Image Sensors 3 of 6 - CCD and CMOS Overview 1
Summary
TLDREl guion del video presenta una explicación detallada sobre las arquitecturas de imágenes visibles, enfocándose en los tipos monolíticas y híbridas. Se describe el concepto de sensor de imagen CCD (Dispositivo Acoplado de Carga) y CMOS (Transistores Oxído de Metal Complementarios), destacando sus diferencias y usos. El CCD es conocido por su bajo ruido y utilidad en aplicaciones espaciales, pero con desventajas como alto consumo de energía, lentitud y procesos de fabricación no estándar. Por otro lado, los CMOS son más comunes en dispositivos electrónicos de consumo debido a su facilidad de fabricación y compatibilidad con procesos CMOS. El video también ilustra cómo se mueve la carga electrónica en un CCD y cómo se convierte en una señal digital para su procesamiento.
Takeaways
- 🌟 La visión del video se centra en los tipos básicos de arquitecturas de imágenes visibles, es decir, en los tipos de longitudes de onda que el ojo humano puede ver, como azul, verde y rojo.
- 📐 Existen dos tipos generales de arquitecturas de sensores de imagen: monolíticas y híbridas. La monolítica se fabrica en un solo pedazo de silicio, mientras que la híbrida utiliza dos materiales y se unen mediante un proceso llamado 'unión por bumbo'.
- 🔍 La estructura general de fotodiodos para la imagen visible es la estructura PIN, que permite una gran región depauperada para detectar longitudes de onda largas, como las que alcanzan los 1000 a 1100 nanómetros.
- 🏭 Se enfoca en la arquitectura monolítica, ya que es la más común en aplicaciones de consumidor, espaciales y de alto rendimiento.
- 🔵 Dentro de las arquitecturas monolíticas, se mencionan dos tipos principales: CCD (Dispositivo Acoplado de Carga) y CMOS (Complementario de Oxido de Metal y Semiconductor).
- 🔋 El CCD fue el primer tipo de sensor de imagen desarrollado, con una baja pérdida de carga y una baja ruido, aunque consume más energía y es más lento debido a su proceso de lectura serial.
- 🔌 La arquitectura CCD implica mover electrones de píxel en píxel hasta un registro de desplazamiento serial, donde luego se convierten en una señal analógica que se amplifica y se convierte en digital para su procesamiento.
- 💻 Los CMOS son una evolución más reciente y se utilizan en la mayoría de las cámaras de teléfonos móviles y dispositivos electrónicos de consumo, marcando la tendencia del mercado actual.
- 🛠️ Una ventaja del CCD es su bajo ruido, lo que lo hace ideal para aplicaciones espaciales como la TDI (Integración con Retardo de Tiempo), donde se puede 'mirar' un punto fijo por más tiempo mientras un satélite pasa por encima.
- 🔋 Una desventaja del CCD es su alto consumo de energía, ya que requiere cargar y descargar muchas líneas de reloj en un área grande para mover la carga.
- 🔗 Otra desventaja del CCD es su lentitud debido al proceso serial de lectura de toda la matriz a través de un solo canal, comparado con la arquitectura CMOS que es más rápida y eficiente.
- 🛠️ La fabricación de CCDs no es estándar en comparación con la arquitectura CMOS, que es la tendencia en la industria semiconductor debido a su facilidad de integración con procesos de lógica digital.
Q & A
¿Qué significa 'visible imaging' en el contexto del video?
-El 'visible imaging' se refiere a la captura de imágenes en el espectro de longitudes de onda que el ojo humano puede ver, es decir, azul, verde y rojo aproximadamente.
¿Cuáles son las dos arquitecturas básicas de sensores de imagen mencionadas en el video?
-Las dos arquitecturas básicas de sensores de imagen mencionadas son 'monolithic' y 'hybridized'.
¿Qué implica la fabricación 'monolithic' de un sensor de imagen?
-La fabricación 'monolithic' significa que el sensor de imagen se ha manufacturado en una sola pieza de silicio.
¿Qué es la técnica de 'bump bonding' y cómo se relaciona con la arquitectura 'hybridized'?
-La técnica de 'bump bonding' es un método utilizado en la arquitectura 'hybridized' para unir dos tipos de materiales, generalmente un material para el fotodiodo y otro para la electrónica de lectura, fusionándolos juntos.
¿Qué estructura de fotodiodo se utiliza comúnmente para la imagen visible?
-La estructura de fotodiodo comúnmente utilizada para la imagen visible es la estructura P-I-N, donde hay un tipo P y un tipo N con un tipo intrínseco en el medio.
¿Qué es un CCD y cómo se relaciona con la arquitectura de sensores de imagen?
-Un CCD, o 'Charge Coupled Device', es un tipo de dispositivo de sensor de imagen que se desarrolló temprano y se caracteriza por su baja ruido y su uso en aplicaciones especializadas como la captura de imágenes desde satélites.
¿Qué es un CMOS y cómo se diferencia de un CCD?
-Un CMOS, o 'Complementary Metal-Oxide-Semiconductor', es un tipo de sensor de imagen que se desarrolló más tarde que el CCD y se ha vuelto predominante en dispositivos de consumo debido a su bajo costo y bajo consumo de energía.
¿Cómo se describe el proceso de lectura de una imagen en un CCD?
-En un CCD, la lectura de una imagen implica mover electrones de pixel en pixel hasta un registro de desplazamiento serial, luego a un capacitor y finalmente a un amplificador antes de ser convertido en un voltaje digital que el ordenador puede leer.
¿Por qué se usaría un CCD en lugar de un CMOS?
-Se usaría un CCD en lugar de un CMOS por su baja ruido, lo que lo hace ideal para aplicaciones que requieren alta sensibilidad y calidad de imagen, como las aplicaciones espaciales.
¿Cuáles son algunas de las desventajas de los CCDs mencionadas en el video?
-Algunas desventajas de los CCDs incluyen un alto consumo de energía debido al movimiento de carga a lo largo de líneas de reloj extensas y su lentitud en comparación con los CMOS debido a su proceso de lectura serial.
¿Cómo se relaciona la fabricación de CCDs con la industria semiconductor actual?
-La fabricación de CCDs no se alinea con los procesos de fabricación CMOS que dominan la industria semiconductor actual, lo que hace que los CCDs sean menos estándar y más difíciles de fabricar en comparación con los CMOS.
Outlines
📷 Arquitecturas de imágenes visibles: Monolíticas y Híbridas
El primer párrafo introduce los conceptos básicos de las arquitecturas de imágenes visibles, enfocándose en los tipos de ondas que pueden ser vistas por el ojo humano, como el azul, verde y rojo. Se mencionan dos tipos principales de arquitecturas de sensores de imagen: la monolítica y la híbrida. En la arquitectura monolítica, el sensor de imagen se fabrica en una sola pieza de silicio. Por otro lado, la arquitectura híbrida implica el uso de dos materiales diferentes, donde generalmente se fabricaría el fotodiodo en un material y los componentes de lectura electrónica en otro, uniéndolos mediante un proceso llamado 'unión por bumbo'. El video se centrará en la arquitectura monolítica, que es común en aplicaciones de consumo, espaciales y de alto rendimiento, y se mencionan las dos subtipos principales: CCD (Dispositivo Acoplado de Carga) y CMOS (Transistores a Oxido de Metal Complementarios).
🔄 Funcionamiento del CCD: Registro y Transferencia de Carga
Este párrafo explica cómo funciona la arquitectura CCD, que implica el movimiento secuencial de electrones dentro del sensor para su posterior conversión a una señal digital. Se describe el proceso de captura de fotones que generan pares electron-hueco, y cómo el electrón se mueve de píxel en píxel hasta llegar a un registro de desplazamiento serial. Una vez allí, el electrón se transferirá a un capacitor para ser amplificado y convertido en una señal analógica. Finalmente, esta señal se digitaliza y se envía a una computadora para su procesamiento. Se resalta la importancia de la dirección de los movimientos de carga dentro del sensor, donde se establecen filas y columnas para la organización de los píxeles. Además, se mencionan las ventajas del CCD, como su bajo ruido, debido a la reducción de la necesidad de amplificadores caracterizados, lo que lo hace ideal para aplicaciones espaciales como la integración de retardo de tiempo (TDI).
🔋 Desventajas del CCD y Ventajas del CMOS
El tercer párrafo discute las desventajas del CCD, como su alto consumo de energía, debido a la necesidad de cargar y descargar múltiples líneas de reloj en un área extensa para mover la carga. También se menciona su lentitud, ya que la salida de datos es serial, lo que limita la velocidad de transferencia de la imagen. Además, se señala que la fabricación de CCDs no es estándar en comparación con la arquitectura CMOS, que es más común y compatible con procesos de fabricación de la industria semiconductor. Se sugiere que, aunque los CCDs tienen algunas ventajas, los CMOS sensores son más fáciles de fabricar y están impulsando el mercado actualmente. Se anticipa que el siguiente video abordará los sensores de imagen CMOS.
Mindmap
Keywords
💡Arquitecturas de imágenes visibles
💡Monolítico
💡Híbrido
💡PI结
💡CCD
💡CMOS
💡Fotodiodos
💡Bump bonding
💡Amplificador
💡Conversor analógico a digital
Highlights
Introduction to visible imaging architectures, focusing on monolithic and hybridized types.
Monolithic imaging sensors are manufactured in a single piece of silicon.
Hybridized imaging sensors combine two different materials, using a technique called bump bonding.
The general photodiode structure for visible imaging is the PIN structure, allowing detection of long wavelengths.
Focus on monolithic architecture due to its widespread use in consumer, space-based, and high-end applications.
CCD (Charge Coupled Device) and CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) are two types of monolithic fabrication styles.
CCDs were the first image sensors developed, introduced by Boyle and Smith at Bell Labs.
CMOS image sensors became viable in the last 10-20 years and are now dominant in the market.
Explanation of CCD architecture, including pixel array and serial shift register.
Process of electron transfer from a pixel to an amplifier in a CCD.
Conversion of analog voltage to digital for computer processing in CCDs.
Discussion on the advantages of CCDs, such as low noise and suitability for space-based applications.
Drawbacks of CCDs include high power consumption, slow processing due to serial nature, and non-standard fabrication.
Comparison of CCD and CMOS fabrication processes and their industry adoption.
预告下一视频将讨论CMOS成像器。
Transcripts
in this video I'll talk about the basic
types of visible imaging architectures
visible visible imaging visible imaging
by visible imaging I mean the kinds of
wavelengths that your eye can see so I
mean like blue green and red or there
abouts of the general architectures
there are two kinds there's one
monolithic monolithic I'm sure I'll
write them out and then explain them and
then two hybridized hybridized
what is monolithic mean monolithic means
that you've manufactured the entire
image sensor in a single piece of
silicon single piece of silicon
hybridized means you've used two kinds
of material two two materials and you
generally in this case will manufacture
the photodiode in one material and the
readout electronics and the other
material and then you squish them
together
squish squish them together that
technique is usually called bump bonding
bump bonding and this is the hybridize
for silk for silicon for visible imaging
the general kind of photo dot structure
is going to be the P I and structure
where you have a P type and type and
then a intrinsic type in the middle
that's a very large volume and the
reason you do this is so you can have a
large depleted region depleted region
and you do that so you can detect very
long wavelengths like maybe out to 1000
to 1100 nanometers but that's not what
I'm going to discuss here I'm going to
focus on monolithic because this is
generally what's used in most consumer
applications and in quite a lot of space
based applications and high-end
applications all kinds of applications
so within the monolithic
stop general type of architecture with
our general fabrication style so I would
call the monolithic and hybridized
fabrication styles fabrication within
monolithic there are two kinds there is
CCD and CMOS let me scroll down
what is CCD well CCD is and I'm going to
draw out the architecture later charge
coupled device charge coupled device and
seam losses so big beasts to write out
complementary complementary Torrey metal
oxide semiconductor it's a little bit of
a misnomer because see CDs also have
metal oxide semi conductors in them and
also have complementary PN structures
but this this CMOS generally gets
referred to as a kind of manufacturing
process which would be distinct from the
manufacturing process used to many to
make CCDs see see these were the first
kind of image sensor developed I think
they were developed by Boyle and Smith
at Bell Labs and I don't remember who
first commercialized them but a long
time ago they were developed CMOS image
sensors are a later development not much
later but later but they only became
realizable as vas produced image sensors
in the last 10 15 maybe 20 years and
this is what you'll find in all
cellphone cameras or any kind of
consumer consumer electronics the
reasons for the CCDs are still used in
some applications but CMOS drives the
market now let me scroll down and get a
new part of the screen I'll start
talking about the architectures okay let
me start with CCD a CCD architecture
architect sure let me draw out an array
of pixels here we go
I'm making an array of pixels this I'll
divide it up this is a big mass of
silicon I'm drawing pixels in here okay
so I have four by four array so this is
16 pixels where this would be pixel 1
this will be pixel to pixel 3 pixel 4 4
5 where pixel 5 is this whole area here
okay and on down the line then below
this array I have what's known as a
serial shift register or shift register
and that has the same number of pixels
but it just has one in this direction
just one pixel in this direction and
lots of pixels in this direction okay
let me lock that up it's a serial shift
register so your shift register that's
this whole thing let's say a photon
comes in and hits that pixel and only
that pixel and it creates an
electron-hole pair as we know from the
last video the hole gets thrown away we
don't care about it how does this
electron come out of the CCD to the
world that we can read and as a computer
the computers can only interact with
digital quantities and this is this is
definitely an analog type on it in fact
it's not even really analog because it's
just an electron it's not even a voltage
level yet effectively so how we do that
is we need to in the CMOS I'm sorry CCD
architectures we need to get that
electron out ink in a serial fashion so
we'll move the electron to this pixel
we're going to start shuttling the
electron out and then we move the
electron to this pixel okay and then we
move the electron to this pixel alright
now we move it into the serial shift
register
so now here there's the electron we move
it over here and then we move it over
one more time and then we move it out
okay what do we move it out on - well
the electron comes out here and it sits
on parallel plate capacitor or a
capacitor and that capacitor is
connected to an amplifier and this
symbol I'm drawing now is an amplifier
amplifier the electron sits on that
capacitor and by this equation Q equals
CV we know the value of C or let's
assume we do we know the voltage that
gets read out because it's the same
voltage that comes out here and so we
could extrapolate what is Q but that's
how it gets related so this now is a
voltage but this is an analog voltage
and we need a digital voltage what we do
with that analog voltage is we send it
into an analog to digital converter let
me scroll down and analog the digital
converter and then send that to a
computer and that's our signal that
after all of those steps after this this
place in this place in this place in
this place the electron shuttles out and
then finally we get to the computer okay
one thing I want to note before going on
with the discussion is that in general
for image sensors the way you talk about
the X and y directions here for the
array is this would be a row so this
would be row for these pixels will be
row three and these pixels of U Row two
and so on and then you have columns
let me draw in a different color
this would be a column that's called for
this is column three and so on so you
have rows and columns okay
all right why would why would he use a
CCD why would we use a CCD in place of a
CMOS well it has some virtues virtues
these are the ones I could think of off
the top of my head one is it's very low
noise you might not think it because you
have to shuttle this electron so far but
at the end of the day you only have one
or a few amplifiers that you need to
characterize and that is because you're
sending almost all the charge through a
single amplifier so that's very nice so
that's one virtue and it's great for
some applications especially space-based
applications like TDI time delay and
integrate because as the let me draw
picture so let's say this is the earth
let's say you have a satellite that's
orbiting the Earth this way
as a target is seen on the ground if you
can shuttle the charge along at the same
speed that the satellite is passing over
the target then you can stare at the
same spot for for longer anyways that's
not for most consumer applications but
that is a nice feature for space-based
applications what about vices there are
things that's bad at one is it's very
high power and this has to do with the
fact that you have to charge and D
charge a lot of clock lines over a large
area to to move the charge along another
vice is that it's slow because it's
serial we're trying to suck out the
entire array through a single channel or
a few channels so it's like trying to
empty a large cup by sucking through a
small straw another vice is that it's
non standard in its fabrication I
understand
and this is just a feature of the
direction the semiconductor industry has
taken in most in most of the
semiconductor industry is is CMOS in
style for digital logic and whatnot and
so they're they're aspects of the CCD
imager that do not feel well with CMOS
architecture even though it's all
silicon and even though the physics is
all the same it's just easier to
manufacture CMOS imagers and current
processes in the next video I'll talk
about CMOS imagers
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