Thảo luận Blog ImageSensor world (25/06/2018)

Khá lâu rồi mình mới viết blog lại... Tuần này dù mình đang bận làm thesis và phải đấu tranh để tự vực dậy bản thân trước những trắc trở trong công việc ở lab...

Mình nghĩ tới việc để cho dễ dàng, mình sẽ dịch các bài blog của bác ImageSensor world
Blog mới nhất của bác 25 tháng 6 2018
"..
Samsung sẽ sử dụng EUV trong việc sản xuất cảm biến ảnh
Samsung  fab S4 chuyên sản xuất cảm biến ảnh dạng CMOS 45nm hoặc thấp hơn sẽ bắt đầu sử dụng EUV vào tháng 2 năm sau...."

Trong blog này mình sẽ nói về EUV.. EUV hiểu đại khái là lithography thế hệ mới dùng UV ở bước sóng cố định là 13.5nm

Vậy thì cũng nên nói luôn về lithography.... Lithography là một từ gốc Hy Lạp cổ (có gốc lithos nghĩa là đá và graphein nghĩa là viết ... nghĩa là in vào đá)... Trong thời hiện đại thì lithography hiểu nôm na là khắc lên miếng silicon nhờ vào một lớp mặt nạ (được đục đẽo theo một thiết kế có chủ đích) làm bằng vật liệu chống nhạy sáng....

Lithography hiện tại đa số vẫn được gọi là photolithography vì chúng ta dùng 1 chùm sáng cường độ mạnh như là một cái dụng cụ khắc lên miếng silicon như ý muốn...   

Key concepts in image sensor

. Dynamic range: The range to perceive changebility (measured in db), usually from the lowest light sensitivity to highest light sensitivity
.

Functional of image sensor

Image sensor (tiếp theo)

Phần này mình sẽ dành để nói về 2 loại image sensor phổ biến nhất hiện nay, đó là CCD (charged couple device) và CIS (CMOS image sensor).

CCD

• Đây là image sensor thế hệ đầu. Cơ chế hoạt động của nó như hình sau

• Tưởng tượng ta có một frame 4x4 pixel. Khi bức ảnh được chụp, ta muốn chuyển các electron gom được từ mỗi pixel (nhờ các photodiode) vào khối xử lý ở góc trái cuối hình. Nguyên lý chuyển như sau: Các electron mỗi ô pixel sẽ chuyển dần xuống theo hàng dọc, vào 1 thanh serial shift register ở dưới đáy. Thanh này sẽ có nhiệm vụ electron của mỗi pixel về khối xử lý. Như vậy ta có thể tưởng tượng electron sẽ được quét theo từng hàng dọc một (column by column) -> do đó nhược điểm của cách này là xử lý khá chậm, lâu lên hình sau khi đã chụp          

• Tiếp theo đến khối xử lý, các electron (đi theo mỗi ô pixel nhé) sẽ được chứa vào tụ. Ở đây điện áp của tụ, theo công thức V=CU (mà các bạn đã học thời trung học) sẽ trở thành tín hiệu analog biểu thị cho value của ô pixel đó và sẽ được amplified rồi chuyển cho khối ADC rồi qua computer.

CIS

• Khác với CCD, các điểm ảnh trong CIS có tụ và amplifier riêng do đó sẽ không phải chờ tới lượt như kiểu serial của shift register trong CCD (quá trình đọc sẽ nhanh hơn rất nhiều). Các electron sau đó sẽ được chuyển xuống theo column xuống các ADC rồi chuyển qua computer. Đã có 1 số đề xuất là khối ADC được đặt ngay trong pixel cùng với bộ tụ và amplifer nhưng mình không biết là đã có sản phầm nào như vậy chưa.  
• Hạn chế của CIS so với CCD là sẽ có nhiều noise hơn vì số lượng amplifier tăng lên rất nhiều. Tuy nhiên, bởi vì công nghệ sản xuất CMOS tương thích với các fab nên giá thành của CIS rẻ hơn nhiều so với CCD.

Image Sensor

Tuần này mình bắt đầu viết blog về image sensor.  Có khá nhiều thứ để nói về image sensor nhưng trước tiên mình sẽ đề cập về photodiode.

• Photodiode về tính năng hoạt động khá giống với diode. Nó cũng có một vùng thuận (forward bias) và vùng ngược (reverse bias), hy vọng là mình sử dụng từ tiếng việt đúng. Cơ cấu hoạt động của nó theo như hình vẽ 

• Khi có 1 photon tác động sẽ sinh ra một electron và một lỗ trống (tỉ lệ trong thực tế sẽ không được lý tưởng như vậy). Electron sẽ cố gắng đi về phía VDD và lỗ trống sẽ cố gắng đi về phía ground. Nhiều electron thì sẽ sinh ra dòng điện.
• Một điều cần lưu ý là năng lượng của photon (tính từ bước sóng) cần phải lớn hơn electron band gap để kích thích electron
  
• Dưới đây là bảng tham khảo năng lượng của các tần số phổ biến 

• Bandgap của Si là 1.1eV do đó để nhận biết tia hồng ngoại tần số thấp (far infrared red) thì ta cần dùng vật liệu khác.