Большая часть детекторов сделаны на базе кремния. Когда фотоны ударяются о кремний, электроны в кремнии возбуждаются и ковалентная связь, удерживающая электроны в атомах кремния, нарушается. Количество высвободившихся электронов прямо пропорционально энергии либо интенсивности света. Зависимо от методов контроля и измерения этого фотоэлектрического эффекта, существует несколько разных дизайнов детекторов. Они различаются эффективностью и аккуратностью учета электронов.

Заметим, фотоны должны владеть достаточной энергией, чтоб повредить ковалентные связи в атомах кремния, чтоб появились свободные электроны (либо электронно-дырочные пары) Другими словами энергия фотонов должна быть больше, чем ширина нелегальной зоны кремния — 1,1 эВ. Это означает, что волны должны быть из видимой части диапазона (400-750 нм) либо близкие к инфракрасным (до 1100 нм) — только фотоны этих волн способны повредить связи. Вот поэтому в качестве базы детекторов для фотоаппаратов был избран кремний. Волны длиной наименее 400 нм могут быть поглощены структурой детектора (подробнее об этом — ниже). Если фотоны не владеют требуемой энергией (длина таких волн обычно больше 1100 нм), то свободных электронов не появляется и фотоны не вызывают никакой реакции.


Формула энергии фотонов

В безупречных критериях зависимость меж фотонами и электронами была бы прямой, и один фотон вызволял бы ровно один электрон. В итоге квантовый выход бы составлял 100 процентов. Все же, обыденные детекторы, применяемые в цифровых камерах, не настолько эффективны — один фотон вызволяет не один электрон, а меньше. (Хотя бывает, что фотоны невидимых волн могут вызволить даже более 1-го электрона) Но даже после того, как электроны освобождаются, нет гарантии того, что они будут учтены детектором. Потому у детекторов цифровых камер квантовая эффективность ниже 100 процентов.

Ещё один принципиальный фактор в достижении большей квантовой интенсивности — это качество и чистота кремниевой пластинки. Кристаллы кремния «выращиваются», и зависимо от критерий его производства определяется его качество. Если все кристаллические решетки размещены в одном направлении, то кремний лучше проводит электроны. (В дальнейшем, может быть, кремний будут растить в космосе и тем нехороший эффект от силы тяжести, которая мешает безупречному росту кристалла, пропадет. Скорее всего, кристаллы в космосе будут выполняться в умеренных количествах — специально для тех случаев, когда требуется очень высочайшее качество. Кремниевые пластинки, произведенные в космосе, вероятнее всего, будут дорогими и редчайшими).
Незапятнанные и четкие


Незапятнанная комната

Получение полупроводников из кремния — достаточно непростой процесс, требующий чистоты и микроскопичной точности. Точность нужна в наложении на кремний фоторезистных масок. Потом кремний подвергается световой и температурной обработке, ионному легированию, дополнительным напластованиям и травлению.

«Легирование» кремния увеличивает его способность проводить электроны. Достигается это осторожным внедрением примесей, создающих полюса зарядов. В качестве примесей употребляются бор (имеющий одним электроном меньше) и фосфор (имеющий на один электрон больше). Таким образом, бор создаёт на кремниевой решетке положительный заряд (либо «дырки») — таковой полупроводник именуется полупроводником p-типа либо положительный метал-оксид-полупроводник (positive metal oxide semiconductor, PMOS). С примесью фосфора заряд проводника становится отрицательным — таковой полупроводник именуется полупроводником n-типа (negative metal oxide semiconductor NMOS). В разных архитектурах детекторов полупроводники этих 2-ух типов могут употребляться по-разному. Полупроводники p-типа притягивают негативно заряженные электроны, а n-типа — отталкивают. Такое взаимодействие создаёт ток электронов.

В КМОП устройствах имеются транзисторы обоих типов (p и n). Главный чертой КМОП устройств является малозначительное потребление энергии, при простаивании (хранении единички либо нолика) и высочайшее потребление энергии при переключении из 1-го состояния в другое.

Детектор состоит из пикселей, другими словами из огромного количества светочувствительных частей (photosites). Они обычно размещены в сетке — из столбцов и колонок. Структура этих частей находится в зависимости от типа детектора, но принцип их работы всюду схож.


Детектор

Светочувствительные области пикселя получают свет (фотоны) и конвертируют его в электроны. Такая светочувствительная область в британском языке имеет огромное количество заглавий — photocapacitor, photogate либо photodiode. По-русски она именуется фотодиодом. Электроны, приобретенные в этом фотодиоде, скапливаются в зарядовом кармашке (potential pixel well). Величина скопленного заряда зависит от интенсивности падающего на поверхность фотодиода света. Количество времени, в течение которого скапливается заряд, именуется временем интеграции (integration time). Таким макаром, светочувствительная область содержит частицу инфы изображения в виде электронного заряда, приобретенного из падающего света.
Введение примесей

В производстве детекторов светочувствительная область определяется примесями, использующимися для того, чтоб пользоваться преимуществом зарядной емкости легированного кремния. К примеру, пиксель может состоять из кармашка p-типа на подложке n-типа. Чем наименьшее количество примесей применено, тем больше разница потенциалов.

Пиксели что в КМОП, что в ПЗС матрицах — схожи, главные различия начинаются после того, как фотоны преобразуются в электроны. Отметим все таки, что архитектура пикселей у разных производителей может быть неодинаковой. К примеру, Philips наносит на светочувствительный элемент очень узкий слой кремния с примесями из мышьяка. У получившейся консистенции, как и у бора, количество электронов меньше на один. Цель подобного рода операций — повышение зарядной емкости пикселя.
Преломление света

В обыкновенной фотопленке на пластиковую базу наносятся галоиды серебра — конкретно они реагируют на хоть какой свет, падающий под хоть каким углом. В отличие их, кремниевые пиксели реагируют на свет исключительно в том случае, когда он падает под прямым углом (либо близким к прямому). Это требуется для того, чтоб пиксели получали больший электронный заряд. Для обеспечения требуемого угла над каждым пикселем детектора помещается особая выпуклая микролинза. Конкретно таким макаром корректируется угол падения света и возрастает светочувствительность детектора.

В почти всех случаях, цена объектива фотоаппарата может быть существенно выше цены детектора. Преимущество использования микролинз состоит в том, что при большой угловой чувствительности детектора можно использовать дешевенький маленький объектив. Но микролинзы употребляются далековато не во всех детекторах.

Обычно микролинзы создаются методом нанесения резистного материала на детектор. Потом относительно пикселей в этом материале протравливается сетка. При нагревании остатки оплавляются и принимают куполообразную форму. Форма и свойства микролинзы зависят от толщины резистного слоя, температуры процесса и от подложки. Детектор должен делать само мало 5 главных операций — всасывать фотоны, преобразовывать их в заряд, копить его, передавать, и преобразовывать в напряжение. Оба типа детекторов — и КМОП, и ПЗС — делают все 5 операций. 1-ые три операции производятся всюду идиентично, но технологии отличаются передачей заряда и преобразованием заряда в напряжение.

Отзывов нет

No comments yet.

RSS-лента комментариев.

К сожалению, по вашему запросу ничего не найдено.