Image Sensors 5 of 6 - Frontside and Backside Illumination
Summary
TLDREl guion del video explica el concepto de la tercera dimensión en sensores de imagen, utilizando un dibujo para ilustrar cómo los fotones penetran en el silicio y crean pares electrón-agujero. Se discute la iluminación frontal, donde la luz choca con el metal y se bloquea, y cómo las lentes micro mejoran la eficiencia de captura de luz. Además, se presenta la iluminación trasera, donde la luz entra desde el lado opuesto al metal, siempre y cuando el silicio esté completamente despojado, evitando regiones libres de campo y aumentando la eficiencia cuántica. El video también define 'drenaje' y 'difusión' en el contexto de la conducción de carga en el silicio.
Takeaways
- 📏 La dimensión tercera no se muestra en la representación 2D, pero es crucial para entender cómo la señal sale por encima de los píxeles en la dimensión Z.
- 🎨 El dibujante intenta ilustrar la dimensión Z al voltear un array de píxeles y representar los píxeles en esa nueva dimensión.
- 🔍 Se menciona que los fotodiodos, compuestos por tipos N y P, están en la base de la estructura y están conectados a tierra.
- 💡 La llegada de un fotón puede crear un par electrón-agujero, donde el agujero se mueve hacia afuera del imagenador y el electrón se dirige a su píxel más cercano.
- 🤔 No hay una separación física entre los píxeles en el silicio; son diferentes perfiles de dopado en una masa de silicio.
- 🚀 Un electrón creado puede, aunque esté más cerca de un píxel, potencialmente moverse a otro píxel vecino en la matriz.
- 🌌 Se describe cómo los fotones entrantes pueden ser bloqueados por el metal o penetrar en el silicio, dependiendo de su dirección de llegada.
- 🔄 Se introduce el concepto de iluminación frontal, donde la luz llega al mismo lado que el metal, lo que puede ser ineficiente.
- 🔬 Se sugiere la posibilidad de recolectar más luz utilizando lentes micro (lentes de poliamida) para dirigir la luz hacia el silicio.
- 🔦 La iluminación trasera (BI) se presenta como una técnica para mejorar la eficiencia al enviar los fotones desde el lado opuesto al metal.
- 🛠 La eficacia de la iluminación trasera depende de la capacidad de despistar completamente el silicio de tipo P, evitando regiones libres de campo que provocan difusión de los portadores de carga.
Q & A
¿Qué es la tercera dimensión en el contexto de la imagen digital?
-La tercera dimensión se refiere a la profundidad o el 'Z Dimension', que es la altura de los píxeles en un sensor de imagen, y es crucial para entender cómo se captura la luz y se convierte en una imagen.
¿Cómo se representa la tercera dimensión en el guion?
-El guion intenta representar la tercera dimensión al mostrar cómo los fotones llegan a los píxeles a través de la profundidad, más allá de la superficie de los píxeles en las dimensiones X e Y.
¿Qué es un fotodiodo y cómo funciona en relación con la tercera dimensión?
-Un fotodiodo es un dispositivo que convierte luz en electricidad. En la tercera dimensión, los fotodiodos están en la base del sensor y crean pares electron-hueco cuando absorben fotones, lo que es fundamental para la captura de la imagen.
¿Por qué la iluminación frontal no es ideal para la captura de luz en los sensores de imagen?
-La iluminación frontal, o 'front side illumination', no es ideal porque parte de la luz incidente puede ser bloqueada por el metal en la parte superior del sensor, reduciendo la cantidad de luz que llega a los fotodiodos.
¿Qué son los microlentes y cómo ayudan a mejorar la eficiencia de captura de luz?
-Los microlentes son pequeñas estructuras que se colocan sobre el sensor de imagen para dirigir la luz hacia los fotodiodos. Ayudan a que más luz alcance el sensor, mejorando la eficiencia de captura y la calidad de la imagen.
¿Qué es la iluminación trasera o 'backside illumination' y cómo mejora la captura de luz?
-La iluminación trasera, o 'backside illumination', implica enviar los fotones a través de la parte trasera del sensor, evitando que el metal bloquee la luz y permitiendo que una mayor cantidad de fotones alcance los fotodiodos.
¿Qué es la depuración y por qué es importante en la iluminación trasera?
-La depuración es el proceso de vaciar completamente el semiconductor de su carga móvil. Es importante en la iluminación trasera para asegurar que todos los portadores de carga alcancen el área correcta del sensor y se capturen correctamente.
¿Qué son los campos libres y cómo afectan la captura de luz en la iluminación trasera?
-Los campos libres son regiones donde no hay fuerza eléctrica para guiar a los portadores de carga. En la iluminación trasera, pueden causar que los electrones se difundan en lugar de moverse directamente hacia los fotodiodos, lo que reduce la calidad de la imagen.
¿Qué es la difusión y cómo se relaciona con la captura de luz en sensores de imagen?
-La difusión es el movimiento de los portadores de carga debido a la energía térmica en ausencia de un campo eléctrico. Puede causar que los electrones se muevan aleatoriamente y no lleguen a la ubicación correcta en el sensor, reduciendo la resolución de la imagen.
¿Qué es el flujo de carga y cómo afecta la calidad de la imagen en un sensor de imagen?
-El flujo de carga es el movimiento de los portadores de carga impulsado por un campo eléctrico. Es importante para que los electrones alcancen los fotodiodos correctos y contribuyan a la captura de la imagen. Un mal flujo de carga puede resultar en una imagen borrosa o de baja calidad.
¿Cómo se puede mejorar la eficiencia cuántica en los sensores de imagen?
-La eficiencia cuántica se puede mejorar mediante técnicas como la iluminación trasera y el uso de microlentes. Estas técnicas aumentan la cantidad de fotones que llegan a los fotodiodos y se convierten en señales eléctricas, mejorando la calidad de la imagen.
Outlines
📐 Tercera dimensión en sensores de imagen
El primer párrafo se centra en explicar la tercera dimensión en los sensores de imagen, que no se muestra en un diagrama bidimensional. Se describe cómo la señal sale por encima de los píxeles en la dimensión Z. El narrador intenta ilustrar esta dimensión con un dibujo, representando un array de píxeles y cómo los fotones pueden interactuar con el diodo fotoeléctrico, creando pares electron-hueco que podrían migrar a los píxeles cercanos. Se menciona que no hay una división clara entre los píxeles en el silicio, lo que puede causar que los electrones terminen en el pixel equivocado. Además, se discuten las implicaciones de la disposición de los componentes en la eficiencia de la captura de luz.
🔍 Iluminación frontal y trasera en sensores de imagen
El segundo párrafo explora cómo la luz llega a los sensores de imagen y cómo afecta la eficiencia de la captura de luz. Se introduce el concepto de iluminación frontal, donde la luz llega de la misma dirección que los metales, lo que puede bloquear parte de la luz. Para mejorar esto, se sugiere el uso de lentes micro en el sensor para redirigir la luz y aumentar la cantidad de fotones que llegan al silicio. También se discute la iluminación trasera, donde la luz llega desde la parte opuesta a la del metal, lo que podría aumentar la eficiencia si se logra una depuración completa del silicio tipo P. Se menciona la importancia de evitar regiones libres de campo para asegurar que los electrones terminen en el pixel correcto, y se describe cómo la difusión y el flujo de electrones pueden verse afectados por la presencia o ausencia de un campo eléctrico.
👀 Definición de difusión y flujo en sensores de imagen
El tercer párrafo se enfoca en aclarar los términos 'difusión' y 'flujo' en el contexto de los sensores de imagen. Se explica que el flujo se produce cuando el campo eléctrico domina y los electrones se mueven en la dirección del campo, mientras que la difusión ocurre en ausencia de un campo eléctrico, siendo un proceso dominado por el calor. El narrador menciona que puede necesitar aclarar estos conceptos en futuras videos para brindar una comprensión más profunda.
Mindmap
Keywords
💡Dimensión
💡Píxeles
💡Fotodiodo
💡Tipo N y Tipo P
💡Electrones y Agujeros
💡Illuminación Frontal
💡Microlentes
💡Illuminación Trasera
💡Depleción
💡Drift y Difusión
Highlights
Introduction to the concept of the third dimension in image sensors beyond the standard x and y dimensions.
Explanation of how a signal in image sensors emerges in the z-dimension, affecting pixel interaction.
Illustration of pixel array and the flipping of the array to represent the third dimension.
Demonstration of how electrons and holes are created and their movement within the silicon substrate.
Discussion on the lack of physical barriers between pixels and the potential for electron diffusion.
Introduction of the photodiode and its role in the generation of electron-hole pairs.
Description of the silicon substrate's structure, including n-type and p-type materials.
Explanation of the oxide layer and its function as an insulator in image sensors.
Introduction of metal layers and their placement over the oxide in image sensors.
Illustration of the impact of metal layers on light absorption and the concept of front side illumination.
Introduction to micro lenses and their role in redirecting light to improve quantum efficiency.
Explanation of how micro lenses help in collecting more light and avoiding metal obstruction.
Introduction to the concept of backside illumination (BI) and its advantages.
Discussion on the necessity of depleting the p-type silicon for effective backside illumination.
Illustration of the potential issues with incomplete depletion and field-free regions.
Explanation of the concepts of drift and diffusion in the context of electron movement.
Conclusion summarizing the importance of proper depletion and the impact on image sensor performance.
Transcripts
okay I want to talk a bit about the
third dimension what I'm not showing
here this is two Dimensions so we have X
Dimension and we have y Dimension okay
but when I when I'm showing that this
signal was coming out uh it's actually
coming out over the top of all those
pixels in the third dimension in the Z
Dimension so let me try to draw out that
third dimension to give you a sense of
what it looks like well actually let me
start with a new
canvas we got the canvas here let me
draw and I'm going to try my best to
make sure this comes
out let's say this was that array that I
drew
earlier and it's supposed to it's soft
scale bit so that's what I was drawing
earlier now let's say we're flipping it
on its end so we're going to flip it
like that okay and what we're going to
see if we flip it like that let me draw
out the pixels
first
it's off the screen but you can see the
pixels
are
[Music]
here trying to get this into Dimension
but I don't think it's working very well
anyway those are the pixels so this uh
let's say rather this pixel here is that
pixel there let me get a different color
this pixel here is this pixel here and
uh this pixel pixel here is this pixel
there
okay
now I'm going to look at the end of this
thing so there's actually a volume here
right some kind of
volume there we go here's our photo
diode where here was the N type and here
was the P type so if uh and this is
grounded down here if the photon comes
in from the side actually it doesn't
come in from the side it comes in either
from this way or this way but let's say
it let's say for the sake of argument it
came in from the side and we create an
electron hole pair electron hole pair
the hole would go this way and out of
the imager and the electron would most
likely go to its nearest pixel now in
the Silicon there's nothing separating
one pixel from another there's there's
no hardcore division down down the
Silicon here it's all just one mass of
silicon different doping profiles with
one mass of silicon so an electron
Creator here could even though it's
closest to this pixel it could maybe
find its way over to this pixel or one
further in the array statistically those
things could happen Okay I'm going to
look at this front edge and I'm going to
redraw it I'm going to draw this front
edge down below down below
okay let me get white again okay let me
draw kind of a squiggle off on this side
and a squiggle off on this side to
represent that it's going mostly to
Infinity okay we got this here we got
the oh let me back up a second I think I
drew that too large for what I want to
demonstrate
okay squiggle here squiggle
here this side put that up a little
more like that okay I want to draw this
a little more to scale so there's n type
and there's ptype usually the the the P
substrate is much much much thicker than
the N type substrate so that's what I
tried to capture
there now uh let's say that there's an
oxide sitting on top so this is grounded
let's say there's an oxide sitting on
top of the end type and I'm going to
draw that try to draw that in a
different color does gray work yeah well
not not too well uh let's draw
Green okay there's an oxide sitting
there the oxide that's an insulating
material oxide I'll just write out
insulator oxide insulator sitting there
where this is
silicon and this is also
silicon okay on top of that oxide
there's metal and let's let's draw an
imaginary division of these pixel I I
said that there's no structure that
makes it all the way through the Silicon
but let's imagine that we just kind of
want want to divide it up into a pixel
there's
one and there's another
okay uh let's draw the metal so let's
say we have metal
here that's covering part of the pixel
and we got it here covering that part of
that pixel and we got it here covering
that part of that pixel okay now you can
see that there is that third dimension
coming in and out of the page and we can
do a couple things with the way light
comes in light oh this is let me pause
for a second okay I paused to erase uh
light for most image sensors is going to
come in from the top so let's say we had
red light red
light I'll draw it actually in its true
color let's say red light is coming in
and let's say each
pixel gets one
it gets two photons so there's six
photons it doesn't work out like that
but let's say there's six photons so
those photons come in and they penetrate
into the Silicon so this Photon actually
is blocked by the metal but this guy
makes it all the way in and this guy
makes it all the way in uh this guy's
blocked by the metal this guy makes it
all the way in and this guy is blocked
by the metal of the six photons that
were incident upon the Silicon we have
three that made it into the Silicon and
each one of those photons is going to
create an electron whole pair and we'll
read out the electron now this is not
ideal this is called front side
illumination we're Illuminating from the
same side as the metal that's called
front side illumination is there a way
we can collect more of that light rather
than having hit the metal and just be
blocked well let me backtrack a little
bit and show you that indeed yes there
is a
way let's say we filled in the rest
filled in around the metal with more
oxide
okay fill in with more oxide and then on
top of that oxide we draw lenses we have
lenses and these will be with some sort
of polymer material like polyamid and
let's say they're space like
this there's one there's one per pixel
but they're slightly offset okay you'll
see
why I'm really not drawing this to scale
but they're Mounds so those
are micro
lenses micro
lenses okay what's going to happen to
that red light now so let's say that the
light
hit well let's say this one hit was
going to go there this one was going to
go there this one is going to go there
one goes I'm not drawn this exactly
right but one
there one there and one was going to hit
there this is really awfully drawn not
drawn to scale but what's going to
happen well this this guy is now going
to hit that lens and it's going to be
directed off to the side a little bit a
little bit off this way this one is
going to hit that lens and be directed
instead of coming straight down and
hitting the metal it's going to be
redirected through that opening and down
into the Silicon this guy is pretty much
still going to come straight on this guy
is going to hit that piece there and
it's going to be redirected slightly
this way maybe it misses the metal and
makes it into silicon this guy comes
straight on and this guy comes this way
a little bit so now of the six photons
we've collected pretty much six of them
they aren't going to show up exactly in
the Silicon where they got where they
would be directly imaged but they're all
making it in and so our Quantum
efficiency is higher for the the the the
percentage of the incident photons
making it into silicon is higher that's
external Quantum
efficiency now let's look at it a
different way wouldn't it be nice if we
did to worry about that metal at all
what if we could send the photons in
from this way instead there's no metal
there well that's great that's called
backside illumination backside
illumination backside
illumination or
bi and that works well if and only if
you can deplete this entire ptype
silicon so that means that the thickness
of this layer has to either be thin
enough enough or the doping has to be
low enough that for a given voltage you
can deplete the whole thing otherwise
you'll have a lot of field-free regions
and the field free region and the the
carriers will run around and not end up
where you want them to let me draw an
example try to draw what I
mean and I'll go to White so I don't
have too many colors floating around
let's say you created a charge Cloud
here let's say there are three electrons
what you would like is for those three
electrons to end up in this pixel
because that's the one uh directly in
line with it but that may not happen
because even though it it may see an
electric field pushing it or pulling it
towards the front side uh let's say at
the back surface we're not fully
depleted so there's a field free region
and they start to diffuse laterally
before they find their way
into the electric field the depletion
region and now instead of all three
electrons ending up here we get one here
one here and one there there was
diffusion in this direction and drift in
this direction so they don't end up all
where you want them to be and let me
Define that so
drift is where you're dominated by
electric
field electric
field
dominates and diffusion is where there's
no electric field and so you're
thermally thermally dominated
that's probably not entirely clear um
try I'll try to clarify it in some
future
videos
Browse More Related Video
Types of Image Sensors | Image Sensing
Paneles Solares Explicados - ¡Descubre los Misterios del Funcionamiento de los Paneles Solares!
POR QUE LA SELVA Y EL BOSQUE NO TIENEN PLAGAS Y ENFERMEDADES
Lighting Anatomy applied to form
CAP 50 1/5: Refracción de la luz l Fisiología de Guyton
Image Sensors 6 of 6 - Charge Movement in CCD
5.0 / 5 (0 votes)