CMOS - nazwa technologii czy sposobu działania ??

[MarekC]

Próbowałem znaleźć jakieś materiały dotyczące fizycznej budowy matryc CMOS... i kicha.
Chciałem się przekonać na co (bramka, źródło, czy dren) kierowany jest strumień światła i w jaki sposób może ona sterować polem elektrycznym kanału fototranzystorów MOS, by otrzymać sygnał który jest później przetwarzany w plik z obrazem.
W tranzystorach MOS przepływem prądu przez kanał "p" lub "n" steruje się za pomoca napięcia przyłożonego do metalowej bramki, która jest izolowana od kanału tlenkiem (stąd nazwa Metal-Oxide-Semiconductor w skórcie MOS). Gdy metalową bramkę potraktujemy światłem, to nic się nie stanie, bo w metalu (czy innym przewodniku) nie zachodzi przemiana światła w ładunek elektryczny. Tak się dzieje w półprzewodniku.. może więc w matrycach fotoczuła bramka wykonana jest nie z metalu tylko z półprzewodnika izolowanego tlenkiem od kanału ?? Jeśli tak, to taki fototranzystor nie powinien miec nazwy MOS, tylko.. SOS (Semiconductor-Oxide-Semiconductor), a komplementarna para takich tranzystorów nie CMOS, a CSOS... chyba że jest to jakoś inaczej rozwiązane..
wie ktoś dokładnie jak skonstruowane są elementy fofoczułe w matrychach CMOS ??

[iczek]

O ja Cie chromole. Stary - skąd ty znasz tyle obcych slow ?
Tak tylko delikatnie przypomne - fotografia - o tym tutja mowimy
Ale spoko - z pewnoscia znajdziesz tutaj takich, co zrozumieli o co pytasz

[MarekC]

O ja Cie chromole. Stary - skąd ty znasz tyle obcych slow ?
Tak tylko delikatnie przypomne - fotografia - o tym tutja mowimy
Ale spoko - z pewnoscia znajdziesz tutaj takich, co zrozumieli o co pytasz

Ależ i ja piszę o foto. A dokładniej chodzi o wyjaśnienie jak różnice w konstrukcji CCD i CMOS wpływają na takie parametry zdjęcia jak szumy, rozpiętość tonalna, odwzorowanie kolorów
kolega pn_ zainspirował mnie do tego w dyskusji o zapowiedziach D200.. było coś CCD lepsze od CMOS.. przekonajmy się analizując budowy, zasady działania i sposoby obróbki sygnałów..

Skąd znam ?? jestem po technikum i studiach elektronicznych ;-)

[piast9]

CMOS to jest nazwa jednej z technologii półprzewodnikowych, w których kolejne procesy umożliwiają wytworzenie tranzystorów MOS z kanałem p oraz n. Powiedzenie "matryca CMOS" jest skrótem myślowym - jest to matryca wykonana w typowym procesie CMOS. Dodam, że pompa ładunkowa stosowana w czujnikach CCD nie jest możliwa do wykonania w standardowym procesie CMOS, konieczne jest uzycie innej (zmodyfikowanej) linii technologicznej.

Trochę linków jest tu:
http://electronics.howstuffworks.com/question362.htm

Coś tylko obrazków przy tych patentach nie widzę. W każdym razie na 99% wiem, że w jednym i w drugim typie czujników sam detektor jest bardzo podobny - fotodioda odpowiednio spolaryzowana.

W CCD ładunek zgromadzony w diodzie jest przenoszony wzdłuż struktury pompą ładunkową w poprzek struktury do linijki wzmacniaczy wyjściowych, natomiast matryce CMOS bardziej przypominają pamięci półprzewonikowe, w których poszczególne piksele adresowane są niezależnie, matrycowo, z których każdy posiada swój własny wzmacniacz wyjściowy i klucze dołączające na żądanie tę a nie inną komórkę do linii wyjściowych.

Ponieważ w trakcie przemieszczania ładunku w pompie ładunkowej cały czas do sygnału uzytecznego dodawane są szumy, następuje rozmycie itp itd, matryce te mają potencjalnie większe szumy. Do pixeli w CMOS można dostać się znacznie szybciej, brak jest strat związanych z niedoskonałością działania pompy ładunkowej.

Potencjalne możliwości CMOS ma moim zdaniem dużo większe. A to, że stosunkowo niedawno pojawiły się CMOSy o jakości wystarczajacej do zastsowania w fotografii, świadczy zapewne o istnieniu innych problemów z matrycami CMOS, o których producenci milczą. Przez dlugi czas nadawały się one tylko do "zabawek". A że nie trzeba było osobnej linii technologicznej do ich produkcji, to były tanie.

[MarekC]

dzięki za ten interesujący link. Jest w nim chyba zawarta odpowiedź na pytanie czemu tak późno..przynajmniej jeden z problemów:

• CCD sensors, as mentioned above, create high-quality, low-noise images. CMOS sensors, traditionally, are more susceptible to noise.
• Because each pixel on a CMOS sensor has several transistors located next to it, the light sensitivity of a CMOS chip tends to be lower. Many of the photons hitting the chip hit the transistors instead of the photodiode.
• CMOS traditionally consumes little power. Implementing a sensor in CMOS yields a low-power sensor.
• CCDs use a process that consumes lots of power. CCDs consume as much as 100 times more power than an equivalent CMOS sensor.
• CMOS chips can be fabricated on just about any standard silicon production line, so they tend to be extremely inexpensive compared to CCD sensors.
• CCD sensors have been mass produced for a longer period of time, so they are more mature. They tend to have higher quality and more pixels.

Szczególnie drugi podpunkt tłumaczyłby trudność w opracowaniu matrycy CMOS.. duża ilość tranzystorów wokół fotoceli oznacza, ze dużo trudniej wykonac mikrolensy które kierują światło na fotocele, nie zaś tranzystory pełniące inne funkcje. Dodatkowo oznacza to większe upakowanie - większą skalę integracji, niż w przypadku CCD. A więc linia produkcyjna podobna bardziej do tej dla procesorów czy pamięci niż zabawek..

nadal jednak nie rozumiem z czego jest wykonany element fotoczuły. w CMOS też raczej nie mamy do czynienia z fotodiodą (czy wogóle są diody MOS ?? 2 elektrody, złacze p-n czy metal-półprzewodnik ?? ale złącz nie ma w technologii MOS - to jest ich główna moc) tylko raczej fototranzystorem..chyba że fotodioda wykonana w innej technologii, sterująca bramkami pary komplementarnej CMOS...
Grzebiemy dalej, gdy wszystko wyklaruje się w głowie, spróbuję dać koledze pn_ "bezsporny dowód" na wyższość CMOS nad CCD..

[piast9]

Szczególnie drugi podpunkt tłumaczyłby trudność w opracowaniu matrycy CMOS.. duża ilość tranzystorów wokół fotoceli oznacza, ze dużo trudniej wykonac mikrolensy które kierują światło na fotocele, nie zaś tranzystory pełniące inne funkcje.

Mam wrażenie że ta lista jest nieco nieaktualna, pochodzi sprzed ładnych paru lat i opisuje CMOS stosowane w tanich webcamach.

Technologie o coraz mniejszej regule projektowania stale tanieją, w związku z czym maleje też powierzchnia tego kawałka elektroniki przy każdym z pixeli.

Dodatkowo oznacza to większe upakowanie - większą skalę integracji, niż w przypadku CCD. A więc linia produkcyjna podobna bardziej do tej dla procesorów czy pamięci niż zabawek..

Dla mnie to są zabawki

nadal jednak nie rozumiem z czego jest wykonany element fotoczuły. w CMOS też raczej nie mamy do czynienia z fotodiodą (czy wogóle są diody MOS ?? 2 elektrody, złacze p-n czy metal-półprzewodnik ?? ale złącz nie ma w technologii MOS - to jest ich główna moc)

Ależ oczywiście, że są złącza pn. Na przykład wyspa tanzystora p-MOS z podłożem. Odpowiednio robiąc maski można oprócz tych wysp wykonać też dużą fotodiodę.

Można zrobić fotoczujnik MOS, tyle że to wymagałoby przezroczystej elektrody bramkowej oddzielonej izolatorem od półprzewodnika. Polem tej elektrody zubożasz półprzewodnik i już masz pod nią obszar czynny fotodetektora. Jak to jest faktycznie w matrycach stosowanych np. u Canona - nie wiem.

Grzebiemy dalej, gdy wszystko wyklaruje się w głowie, spróbuję dać koledze pn_ "bezsporny dowód" na wyższość CMOS nad CCD..

Obawiam się że tego nie dowiedziesz. IMHO można co najwyżej zaryzykować twierdzenie, że CMOSach jest większy potencjał i są bardziej przyszłościowe bo postęp w nich ciąglę widać podczas gdy CCD nieco stanęły w miejscu.

[MarekC]

Dla mnie to są zabawki

Zajmujesz się projektowaniem masek do produkcji scalaków ??

Ależ oczywiście, że są złącza pn. Na przykład wyspa tanzystora p-MOS z podłożem. Odpowiednio robiąc maski można oprócz tych wysp wykonać też dużą fotodiodę.

Można zrobić fotoczujnik MOS, tyle że to wymagałoby przezroczystej elektrody bramkowej oddzielonej izolatorem od półprzewodnika. Polem tej elektrody zubożasz półprzewodnik i już masz pod nią obszar czynny fotodetektora. Jak to jest faktycznie w matrycach stosowanych np. u Canona - nie wiem.

No właśnie, takich informacji nigdzie nie ma. Chyba to nie jest jakaś tajemnica technologiczna..
Przezroczysta bramka .. masz na myśli półprzewodnik ???
taki fotodetektor to ciekawa koncepcja. Tylko jak z jego liniowością przetwarzania światła na sygały elektryczne. Bo szumy termalne chyba byłyby znikome.

Obawiam się że tego nie dowiedziesz. IMHO można co najwyżej zaryzykować twierdzenie, że CMOSach jest większy potencjał i są bardziej przyszłościowe bo postęp w nich ciąglę widać podczas gdy CCD nieco stanęły w miejscu.

Albo przynajmniej pokazać dlaczego tego typu przetworniki dają mniej zaszumiony obraz, czy mniej zniekształcony.

[piast9]

Zajmujesz się projektowaniem masek do produkcji scalaków ??

Samych masek to nie, choć robiłem to na zajęciach A przyrządy półprzewodnikowe - tak.

Przezroczysta bramka .. masz na myśli półprzewodnik ???

Tlenek indowo cynowy na przykład. To chyba jest półprzewodnik...

taki fotodetektor to ciekawa koncepcja. Tylko jak z jego liniowością przetwarzania światła na sygały elektryczne. Bo szumy termalne chyba byłyby znikome.

Koncepcja nie nowa. W zasadzie cokolwiek się nie zrobi aby w półprzewodniku był obszar wbudowanego pola elektrycznego i jest ładny detektor. Złącze pn, złacze ms, efekt polowy. Cokolwiek.

Przetworniki polegające na akumulowaniu wygenerowanych nośników są zawsze liniowe. Nie ma bolca. Liczba fotonów jest proporcjonalna do liczby nośników. Problem w tym, aby ta liczba była mocno znaczniejsza od liczby nośników rekombinujących bądź powstających w innych procesach.

Albo przynajmniej pokazać dlaczego tego typu przetworniki dają mniej zaszumiony obraz, czy mniej zniekształcony.

Dużą zaletą CMOS jest obróbka sygnału z fotodetektora już w pixelu. Tu szukam pola do popisu dla szeregu udoskonaleń mających zmniejszyć szum, czy właśnie zdelinearyzować charakterystykę światłoczułości aby zwiększyć dynamikę matrycy i upodobnić jej działanie do błony światłoczułej. W CCD tak sie nie da.

A co do zniekształceń - moim zdaniem wierność oddawania koloru zależy głównie od jakości filtra kolorowego i obróbki cyfrowej tego, co z matrycy wyszło.

[Jurek Plieth]

nadal jednak nie rozumiem z czego jest wykonany element fotoczuły...

IMHO to nie ma żadnego znaczenia. Parametry każdego elementu półprzewodnikowego silnie bowiem zależą od padającego nań światła. Tytułem próby możesz wziąć jakikolwiek starszego typu tranzystor w klasycznej obudowie metalowej, spolować jej "kapelusz", spolaryzować taki tranzystor w stan przewodzenia, a następnie zmieniając natężenie oświetlenia kontrolować jak bardzo prąd emitera zależy od tegoż oświetlenia. Podkreślam, że zależy bardzo mocno! Klasyczne fototranzystory są niczym innym, tylko typowymi tranzystorami n-p-n mającymi "kapelusz" obudowy zakończony światłoprzepuszczalną soczewką.
Z tego punktu widzenia nie ma żadnego znaczenia na jaką część "tranzystora" CMOS, lub elementu CCD pada światło! Byle tylko czułość takiego elementu była jak największa, takoż dynamika (z tym największy jak wiemy problem), no i oczywiście, aby tło szumowe było jak najmniejsze. Inne sprawy to możliwie stała czułość widmowa itp.

[MarekC]

IMHO to nie ma żadnego znaczenia. Parametry każdego elementu półprzewodnikowego silnie bowiem zależą od padającego nań światła. Tytułem próby możesz wziąć jakikolwiek starszego typu tranzystor w klasycznej obudowie metalowej, spolować jej "kapelusz", spolaryzować taki tranzystor w stan przewodzenia, a następnie zmieniając natężenie oświetlenia kontrolować jak bardzo prąd emitera zależy od tegoż oświetlenia. Podkreślam, że zależy bardzo mocno! Klasyczne fototranzystory są niczym innym, tylko typowymi tranzystorami n-p-n mającymi "kapelusz" obudowy zakończony światłoprzepuszczalną soczewką.
Z tego punktu widzenia nie ma żadnego znaczenia na jaką część "tranzystora" CMOS, lub elementu CCD pada światło! Byle tylko czułość takiego elementu była jak największa, takoż dynamika (z tym największy jak wiemy problem), no i oczywiście, aby tło szumowe było jak najmniejsze. Inne sprawy to możliwie stała czułość widmowa itp.

Robiłem kiedyś takie eksperymenty z np. BC211 bo miał dużą obudowę :-). Stąd znam nieco wpływ światła na złącze p-n. Moje pytanie dotyczyło MOS, gdzie takiego nie ma, a wpływ światła na sam kanał "p" czy "n" jest znikomy.
piast9 przypomniał mi istnienie elementu typu np. p-MOS , o którym zapomniałem bo nigdy nie miałem sposobności używania go.. i to wiele wyjaśniło :-)
Tło szumowe napewno będzie niższe w elementach MOS, gdzie transport ładunków odbywa się w jednorodnym kanale, nie zaś przez złącza p-n..jak to ma miejsce w CCD.
Czułość widmowa pewnie zależy od powierzchni na jaką pada światło, ale i sposobu polaryzacji złącza. Tyle że ten drugi sposób ma swoje ograniczenia, bo wyższy prąd polaryzacji oznacza wydzielanie większej ilości ciepła, a to generuje szumy termiczne..Czyli większa powierzchnia fotoczuła. To z kolei oznacza konieczność zaapliowania większej liczby fotonów, by sygnal wyjściowy był użyteczny..czyli mniejsza dynamika. Wzmacnianie sygnału to znowu szymy i zniekształcenia.. same przeciwstawności :-)