principal de un sensor CMOS es que suele ser menos costoso de producir que un sensor CCD, ya que los elementos de captura y detección de imágenes se pueden combinar en el mismo circuito integrado, lo que requiere una construcción más sencilla. ^{[ 32 ]}

Un sensor CMOS también suele tener un mejor control del efecto blooming (es decir, de la fuga de carga fotoeléctrica de un píxel sobreexpuesto hacia otros píxeles cercanos).

En los sistemas de cámara de tres sensores que utilizan sensores separados para resolver los componentes rojo, verde y azul de la imagen junto con prismas divisores de haz, los tres sensores CMOS pueden ser idénticos, mientras que la mayoría de los prismas divisores requieren que uno de los sensores CCD sea una imagen especular de los otros dos para leer la imagen en un orden compatible. A diferencia de los sensores CCD, los sensores CMOS tienen la capacidad de invertir el direccionamiento de los elementos del sensor. Existen sensores CMOS con una sensibilidad ISO de 4 millones. ^{[ 33 ]}

Dado que un sensor CMOS normalmente captura una fila a la vez en aproximadamente 1/60 o 1/50 de segundo (dependiendo de la frecuencia de actualización), puede producirse un efecto de obturador rodante , donde la imagen aparece distorsionada (inclinada hacia la izquierda o la derecha, según la dirección del movimiento de la cámara o del sujeto). Por ejemplo, al seguir un coche a alta velocidad, el coche no se distorsionará, pero el fondo aparecerá inclinado. Un sensor CCD de transferencia de fotogramas o un sensor CMOS de obturador global no presenta este problema; en su lugar, captura la imagen completa de una sola vez y la almacena en un fotograma.

Una ventaja de larga data de los sensores CCD ha sido su capacidad para capturar imágenes con menor ruido . ^{[ 34 ]} Con las mejoras en la tecnología CMOS, esta ventaja desapareció a partir de 2020, ya que los sensores CMOS modernos disponibles son capaces de superar a los sensores CCD. ^{[ 35 ]}

Los circuitos activos de los píxeles CMOS ocupan una parte de la superficie que no es sensible a la luz, lo que reduce la eficiencia de detección de fotones del dispositivo ( las microlentes y los sensores retroiluminados pueden mitigar este problema). Sin embargo, el CCD de transferencia de trama también dispone de aproximadamente la mitad de la superficie no sensible para los nodos de almacenamiento de trama, por lo que las ventajas relativas dependen de los tipos de sensores que se comparen.

El píxel CMOS APS estándar consta de un fotodetector ( fotodiodo fijado ), ^{[ 2 ]} una difusión flotante y la denominada celda 4T que consta de cuatro transistores CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico ) , incluyendo una puerta de transferencia , una puerta de reinicio, una puerta de selección y un transistor de lectura seguidor de fuente. ^{[ 36 ]} El fotodiodo fijado se utilizó originalmente en CCD de transferencia interlínea debido a su baja corriente oscura y buena respuesta azul, y cuando se acopla con la puerta de transferencia, permite la transferencia completa de carga del fotodiodo fijado a la difusión flotante (que a su vez está conectada a la puerta del transistor de lectura) eliminando el retardo. El uso de la transferencia de carga intrapíxel puede ofrecer un menor ruido al permitir el uso del muestreo doble correlacionado (CDS). El píxel Noble 3T todavía se utiliza a veces ya que los requisitos de fabricación son menos complejos. El píxel 3T comprende los mismos elementos que el píxel 4T excepto la puerta de transferencia y el fotodiodo. El transistor de reinicio, M _rst , actúa como un interruptor para restablecer la difusión flotante a V _RST , que en este caso está representada por la puerta del transistor M _sf . Cuando el transistor de reinicio se activa, el fotodiodo se conecta efectivamente a la fuente de alimentación, V _RST , borrando toda la carga integrada. Dado que el transistor de reinicio es de tipo n , el píxel funciona en reinicio suave. El transistor de lectura, M _sf , actúa como un búfer (específicamente, un seguidor de fuente ) , un amplificador que permite observar la tensión del píxel sin eliminar la carga acumulada. Su fuente de alimentación, V _DD , normalmente está conectada a la fuente de alimentación del transistor de reinicio V _RST . El transistor de selección, M _sel , permite que la electrónica de lectura lea una sola fila de la matriz de píxeles. También existen otras innovaciones de los píxeles, como los píxeles 5T y 6T. Al añadir transistores adicionales, se pueden implementar funciones como el obturador global, en contraposición al obturador rodante más común . Para aumentar la densidad de píxeles, se pueden emplear arquitecturas de lectura compartida de filas compartidas, de cuatro vías y de ocho vías, entre otras. Una variante del píxel activo 3T es el sensor Foveon X3 inventado por Dick Merrill . En este dispositivo, tres fotodiodos se apilan uno encima del otro mediante técnicas de fabricación planar.Cada fotodiodo cuenta con su propio circuito 3T. Cada capa sucesiva actúa como filtro para la capa inferior, modificando el espectro de luz absorbida en las capas posteriores. Mediante la deconvolución de la respuesta de cada detector multicapa, se pueden reconstruir las señales roja, verde y azul.

Una matriz bidimensional típica de píxeles se organiza en filas y columnas. Los píxeles de una fila comparten líneas de reinicio, de modo que se reinicia una fila completa a la vez. Las líneas de selección de fila de cada píxel también están interconectadas. Las salidas de cada píxel de cualquier columna están interconectadas. Dado que solo se selecciona una fila a la vez, no hay competencia por la línea de salida. El circuito amplificador adicional suele estar organizado por columnas.

El tamaño del sensor de píxeles se suele indicar en altura y anchura, pero también en formato óptico .

Existen dos tipos de estructuras de sensores de píxeles activos (APS), el APS lateral y el APS vertical. ^{[ 1 ]} Eric Fossum define el APS lateral de la siguiente manera:

Una estructura APS lateral se define como aquella en la que parte del área del píxel se utiliza para la fotodetección y el almacenamiento de la señal, y la otra parte se utiliza para el/los transistor/es activo/s. La ventaja de este enfoque, en comparación con una APS integrada verticalmente, es que el proceso de fabricación es más sencillo y es altamente compatible con los procesos de dispositivos CMOS y CCD de última generación. ^{[ 1 ]}

Fossum define el APS vertical de la siguiente manera:

Una estructura APS vertical aumenta el factor de llenado (o reduce el tamaño del píxel) al almacenar la carga de la señal debajo del transistor de salida. ^{[ 1 ]}

Para aplicaciones como imágenes digitales de rayos X de área grande , los transistores de película delgada (TFT) también se pueden usar en la arquitectura APS. Sin embargo, debido al mayor tamaño y menor ganancia de transconductancia de los TFT en comparación con los transistores CMOS, es necesario tener menos TFT en el píxel para mantener la resolución y la calidad de la imagen a un nivel aceptable. Se ha demostrado que una arquitectura APS/PPS de dos transistores es prometedora para APS usando TFT de silicio amorfo . En la arquitectura APS de dos transistores de la derecha, T _AMP se usa como un amplificador conmutado que integra las funciones tanto de M _sf como de M _sel en el APS de tres transistores. Esto da como resultado una reducción en el número de transistores por píxel, así como un aumento en la ganancia de transconductancia del píxel. ^{[ 37 ]} Aquí, C _pix es la capacitancia de almacenamiento del píxel, y también se usa para acoplar capacitivamente el pulso de direccionamiento de "Read" a la puerta de T _AMP para la conmutación ON-OFF. Estos circuitos de lectura de píxeles funcionan mejor con detectores fotoconductores de baja capacitancia, como el selenio amorfo .

Técnicas como el reinicio por vaciado, el reinicio por pseudo-flash y el reinicio duro a suave combinan el reinicio suave y el duro. Los detalles de estos métodos difieren, pero la idea básica es la misma. Primero, se realiza un reinicio duro, eliminando el retardo de la imagen. Luego, se realiza un reinicio suave, lo que produce un reinicio de bajo ruido sin agregar ningún retardo. ^{[ 38 ]} El reinicio por pseudo-flash requiere separar V _RST de V _DD , mientras que las otras dos técnicas agregan circuitos de columna más complejos. Específicamente, tanto el reinicio por pseudo-flash como el reinicio duro a suave agregan transistores entre las fuentes de alimentación de píxeles y el V _DD real . El resultado es un margen de seguridad menor, sin afectar el factor de llenado.

Un diseño de píxel más radical es el píxel de reinicio activo. El reinicio activo puede resultar en niveles de ruido mucho más bajos. La contrapartida es un esquema de reinicio complejo, así como un píxel mucho más grande o circuitos adicionales a nivel de columna.