Un sensore a pixel attivi ( - APS) è un tipo di sensore di immagini (o sensore digitale) in cui ogni singola cella dell'unità, detta pixel, è composta da un fotorivelatore (tipicamente un fotodiodo bloccato) e da uno o più transistor attivi. In un sensore a pixel attivi di tipo MOS (metallo-ossido-semiconduttore), i transistor a effetto di campo (MOSFET) vengono utilizzati come amplificatori. Esistono diversi tipi di APS, tra cui il primo APS NMOS e il molto più comune APS MOS complementare (CMOS), noto anche come sensore CMOS, che è ampiamente utilizzato nelle tecnologie delle fotocamere digitali come le fotocamere dei cellulari, le webcam, le più moderne fotocamere digitali tascabili, la maggior parte delle fotocamere reflex digitali a lente singola (DSLR) e fotocamere mirrorless a obiettivo intercambiabile (EVIL o MILC). I sensori CMOS sono emersi come alternativa ai sensori di immagine basati su dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD), superandoli a livello di mercato a metà degli anni 2000.
Il termine "sensore di pixel attivo" viene utilizzato anche per riferirsi al singolo sensore di pixel stesso, contrariamente al sensore di immagine.
Storia
Antefatti Durante la ricerca sulla tecnologia MOS (metallo-ossido-semiconduzione), Willard Boyle e George Elwood Smith scoprirono che una carica elettrica poteva essere immagazzinata in un piccolo condensatore MOS: esso divenne l'elemento costitutivo di base del dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD), che inventarono nel 1969. Un problema con la tecnologia CCD era che richiedeva la necessità di un trasferimento di carica quasi perfetto, che, secondo Eric Fossum, "rende la loro radiazione 'morbida', difficile da usare in condizioni di scarsa illuminazione, difficile da produrre in array di grandi dimensioni, difficile da integrare con l'elettronica su chip, difficile da usare a basse temperature, difficile da usare a frame rate elevati e difficile da produrre in materiali non siliconici che estendano la risposta in lunghezza d'onda".
Presso gli RCA Laboratories, un gruppo di ricerca composto da Paul K. Weimer, WS Pike e G. Sadasiv nel 1969 propose un sensore di immagine a stato solido con circuiti di scansione che utilizzavano transistor a film sottile (TFT), con pellicola fotoconduttiva utilizzata per il fotorilevatore. Nel 1981, Richard F. Lyon diede dimostrazione di un imager MOSFET a canale N (NMOS) a bassa risoluzione "per lo più digitale" con amplificazione intra-pixel, per un'applicazione con mouse ottico. Un altro tipo di tecnologia del sensore di immagine correlato all'APS è la matrice di piano focale infrarosso (IRFPA), progettata per funzionare a temperature criogeniche nello spettro infrarosso. I dispositivi sono due chip che vengono messi insieme come un sandwich: un chip contiene elementi rilevatori realizzati in InGaAs o HgCdTe, mentre l'altro chip è tipicamente realizzato in silicio e viene utilizzato per leggere i fotorilevatori. Un elemento chiave del moderno sensore CMOS è il fotodiodo appuntato (PPD). Fu inventato da Nobukazu Teranishi, Hiromitsu Shiraki e Yasuo Ishihara alla NEC nel 1980 e poi pubblicamente riportato da Teranishi e Ishihara con A. Kohono, E. Oda e K. Arai nel 1982, con l'aggiunta di una struttura anti-blooming. Il fotodiodo appuntato è una struttura fotorivelatore a basso ritardo, a basso rumore, alta efficienza quantica e bassa corrente scura. La nuova struttura del fotorilevatore inventata al NEC ha ricevuto il nome di "fotodiodo appuntato" (PPD) da B.C. Burkey alla Kodak nel 1984. Nel 1987, il PPD iniziò ad essere incorporato nella maggior parte dei sensori CCD, diventando un dispositivo fisso nelle videocamere elettroniche di consumo e poi nelle fotocamere digitali. Da allora, il PPD è stato utilizzato in quasi tutti i sensori CCD e quindi nei sensori CMOS.
Sensore a pixel passivi Il precursore dell'APS era il sensore a pixel passivi (PPS), un tipo di matrice di fotodiodi (PDA). Un sensore a pixel passivi è costituito da pixel che vengono letti senza amplificazione, con ogni pixel costituito da un fotodiodo e un interruttore MOSFET. In una matrice di fotodiodi, i pixel contengono una giunzione p-n, un condensatore integrato e dei MOSFET come transistor di selezione. Una matrice di fotodiodi fu proposta da G. Weckler nel 1968, antecedentemente al CCD. Questa fu la base per il PPS, che aveva elementi di sensori di immagine con transistor di selezione in pixel, proposto da Peter J.W. Noble nel 1968 (a Noble è stato poi assegnato un premio per i "contributi seminali ai primi anni dei sensori di immagine" dalla International Image sensor Society nel 2015) e da Savvas G. Chamberlain nel 1969.
Il sensore a pixel passivi MOS utilizzava solo un semplice interruttore nel pixel per leggere la carica integrata del fotodiodo. I pixel erano disposti in una struttura bidimensionale, con un filo di abilitazione all'accesso condiviso dai pixel nella stessa riga e un filo di uscita condiviso per colonna. Alla fine di ogni colonna c'era un transistor. I primi array di fotodiodi erano complessi e poco pratici, richiedendo la fabbricazione di transistor di selezione all'interno di ciascun pixel, insieme a circuiti multiplexer su chip. Il rumore degli array di fotodiodi era un limite alle prestazioni, poiché la capacità del bus di lettura dei fotodiodi determinava un aumento del livello di rumore. Anche il doppio campionamento correlato (CDS) non può essere utilizzato con un array di fotodiodi senza memoria esterna. Negli anni '70 non era possibile fabbricare sensori di pixel attivi con una dimensione pixel pratica, a causa delle limitate tecnologie di microlitografia dell'epoca.
Sensore a pixel attivi Il sensore a pixel attivi è costituito da pixel attivi, ciascuno contenente uno o più amplificatori MOSFET che convertono la carica foto-generata in una tensione, amplificano la tensione del segnale e riducono il rumore. Il concetto di un dispositivo a pixel attivi è stato proposto da Peter Noble nel 1968.
Il concetto di pixel attivi MOS venne implementato come dispositivo di modulazione di carica (CMD) da Olympus in Giappone durante la metà degli anni '80. Ciò fu reso possibile dai progressi nella fabbricazione dei dispositivi a semiconduttore MOSFET, con il ridimensionamento dei MOSFET che raggiunse livelli più piccoli del micron, quindi del sotto micron tra gli anni '80 e i primi anni '90. Il primo MOS APS fu fabbricato dal team di Tsutomu Nakamura alla Olympus nel 1985. Il termine sensore di pixel attivi (APS) fu coniato da Nakamura mentre lavorava al sensore CMD active-pixel alla Olympus. L'imager CMD aveva una struttura APS verticale, che aumentava il fattore di riempimento (o riduceva le dimensioni dei pixel), memorizzando la carica del segnale in un transistor NMOS di uscita. Altre società giapponesi di semiconduttori seguirono presto con i propri sensori di pixel attivi tra la fine degli anni '80 e l'inizio degli anni '90. Tra il 1988 e il 1991, Toshiba sviluppò il sensore "double-gate floating surface transistor", che aveva una struttura APS laterale, con ogni pixel contenente un photogate MOS a canale nascosto e un amplificatore di uscita PMOS. Tra il 1989 e il 1992, Canon sviluppò il base-stored image sensor (BASIS), che utilizzava una struttura APS verticale simile al sensore Olympus, ma con transistor bipolari anziché MOSFET.
All'inizio degli anni '90, le aziende americane hanno iniziato a sviluppare pratici sensori di pixel attivi MOS. Nel 1991, Texas Instruments sviluppò il sensore CMD di massa (BCMD), che venne fabbricato presso la filiale giapponese dell'azienda e aveva una struttura APS verticale simile al sensore CMD Olympus, ma era più complesso e utilizzava PMOS piuttosto che transistor NMOS.
Sensore CMOS Dalla fine degli anni '80 all'inizio degli anni '90, il processo CMOS era ben consolidato come un processo di produzione di semiconduttori stabile ben controllato, oltre ad essere il processo di base per quasi tutti i microprocessori e la logica. C'è stata una recrudescenza nell'uso di sensori a pixel passivi per applicazioni di imaging di fascia bassa, mentre i sensori a pixel attivi hanno iniziato a essere utilizzati per applicazioni a bassa risoluzione ad alte prestazioni come la simulazione della retina e i rivelatori di particelle ad alta energia. Tuttavia, i CCD continuavano ad avere un rumore temporale molto più basso e un rumore a schema fisso ed erano di conseguenza la tecnologia dominante nelle applicazioni di consumo come i camcorder e le telecamere di trasmissione, dove stavano sostituendo i tubi da ripresa.
Nel 1993, venne sviluppato presso il Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA il primo APS concreto prodotto al di fuori del Giappone, compatibile con CMOS, il cui sviluppo fu guidato da Eric Fossum. Aveva una struttura APS laterale simile al sensore Toshiba, ma fabbricata con transistor CMOS anziché PMOS. Fu il primo sensore CMOS con trasferimento di carica intra-pixel, legato a un amplificatore in-pixel per ottenere un vero e proprio doppio campionamento correlato (CDS) e un funzionamento a basso rumore temporale, e circuiti on-chip per la riduzione del rumore a schema fisso.
Fossum ha anche pubblicato un ampio articolo del 1993 che prevede l'emergere di imager APS come successori commerciali dei CCD. Il documento ha dato ampio spazio alla definizione del sensore a pixel attivi (APS). Fossum ha classificato due tipi di strutture APS, l'APS laterale e l'APS verticale. Ha anche fornito una panoramica della storia della tecnologia APS, dai primi sensori APS giapponesi allo sviluppo del sensore CMOS al JPL.
Nel 1994 Fossum propose un miglioramento al sensore CMOS: l'integrazione del fotodiodo appuntato (PPD). Un sensore CMOS con tecnologia PPD fu fabbricato per la prima volta nel 1995 da un team congiunto del JPL e di Kodak che includeva Fossum insieme a P. P. K. Lee, R. C. Gee, R. M. Guidash e T. H. Lee. Tra il 1993 e il 1995, il Jet Propulsion Laboratory sviluppò una serie di prototipi di dispositivi, che hanno convalidato le caratteristiche chiave della tecnologia. Sebbene primitivi, questi dispositivi dimostrarono una buona qualità dell'immagine con un'elevata velocità di lettura e un basso consumo energetico.
Nel 1995, frustrati dal ritmo lento dell'adozione della tecnologia, Fossum e la sua moglie di allora, la dott.ssa Sabrina Kemeny co-fondarono Photobit Corporation per spingere la commercializzazione della tecnologia. Continuò a sviluppare e commercializzare la tecnologia APS per una serie di applicazioni, come web cam, fotocamere ad alta velocità e motion capture, radiografia digitale, fotocamere per endoscopia (pillola), fotocamere reflex digitali a lente singola (DSLR) e telefoni cellulari. Molte altre piccole aziende del settore sono nate poco dopo grazie all'accessibilità del processo CMOS e tutte hanno adottato rapidamente l'approccio del sensore a pixel attivi.
I sensori CMOS di Photobit hanno trovato la loro strada nelle webcam prodotte da Logitech e Intel, prima che Photobit fosse acquistata da Micron Technology nel 2001. Le prime fasi del mercato dei sensori CMOS vedevano inizialmente alla guida produttori americani come Micron e Omnivision, il che consentì agli Stati Uniti di riconquistare brevemente una parte del mercato complessivo dei sensori di immagine dal Giappone, prima che il mercato dei sensori CMOS finisse per essere dominato a loro volta dallo stesso Giappone, dalla Corea del Sud e dalla Cina. Il sensore CMOS con tecnologia PPD è stato ulteriormente perfezionato da R. M. Guidash nel 1997, K. Yonemoto e H. Sumi nel 2000 e I. Inoue nel 2003. Ciò ha portato i sensori CMOS a ottenere prestazioni di imaging alla pari con i sensori CCD e successivamente a superare i sensori CCD.
Dal 2000, i sensori CMOS sono stati utilizzati in una gran varietà di applicazioni, tra cui telecamere a basso costo, telecamere per PC, fax, multimedia, sicurezza, sorveglianza e videotelefonia.