Ein bißchen Physik
Sieht man sich einen solchen Bildsensorchip durch das Mikroskop an, ist erkennbar, daß er aus Millionen winziger, wie auf einem Raster angeordneter Zellen besteht, den Pixels (englisches Kunstwort für Bildelement). Jedes dieser Pixel kann als elektronisches Bauteil aufgefaßt werden und wird Bildsensor genannt. Um die Funktionsweise eines Bildsensors zu verstehen, sollte man sich zunächst einmal die zugrundeliegenden physikalischen Eigenschaften vor Augen führen:
Der Lichtelektrische Effekt
Eine negativ geladene, geschmirgelte Zinkplatte verliert ihre Ladung, wenn sie mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird. Dieser Vorgang ist als äußerer Fotoeffekt oder Lichtelektrischer Effekt bekannt. Schon Ende des 19. Jahrhunderts fand man heraus, daß es für verschiedene Materialien nur der Einwirkung genügend kurzwelligen Lichts bedarf, um Elektronen herauszulösen, und Albert Einstein erkannte 1905 die Tatsache, daß es sich bei Licht um Teilchen, Photonen genannt, handelt, deren Energie sich proportional zur Wellenlänge des Lichts verhält. Zu jedem Material gibt es eine bestimmte Mindestenergie/Lichtfrequenz, ab der der Fotoeffekt beobachtet werden kann.
Der Innere Fotoeffekt
Für die Halbleiterindustrie ist der innere Fotoeffekt von größerer Bedeutung: Hierbei verbleiben die Elektronen im Inneren des Materials, wandern jedoch vom Valenzband in das Leitungsband, was erhöhte Leitfähigkeit des Halbleiters zur Folge hat, wie die Grafik veranschaulichen soll:
Ist die Energie der absorbierten Photonen W = hf größer als die der Bandlücke WBand, so werden Elektronen vom Valenzband (wo sie sich nicht bewegen können) in das Leitungsband gehoben und der Halbleiter leitet den Strom.
Die Menge der hierbei freigesetzten Elektronen verhält sich proportional zur Anzahl der absorbierten Photonen und somit zur Intensität des eintreffenden Lichts.
Prinzip eines Halbleiters
Beim Übertreten eines Elektrons vom Valenzband in das Leitungsband hinterläßt es im Atom einen positiv
geladenen Hohlraum, ein sogenanntes Loch. In diesem Zusammenhang wird auch von Elektronen-Loch-Paaren
gesprochen. Läßt man nun einen p-dotierten mit einem n-dotierten Halbleiterkristall (beispielsweise Silizium) in
Kontakt kommen, so ergibt sich eine Grenzschicht, die als pn-Übergang bezeichnet wird. Hier entsteht durch
Diffusion der jeweiligen Majoritätsladungsträger eine Raumladungszone, die ein elektrisches Feld zur Folge hat.
Dieses kann Elektronen-Loch-Paare trennen.
Schemazeichnung Fotodiode
Das Prinzip der Photovoltaik kommt in der Fotodiode zur Anwendung: Je nachdem, ob der Pluspol an der Kathode (n-Schicht) oder an der Anode (p-Schicht) anliegt, wird die Halbleiterdiode in Sperrichtung bzw. Durchlaßrichtung betrieben (die Fotodiode wird aus Silizium oder Germanium hergestellt und in Sperrichtung betrieben).
Der Feldeffekttransistor
Aufbau eines MOS FET
Der Transistor setzt sich aus drei verschiedenen Elektroden zusammen (Source, Gate und Drain), die auf einem Substrat (Bulk) angebracht sind. Das Gate besteht üblicherweise aus drei Schichten: Dem untenliegenden Substrat, meist aus einem Siliziumkristall bestehend, sowie einer dünnen Isolationsschicht (Siliziumdioxid) und einer oberen Schicht aus Metall (z.B. Aluminium). Die Zeichnung zeigt einen n-Kanal-Anreicherungs- Transistor, bei dem das Substrat p-dotiert und die Elektroden n-dotiert sind. Es gibt jedoch auch umgekehrt dotierte Transistoren; diese werden als p-Kanal-Anreicherungs-Transistoren bezeichnet.
Im ursprünglichen Zustand herrscht ein hoher Widerstand zwischen Drain und Source; es kann kein Strom fließen (daher die Bezeichnung "selbstsperrend"). Erst wenn an das Gate eine positive Spannung angelegt wird, entsteht ein elektrisches Feld zwischen den N-Inseln, welches den Stromfluß von der Source- in die Drain- Elektrode ermöglicht. Dieses Feld wird (im aufgeführten Fall) als "n-leitende Brücke" oder auch als "n-Kanal" bezeichnet.
Schemazeichnungen eines n-Kanal- (links)
und eines p-Kanal- MOS FETs
Im Schaltbild werden MOS FETs des Anreicherungstyps wie rechts abgebildet dargestellt.
Außerdem gibt es noch selbstleitende Verarmungstransistoren (sowohl n- als auch p-Kanal); diese sind jedoch hier von geringerer Bedeutung und werden daher nicht erklärt.