Кремний

Долгое и значительное влияние кремния на человечество можно увидеть в этимологии этого слова. Корень слова приходит к нам из латинского "silex", что значит кремень, потому что люди использовали кремний для замены кремня ещё до нашей эры. Сегодня, конечно, никакой элемент не определяет наш век лучше, чем кремний: этот элемент лежит в основе любого электронного устройства. И хотя он не проводит электричество также хорошо как метал, он делает это лучше, чем, скажем, кусок резины. Но, что важнее, силикон можно заставить переключаться между этими двумя полярными значениями проводимости без какого бы либо внутреннего движения. Таким образом создаётся переключатель, контролирующий поток электронов в печатных платах. Имея сине-серый цвет и около-металический блеск кремний не может быть найден в природе в чистом виде, однако когда он смешивается с кислородом и получается самое распространение в земной коре, это создаёт самое частое соединение в земной коре: SiO2, часто встречается в песке.

В следующих 2 главах мы посмотрим на 2 аспекта кремния. Во-первых, мы рассмотрим, как его электронные свойства позволяют инженерам сделать ПЗС-матрицу (прибор с зарядочной связью), которая захватывет изображение в цифровых фотокамерах. В после-следующей главе мы рассмотрим, какие свойства кремния позволяют инженерам создавать такие невероятные вещи, как сложные конструкции в маленьком маштабе, которые используются в телефонах. Эти часто встречающиеся моменты хорошо показывают нам, насколько силикон сегодня необходим.

Цифровые Камеры: Как работает ПЗС

Я делал фотографии по всему свету. Как вы, наверное, догадываетесь, из всего того, что я видел, самое большое впечетления на меня произвели инженерные штуки. Я фоткал вздымающийся шпиль Эйфелевой башни, бетонный купол Пантеона, древние солеварни на границе Хорватии и Словении и простые, но функциональные строительство хижин в деревне масаи в Танзании. И тем не менее, камеры, которые я использую для фотографирования, настолько же невероятны, насколько великолепны те архитектурные строения.

Камера способна как захватывать изображение, так и записывает его. В самых ранних камерах плёнка была способна выполнять оба действия одновременно. В традиционых плёночных камерах линза фокусировала свет на плёнку, которая была сделана из куска пластика, покрытый мелкими зернами светочувствительного бромида серебра. В местах падения света ионы серебра в зернах переходили в совершенно другое соединение - металлическое серебро. Чем сильнее свет, тем больше серебра создавалось в зерне. Изображение оставалось скрытым до тех пор, пока фотограф не использовал химикаты, чтобы взростить серебренные точки, до состояния, когда их может увидеть человеческий глаз. Серебряные участки выглядят на негативе темными и соответствуют светлым частям изображения; разные оттенки серого зависят от того, как много серебра образовалось в зерне, из-за интенсивности света.

В сегодняшней цифровой камере эти вде функции разделены. Светочувствительная ПЗС захватывает изображение и передает его на электронное устройство камеры, которая записывает его. В какой-то мере вы уже понимаете это: если вы увеличите фотографию на вашем компьютере, то легко увидите элементы картинки, которые составляют изображение. После этого легко понять, что каждые из них (пикселей) соответствуют участку ПЗС, но как это работает?

Ключ к пониманию, почему цифровое фотографирование стало дешевым и повсеместным лежит в осознание того, насколько же гиниальным способом ПЗС передаёт изображение в камеру. Чтобы сделать эту технологию проще для понимания, мы начнём историю ПЗС с одного пикселя, а затем проложим наш путь к тому, как пиксели связаны друг с другом.

Как один пиксель измеряет плотность света

Ещё в конце девятнадцатого века инженеры и учёные знали, что некоторые частицы производят ток под воздействием света. Например, возьмём слиток солениума (плотное фиолетово-серое твердое вещество, получаемое из медно-сульфатных руд) и приделаем провод к каждому концу. Прицепим амперметр (он изменяет силу тока) к слитку, а затем посветим на него ярким светом: Стрелка амперметра будет скакать, потому что солениум может преобразовывать случайный свет в поток электроннов. В ПЗС силикон используется похожим образом: свет вызывает накопление зарядов на поверхности кремния.

В своей основе, так пиксель и работает: маленький участок кремния, обычно, чуть меньше, чем 10 квадратных микронов (микрон - одна милионная метра), в камере создаёт поток электронов после взаимодействия со светом. Количество выработанных электронов пропорционально силе света, этот феномен известен как фотоэффект.

Открытие фото эффекта

В 1873 году Уиллоуби Смит, инженер в Gutta Percha Company, тестировал новый изоляционый материал для подводных кабелей, чтобы транслировать сигнал, который путешествовал с умопомрачительной скоростью в 13 слов в минуту.

Мы ассоциируем феномен всемирной связи по проводам с концом 20-ого века, но на самом деле это началось в 19. Инженеры, такие как Смит, соединяли контененты прокладывая километры проводов по морскому дну. К 1870, к примеру, можно было отправить телеграмму от Мумбаев до Лондона с помощью подводных кабелей. Чтобы работать, у кабелей не могло быть каких либо электрических замыканий. Например, если изоляция (которая была сделана из гутта-перчи, своеобразного природного латекса) будет повреждена, то провод прикоснётся к солённой воде. Такое замыкание приведёт к тому, что сообщение телеграфа пропадут в океане. Поэтому было важно убедится в безопасности изоляции, перед тем как команда учёных будет скидывать с корабля в океан. Разматывая кабель с гигантских катушек на палубе, они постоянно следили за величиной тока, вытекающего из кабеля в океан. Если эта цифра подскакивала, кабель оттаскивали обратно и быстро восстанавливали изоляцию. Для проведения таких измерений конец кабеля на берегу должен был иметь высокое сопротивление. Сначала Смит добился этого, использовав для электрической изоляции кабеля брусок селена с высоким сопротивлением. Поначалу казалось, что все в порядке. Первые эксперименты, - отметил он, - дали "очень благоприятный свет для требуемой цели". Однако вскоре он заметил "большое расхождение в результатах испытаний, причем разные операторы редко получали одинаковые результаты". Он обнаружил, что странные результаты были получены на коробках со сдвигающимися крышками: Когда крышка была снята, сопротивление селена падало. Затем он заметил, что, "проведя рукой перед обычной газовой горелкой" и уменьшив таким образом количество света, падающего на селен, можно изменить сопротивление на 15%. Смит открыл фотопроводимость - одно из нескольких проявлений фотоэлектрического эффекта, то есть увеличение проводимости твердого материала под действием света.

Фотоэффект

Явление фотоэлектрического эффекта, наблюдавшееся в XIX веке, было понято лишь много лет спустя, в начале XX века. В одной из своих первых научных работ Альберт Эйнштейн впервые объяснил этот эффект. Прочитав об экспериментах, в которых фиксировался выброс электронов из металла после облучения его ультрафиолетовым светом, Эйнштейн предположил, что свет существует и как частица, и как волна. В основу своей теории он положил три необъяснимые характеристики эффекта:

1. Металлы не выбрасывают электроны, независимо от интенсивности света, если частота света не превышает порог, индивидуальный для каждого типа металла.

2. Кинетическая энергия вылетающих электронов линейно пропорциональна частоте падающего света.

3. Свет низкой интенсивности способен выбрасывать электроны из металлов до тех пор, пока его частота выше порога металла.

Это позволило ему предположить, что фотоэлектрический эффект возникает, когда "что-то" сталкивается с электронами и выбрасывает их, только если это "что-то" обладает достаточной энергией.

Он пришел к выводу, что свет состоит из частиц, а именно из фотонов. Это революционное предположение, которое в то время известный физик Роберт Милликан назвал "смелым, если не сказать безрассудным", принесло Эйнштейну Нобелевскую премию по физике в 1922 году. В конце концов Милликан согласился с теорией Эйнштейна и в следующем году получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное подтверждение идей Эйнштейна.

Для устройств формирования изображений наиболее важным аспектом фотоэлектрического эффекта является то, что он показывает, как свет может быть преобразован в электрическую энергию. В фотопроводнике свет вызывает движение электронов, что создает ток; в фотоэлектрическом элементе электроны разделяются, создавая разность напряжений; а в фотоэмиссионном устройстве, таком как вакуумная трубка, электроны выбрасываются и могут быть использованы в устройствах формирования изображений, таких как фотоэлектронные умножители.

Пленочные фотоаппараты могут показаться вам старомодными, но в них, как и в ПЗС-матрицах, используется фотоэлектрический эффект.

Кристаллы бромистого серебра в пленке, которые захватывают свет, являются фотопроводящими. Свет придает бромиду серебра энергию, достаточную для того, чтобы электрон освободился от бромид-ионов в соли. Этот электрон проходит сквозь зерна соли, пока не достигнет поверхности и не соединится с ионом серебра, образуя металлическое серебро.

Как не надо делать цифровую камеру

Теперь вы интуитивно понимаете суть цифровой камеры: Берем несколько миллионов чипов из светочувствительного кремния (пикселей), располагаем их в виде сетки и захватываем изображение. Как всегда в технике, дьявол кроется в деталях.

Первая попытка создания устройств для получения цифровых изображений, предпринятая компанией RCA, основывалась на самом очевидном методе: Использование проводов для соединения пикселей в сетку x-y. При попадании света на пиксель накапливался заряд, пропорциональный интенсивности света.

Чтобы считать этот заряд, инженеры прикрепляли к каждому фоточувствительному пикселю электронные "ворота", который контролировали, может ли накопленный заряд вытекать из пикселя. Посылая сигналы вертикально вниз по сетке, а затем горизонтально по сетке, можно было считывать накопленный заряд и, соответственно, изображение - пиксель за пикселем. В принципе это работает, но на практике такой метод сопряжен с огромными проблемами. Все крошечные электронные компоненты, прикрепленные к каждому пикселю, имеют небольшую емкость, т.е. накапливают небольшой заряд. Поэтому, когда сигнал перемещался по столбцам, он приобретал этот небольшой заряд от каждого из других пикселей, мимо которых он проходил. И хотя на каждом шаге заряд, добавляемый к сигналу, был невелик, в конце концов, дополнительные заряды приводили к значительному искажению изображения. Это явление, известное как емкостная связь, вносило электронный шум, который приводил к появлению полос и узоров на изображении. Более того, эти искажения увеличивались с ростом цифры пикселей. Ранние x-y фоторешетки имели 180 столбцов и строк и давали изображения со значительным шумом. Представьте себе, что такая решетка может заменить одну из современных ПЗС-матриц, имеющую 1600 строк и 2000 столбцов! ПЗС-матрица решает эту проблему простым способом: Пиксели не имеют проводов!

Инженеры RCA впервые использовали фотопроводящие элементы для записи изображений. Они расположили их в виде сетки x-y - светло-серые области представляют собой пиксели, соединенные сеткой проводов. Заряд накапливается в центре каждого пикселя, где провода пересекаются в его центре. Чтобы считать заряд на каждом пикселе, импульсы в направлениях x и y открывают и закрывают диоды. Когда импульс x (горизонтальный) движется слева направо, он последовательно открывает диоды. (Диоды позволяют протекать току только в одном направлении; положительное напряжение импульса открывает диод). Импульсы y работают аналогичным образом. Скорость горизонтальной развертки значительно выше, чем вертикальной. То есть вертикальный импульс открывает диод, подключенный к строке, а затем горизонтальный импульс быстро пробегает по этой строке, открывая каждый пиксель в этой строке. Затем вертикальный импульс перемещается вниз по строке, и горизонтальный импульс повторяет его движение.

Емкостная связь

Конденсаторы в цепи накапливают энергию. Слово "накопление" подразумевает, что конденсаторы вносят в цепь элемент, изменяющийся с течением времени. Ток, протекающий в цепи с одними резисторами, течет с постоянной скоростью, но стоит ввести конденсатор, и ток может внезапно начаться или прекратиться. Хотя во многих цепях конденсаторы встроены, в электронных системах емкость также проявляет себя нежелательно, вызывая шумы, искажающие сигналы. Например, два неподключенных провода, расположенных рядом, становятся "емкостно связанными", если они находятся достаточно близко. В цифровых системах, например, в устройстве формирования рентгеновского изображения, элементы становятся настолько малыми, что эти эффекты могут быть значительными: Путаница проводов создает непредсказуемые перекрестные наводки, которые проявляются как шум. Как нежелательная емкость замутняет чистый сигнал, можно увидеть на примере импульса квадратной волны.

а) если емкостная связь очень мала или отсутствует, то квадратная волна не искажается; б) если сопротивление, умноженное на емкость линии, равно периоду квадратной волны, то мы получаем значительные искажения; в) если сопротивление, умноженное на емкость, значительно превышает период волны, то мы получаем сильные искажения, наблюдая только скачки, когда квадратная волна изменяет напряжение.

ПЗС: прибор с зарядовой связью

В потребительских камерах ПЗС-матрица имеет размеры 5 мм в длину и 4 мм в ширину и состоит в основном из одной пластины кремния. Кремний - прекрасный материал для такой "монолитной" конструкции, поскольку его можно сделать изолирующим, проводящим или полупроводящим, добавляя к нему другие элементы. Для создания пикселей внутри пластины инженеры начинают с создания изолирующих участков, называемых канальными ограничителями, которые делят пластину на пиксели в одном направлении. Затем на кремний укладываются электроды, расположенные перпендикулярно этим ограничителям каналов. Таким образом, пиксель - это участок кремния, ограниченный двумя ограничителями каналов в одном направлении и тремя металлическими полосками в другом. Через некоторое время мы покажем, почему три полоски имеют решающее значение для работы ПЗС-матрицы.

ПЗС-матрица создается путем "допинга" кремния небольшим количеством бора, который эффективно добавляет к кремнию положительные носители заряда. Затем инженеры создают фоточувствительные участки в ПЗС, добавляя мышьяк в кремний между ограничителями каналов. Мышьяк добавляет отрицательный носитель заряда в эту область кремния. Эта поверхность покрывается тонким слоем изолирующего диоксида кремния, а затем инженеры наносят тонкие полоски металла, обычно алюминия, перпендикулярно ограничителям каналов. Обратите внимание, что пиксель, как показано на вставке, определяется тремя электродами и двумя ограничителями каналов. Отметим, что пиксель, как показано на вставке, определяется тремя электродами и двумя канальными упорами…

Подобно галогенидам серебра в пленочных камерах или решетке x-y в ранних цифровых устройствах, при съемке свет попадает на поверхность ПЗС-матрицы. Он проходит через зазоры в электродах, позволяя кремниевым пикселям накапливать заряд. После экспозиции ПЗС-матрица захватывает изображение, но проблема заключается в том, что оно хранится в виде зарядов на поверхности кремниевой пластины. Чтобы получить эти группы зарядов и превратить их в изображение, необходимо снять заряды с пикселей.

Напомним, что камера выполняет две основные функции: захватывает и записывает изображение. В настоящее время изображение хранится в пикселях в виде зарядов. Великое новшество ПЗС-матрицы заключалось в том, что она перенесла изображение с пикселей на электронику камеры без использования внешних проводов и затворов, искажающих изображение.

Для записи изображения ПЗС-матрица перемещает накопленные заряды из ряда в ряд, пока не достигнет нижней части, где считывающий регистр передает заряд на электронику камеры, которая, в свою очередь, формирует изображение.

В современной ПЗС этот процесс переносит заряд с удивительной эффективностью 99,9995%, т.е. с очень малым искажением. Если мы рассмотрим край ПЗС, глядя на металлические электроды, то увидим, как ПЗС улавливает и перемещает заряды. ПЗС представляет собой металлооксидный полупроводник (МОП). Он состоит из полупроводника (кремния), покрытого сначала изолирующим слоем, а затем тонким слоем металлических электродов. Изменяя напряжение, приложенное к электродам, можно создать ловушку для электронов - зарядов, формирующих изображение.

Большим технологическим преимуществом ПЗС-матрицы, когда она только появилась, был способ перемещения захватываемого заряда. Вместо того чтобы использовать провода, как в решетке x-y, она перемещает электроны, которые захватывает свет, ряд за рядом по твердому кремнию. (На следующих двух рисунках подробно описано, как это происходит). Здесь выделена одна строка (хотя движутся все строки), которая перемещается вниз по пластине ПЗС до тех пор, пока считывающий регистр в нижней части не зарегистрирует заряды.

Пленка ПЗС представляет собой МОП (металлооксидный полупроводник), на котором можно удерживать заряд, изменяя напряжение. Для создания пикселя мы используем три такие МОП-структуры, расположенные рядом друг с другом.

A) Если к МОП не приложено напряжение, то подвижные отрицательные носители заряда распределяются по всему полупроводнику.

B) При приложении отрицательного напряжения к металлу электроны перемещаются в сторону от границы раздела металл-полупроводник.

C) При приложении сильно отрицательного напряжения электроны уходят вглубь полупроводника, оставляя положительные носители заряда у поверхности.

Г) Использование трех таких МОП-структур рядом друг с другом позволяет создать "ловушку" для электронов.

Понижая напряжение на центральном электроде относительно боковых, мы формируем область с положительным зарядом. Когда свет падает на кремний, электроны, застрявшие в этой небольшой потенциальной яме, перетекают в область у поверхности. Таким образом, на поверхности кремния ПЗС-матрицы образуются изолированные заряды, которые располагаются в разных точках "сетки" ПЗС-матрицы и формируют изображение. Теперь перейдем к записи этого изображения, или к деталям получения заряда с пикселей.

Рассмотрим участок из четырех пикселей плюс треть пятого пикселя. Как отмечалось выше, при попадании света в центральные лунки каждый пиксель накапливает заряд. Затем мы понижаем напряжение на электроде справа от каждой лунки, позволяя накопленному заряду мигрировать в область с наименьшим напряжением. Затем мы повышаем напряжение на исходной лунке, задерживая этот заряд под следующим электродом. Теперь все заряды сместились вправо на одну треть пикселя. Этот процесс продолжается до тех пор, пока все заряды не достигнут нижнего края, где электроника камеры записывает информацию с каждой строки.

Вот что происходит в деталях. На рисунке четыре пикселя показаны в момент времени 1, сразу после экспонирования. Слева направо на границе раздела полупроводник-металл задерживаются два заряда, три заряда, один заряд и четыре заряда. Чтобы переместить заряд на одну строку вправо, нужно сделать следующее: В момент времени 2 потенциал в каждой ячейке, расположенной справа от хранящихся зарядов, падает до того же напряжения, что и в ячейке слева от нее. Это приводит к перемещению зарядов вправо. Затем в момент времени 3 потенциал лунки, в которой первоначально находились заряды, повышается (обратите внимание, что заряд слева перемещается из лунки, не замеченной в момент времени 1). В момент времени 4 потенциал в каждой лунке, расположенной непосредственно справа от хранящихся зарядов, падает до того же напряжения, что и в лунке слева от них. Заряды снова перемещаются вправо. Затем в момент времени 5 потенциал скважины, в которой ранее находились заряды, повышается. В момент времени 6 потенциал в каждой лунке, расположенной непосредственно справа от только что перемещенных и сохраненных зарядов, падает до того же напряжения, что и в лунке слева от них. Заряды снова перемещаются вправо. Затем в момент времени 7 потенциал лунки, в которой ранее находились заряды, повышается. Таким образом, завершается один "тактовый" цикл: Заряды в рядах переместились на один ряд вниз. Так продолжается до тех пор, пока весь заряд не будет удален с ПЗС.

На этом рисунке показаны четыре пикселя из четырех разных строк ПЗС-матрицы и то, что происходит в семь последовательных моментов времени с этими четырьмя пикселями.

Может показаться, что это громоздкий процесс. Действительно, он может быть очень медленным, поскольку является последовательным, т.е. в нем нет пропусков и переходов по рядам. Сначала должен быть передан первый ряд, затем второй, третий и т.д. Такое последовательное считывание изображения из строки в строку можно наблюдать во времени, которое требуется для перерыва между съемками цифровым фотоаппаратом. Эта временная задержка от последовательного движения - плата за отсутствие проводов, как в x-y устройствах, где можно считывать отдельные пиксели. Большим достоинством ПЗС-матрицы является то, что она захватывает чистое, четкое изображение.

Как ПЗС создаёт цвета

ПЗС-матрица определяет только интенсивность света, но не цвет. Это означает, что один пиксель измеряет суммарную интенсивность всех цветов света одновременно. Это можно использовать для получения черно-белого изображения, но для получения цветного изображения необходимо разделить входящий свет на три составляющие: первичные цвета - красный, зеленый и синий. Казалось бы, очевидно, что для записи цветного изображения необходимо использовать три ПЗС-матрицы.

Для создания цветного изображения инженеры могли бы использовать три ПЗС-матрицы, но это было бы очень дорого, поэтому вместо этого они используют одну ПЗС-матрицу, покрытую массивом цветных фильтров. В результате получается изображение, представляющее собой мозаику из красных, зеленых и синих участков. Полный цвет восстанавливается с помощью алгоритма. Здесь показана матрица цветных фильтров Байера. В результате создается изображение, представляющее собой мозаику из красных, зеленых и синих участков. Полный цвет восстанавливается с помощью алгоритма. Здесь показан массив цветных фильтров Байера.

С помощью призмы мы можем разделить входящий свет на три луча и пропустить один из них через красный фильтр, другой - через зеленый, а последний - через синий. ПЗС-матрица, расположенная за каждым из них, регистрировала бы интенсивность каждого цвета, а затем мы могли бы перекомбинировать их в цветное изображение. Несмотря на простоту этого решения, инженеры редко используют такую конструкцию в потребительских цифровых камерах, поскольку она слишком дорога и требует установки трех ПЗС-матриц! Вместо этого для создания цветного изображения используется немного математики. В типичной потребительской камере используется одна ПЗС-матрица с массивом цветных фильтров (CFA), расположенных на пути входящего света. Инженеры разделяют этот массив на секции размером с пиксель: Часть секций имеет красный фильтр, часть - зеленый, а часть - синий. Таким образом, изображение, получаемое с ПЗС-матрицы, представляет собой мозаику из красных, зеленых и синих участков. Затем камера применяет алгоритм для оценки правильных цветов и заполнения изображения. Например, если красный фильтр закрывает пиксель, нам необходимо оценить зеленую и синюю составляющие этого пикселя. Для этого используются соседние пиксели. Например, если интенсивность зеленого цвета в соседнем пикселе составляет 5%, а интенсивность зеленого цвета в другом соседнем пикселе составляет 7%, то хорошей оценкой интенсивности зеленого цвета в интересующем нас пикселе, который закрыт красным фильтром, будет 6%. Этот процесс работает потому, что значимые детали изображения намного больше, чем пиксели. Звучит неправдоподобно, но вы сами видели результат: Каждая цифровая фотография, которую вы когда-либо делали, скорее всего, использует этот метод!

Активные пиксельные сенсоры (АПС)

В вашем смартфоне, скорее всего, используется не ПЗС-матрица, а КМОП-чип APS (active pixel sensor). Несмотря на огромное преимущество ПЗС-матрицы перед первыми пиксельными устройствами, она все же имеет недостатки. В этом нет ничего удивительного, поскольку любой инженерный объект представляет собой баланс или компромисс между желаемыми свойствами. Стремление создать как более крупные устройства для получения изображений (например, телескопы), так и более компактные (сотовые телефоны) подчеркивает недостатки технологии ПЗС. Для создания больших ПЗС-матриц требуется более эффективный перенос заряда из ряда в ряд. Каждый раз, когда происходит перенос, теряется немного заряда. Например, в ПЗС-матрице с разрешением 1024 x 1024 теряется около 1% заряда от последнего считанного пикселя. (Последний пиксель - это худший вариант: он должен быть передан 1024 раза в регистр считывания, затем вниз по этому регистру еще 1024 шага. За эти 2 048 шагов количество переданного заряда составит 0,99999952048 = 0,989 переданного заряда или около 1,2% потерянного). В массиве размером 8192 x 8192 такая же эффективность означает, что с самого дальнего пикселя будет потеряно около 8%. Таким образом, для того чтобы в ПЗС-матрице 8192 x 8192 потерять столько же, сколько в матрице 1024 x 1024, необходимо каким-то образом увеличить перенос заряда до 99,99993%. Видно, что в конечном итоге размер ПЗС-матрицы превысит любые попытки повысить эффективность. Кроме того, ПЗС-матрица медленно считывается, поскольку разрядка происходит последовательно. При создании миниатюрных камер для сотовых телефонов ПЗС-матрица имеет два основных ограничения. Во-первых, ПЗС-матрица должна быть встроена в микросхему вместе с другими компонентами. Во-вторых, ПЗС-матрица требует большого напряжения, возможно, 10-15 вольт, что может привести к разрядке аккумулятора сотового телефона. Как ни странно, путь вперед для устройств формирования изображений - это в некотором роде возвращение к x-y устройствам, которые уступили ПЗС в 1970-х годах.

Первые устройства страдали от сильной емкостной связи, которая искажала записываемые изображения. Эти ранние устройства представляли собой пассивные пиксельные сенсоры (ППС). Новые методы изготовления микросхем позволяют производить x-y устройства с транзистором, встроенным в каждый пиксель. В таком устройстве APS транзистор работает как усилитель, который увеличивает сигнал от пикселя, тем самым преодолевая шумы, возникающие из-за емкости. Кроме того, транзистор позволяет использовать методы цифровой фильтрации для уменьшения шума, что было невозможно сделать в ранних системах ППС.

ПЗС и Нобелевская Премия

В 2009 г. Нобелевский комитет присудил Нобелевскую премию по физике Уилларду С. Бойлу и Джорджу Э. Смиту за "изобретение полупроводниковой схемы формирования изображений - ПЗС-сенсора". В определенном смысле их работа над ПЗС-матрицей была вдохновлена магнитно-пузырьковой памятью, которая в 1969 г. была в моде в Bell Laboratories. В этих запоминающих устройствах для хранения информации использовались крошечные намагниченные точки, называемые пузырьками, которые перемещались под действием токов. Это обеспокоило Бойла. Будучи исполнительным директором подразделения Bell Labs, работавшего над кремнием - доминирующим в то время носителем компьютерной памяти, - он опасался, что новые "пузырьки" могут отвлечь финансирование и поддержку от исследований в области кремния. Бойл предложил своему другу и коллеге Джорджу Смиту помочь ему придумать конкурента этой новой технологии. На доске с мелом они придумали, как использовать кремний, диоксид кремния и металлические электроды для накопления заряда в определенных областях на поверхности кремния. Разговор длился около часа, пока они записывали в своих блокнотах, что устройство может использоваться не только в качестве памяти компьютера, но и как "устройство формирования изображения" и "устройство отображения". Поразмыслив над своим разговором на меловой доске в течение нескольких недель, они решили создать прототип ПЗС-матрицы. Уже через неделю они получили работающее устройство, подтверждающее концептуальность их идеи. Они не стали использовать ПЗС-матрицу для того, чтобы захватывать изображения; эта задача была поручена их коллеге из Bell Labs Майклу Томпсетту.

Будучи великим инженером, Томпсетт тщательно воплотил в жизнь идею создания прибора с зарядовой связью. Только его имя фигурирует в первом патенте на ПЗС-матрицу как устройство для получения изображений; патент был назван, что вполне уместно, "Устройства для получения изображений с переносом заряда". "Хотя кому-то может показаться, что Томпсетт не был удостоен Нобелевской премии, эта премия обычно присуждается за изобретение или открытие фундаментальных концепций в физике. Бойл и Смит действительно заложили идею ПЗС, но споры возникают из-за того, что единственное практическое применение ПЗС - это устройство для получения изображений.

Как смартфон отличает верх от низа

ЛЮДИ И ДРУГИЕ ЖИВЫЕ СУЩЕСТВА могут отличить верх от низа, потому что мы чувствуем притяжение силы тяжести. Например, если вы уроните эту книгу, гравитация будет ускорять ее движение к центру Земли, пока она не упадет на землю. Но как смартфон узнает, в какую сторону повернут телефон, чтобы экран всегда был справа налево? Для того, чтобы экран смартфона всегда был направлен в нужную сторону, инженеры помещают внутрь телефона крошечные акселерометры, которые ориентируют его относительно Земли. Акселерометр это устройство, которое измеряет гравитационное притяжение. Но как эти крошечные акселерометры могут определить где находится вверх?

Основы работы акселерометра

Основные принципы работы акселерометра можно увидеть на примере простого устройства, показанного на следующем рисунке. Когда устройство находится в вертикальном положении, сила тяжести растягивает пружину вниз, на что указывает отметка 1g, означающая одну единицу гравитационного ускорения. (Одно g это то, что вы ощущаете при незначительном или полном отсутствии другого ускорения на Земле; для сравнения, при взлете на американских горках вы ощущаете около 2,5 g, а пилоты истребителей теряют сознание при 10 g). На устройстве Од происходит, когда трубка лежит ровно, так что пружина не чувствует гравитационного притяжения, и пружина не имеет удлинения. Это расстояние от 0g до 1g задает шкалу для обозначения 29, 3g и т. д.

Мы можем использовать этот акселерометр для измерения вертикального ускорения, которое испытывает трубка. Если мы быстро толкнем трубку вверх, то увидим, что вес внутри трубки упадет, возможно, до 2 или 3g. Три из этих основ акселерометров можно использовать для определения ориентации объекта.

В продолговатой коробке расположите по одному акселерометру вдоль осей х, у и z. Измеряя изменения длины пружин, мы можем определить, какой край направлен вверх относительно силы тяжести. В первом положении акселерометр по оси х зафиксирует 1g, а в направлениях у и z грузы лежат на боковых стенках трубок, и пружины не растянуты. Поверните коробку так, чтобы она легла на свой длинный край, и акселерометр по оси у зафиксирует 1g, а акселерометры по осям х и z - 0g. Хотя акселерометр в смартфоне устроен немного сложнее, он работает по тем же принципам.

Три таких простых акселерометра могут определить ориентацию коробки. Обратите внимание на изменения в показаниях акселерометров x и z акселерометров. Когда коробка лежит на оси z, шарик в акселерометре, расположенном вдоль этой оси, лежит ровно, а пружина в акселерометра на оси x растягивается. Когда ящик поворачивается, шарик в акселерометре по оси x лежит ровно, а шарик растягивает пружину в акселерометре по оси z.

Технология и конфиденциальность

Мы восхищаемся тем, на что способны технологии, например, на обнаружение едва уловимых движений мобильного телефона. Однако, как и в случае с любыми другими технологиями, мощь сопряжена с опасностью - даже с таким, казалось бы, безобидным предметом, как акселерометр смартфона. Исследователи из Университета Джорджии показали, что такой акселерометр может отслеживать нажатия клавиш пользователем компьютера. Они положили телефон на стол рядом с клавиатурой компьютера. Поскольку акселерометр регистрирует вибрацию телефона примерно 100 раз в секунду, он слегка покачивался при каждом нажатии на соседнюю клавиатуру. (Клавиатура слегка двигала стол, и сверхчувствительный акселерометр улавливал эти небольшие колебания стола). Определив пары нажатий, расположенных друг относительно друга на клавиатуре, они смогли с точностью до 80 % угадать набираемое слово. Например, при наборе слова "каноэ" пользователь создавал четыре пары нажатий: К-A, A-Н, Н-О и O-Э. Акселерометр определит для этих пар, связаны ли две буквы одним из четырех способов: Левая-левая-ближняя, левая-правая-ближняя, правая-правая-ближняя и правая-левая-ближняя. Они сравнивали эти данные с предварительно загруженным словарем вероятных слов, чтобы определить наиболее вероятное слово, созданное для этих пар нажатий. Неудивительно, что историк Мелвин Кранцберг однажды заметил: "Технология не является ни хорошей, ни плохой, ни нейтральной".

Акселерометр в смартфоне

На рисунке ниже показан типичный акселерометр для смартфонов. Он очень маленький, всего около 500 микрон в длину с каждой стороны. Корпус, который неподвижен, - это большой блок в основании, к которому прикреплены несколько неподвижных поликремниевых пальцев. Сейсмическая масса - это примерно H-образный объект с отходящими от него "язычками"; он привязан на концах, чтобы его можно было покачивать влево и вправо между неподвижными пальцами.

Типичный акселерометр для смартфона, изготовленный из кремниевой пластины.

Вспомните, что в нашем простом акселерометре с гирей и пружиной мы измеряли ускорение коробки по тому, насколько гиря сдвинулась относительно трубки. Это устройство измеряет ускорение по тому, насколько один из "язычков", свисающих с H-образной секции, перемещается относительно двух неподвижных пальцев. Для акселерометра с гирькой и трубкой мы делали это на глаз, но здесь мы используем электронные свойства кремния. Язычок и два неподвижных пальца образуют дифференциальный конденсатор - устройство, накапливающее заряд. Когда акселерометр движется, заряд, накопленный в дифференциальном конденсаторе изменяется, вызывая протекание тока. Благодаря тщательной калибровке инженеры могут связать величину тока с силой тяжести, которую испытывает акселерометр.

Использование конденсатора для изготовления акселерометра

Мы можем сделать простейший конденсатор из двух металлических пластин с воздушным зазором между ними, как показано на следующем рисунке. Если подключить эти конденсаторы к батарее, ток будет течь по мере накопления заряда на пластинах: положительного на верхней пластине и отрицательного на нижней. Как только накопится достаточно заряда, ток прекратится, потому что батарея недостаточно мощная, чтобы прогнать заряд через зазор. Для большинства хорошо сделанных конденсаторов такая ситуация будет сохраняться до тех пор, пока мы не изменим что-нибудь в цепи. Например, если мы сдвинем пластины немного ближе, то ток снова потечет, поскольку заряд перераспределится. Вы можете представить, как конденсатор может пригодиться в акселерометре: Представьте, что одна пластина - это корпус, а другая - сейсмическая масса. Когда мы держим акселерометр неподвижно, ток не течет. Но стоит сдвинуть сейсмическую массу или верхнюю пластину, и ток начнет течь. Как и в случае с акселерометром с гирями и трубкой, мы можем откалибровать его: Подвергните двухпластинчатый конденсаторный акселерометр известным ускорениям и измерьте протекающие токи.

На крайнем левом изображении показан двухпластинчатый конденсатор до замыкания цепи. На двух металлических пластинах нет зарядов. Когда цепь замкнута (центральное изображение), на пластинах накапливается заряд, и ток перестает течь. Если пластины сдвинуть ближе друг к другу, как на изображении слева, ток течет до тех пор, пока заряд не перераспределится по пластинам.

Ускоритель для смартфона работает не совсем так, но мы уже близки к этому. Проблема в том, что у нашего двухпластинчатого конденсатора есть серьезный недостаток. В простом двухпластинчатом конденсаторе зависимость между положением пластин и током нелинейна. Например, если мы уменьшим расстояние на 25%, емкость упадет на 6%. Если мы снова изменим расстояние на 25%, емкость упадет примерно на 4,5%. Это затрудняет калибровку акселерометра. Инженеры предпочитают линейный отклик, то есть, если мы уменьшим расстояние на четверть, а затем еще на четверть, мы хотели бы видеть одинаковое падение емкости каждый раз. Это позволит добиться более равномерной чувствительности во всем полезном диапазоне. Поэтому, если мы установим немного другой конденсатор, в котором верхняя и нижняя пластины неподвижны, а средняя перемещается, ток, генерируемый изменениями в этом дифференциальном конденсаторе, будет линейным.

В этом дифференциальном конденсаторе мы измеряем разность зарядов, образующихся в нижнем конденсаторе (нижняя и средняя пластина) и верхнем конденсаторе (средняя и верхняя пластины). Слева конденсатор не заряжен. Если мы используем батареи одинакового размера батареи и расположить среднюю пластину точно между верхней и нижней пластинами, то положительный заряд (как показано на среднем изображении) будет накапливаться одинаково на обеих пластинах. Если мы переместим среднюю пластину ближе к нижней, то емкость нижнего конденсатора увеличивается, а верхнего - уменьшается. Разница в емкости линейна по отношению к перемещению средней пластины.

Посмотрите, что произойдет, если мы зарядим дифференциальный конденсатор с помощью двух батарей с противоположными полярностями: Ток течет до тех пор, пока средняя пластина не станет отрицательной, а верхняя и нижняя - положительными. Теперь, если мы переместим среднюю пластину, ток потечет, чтобы перераспределить заряд. Если мы измерим этот ток только между средней и нижней пластинами, он будет линейным по отношению к движению средней пластины. (В конце главы есть объяснение математики конденсаторов). Именно так работает акселерометр: Язычок из Н-образной части соответствует средней пластине, а два неподвижных пальца - неподвижным пластинам дифференциального конденсатора. В состоянии покоя ток не течет. Но если мы сдвинем акселерометр, язычок начнет покачиваться, создавая ток, пропорциональный ускорению. Теперь у нас есть идеальное устройство, которое можно вставить в телефон и подсказать, в какую сторону двигаться, но это только половина дела. Следующая проблема заключается в том, как сделать что-то настолько маленькое, но такое сложное.

Как сделать акселерометр

Казалось бы, сделать такое замысловатое устройство, как крошечный смартфон, практически невозможно. Акселерометр имеет размер всего 500 микрон в поперечнике, и никакие крошечные механические инструменты не смогут его изготовить. Вместо этого инженеры используют уникальные химические свойства кремния, чтобы вытравить пальцы и H-образную часть акселерометра. Этот метод известен как MEMS, или микроэлектромеханические системы. Чтобы получить представление о том, как это делается, позвольте мне показать вам, как из цельного куска кремния сделать одну консольную балку. Консольная балка - это такая балка, которая закреплена на одном конце и торчит над отверстием; например, доска для прыжков в воду - это консольная балка. Подвижная часть акселерометра смартфона - это просто сложная конструкция консольная балка. Начнем с вытравливания отверстия в куске кремния. Эмпирическим путем инженеры заметили, что если налить гидроксид калия (KOH) на определенную поверхность кристаллического кремния, то он будет разъедать кремний, пока не образуется отверстие в форме пирамиды. Чтобы сделать пирамидальное отверстие в кремнии, инженеры сначала покрывают всю плоскость (100), кроме небольшого квадрата...

Именно это мы и имели в виду под "особой поверхностью" - с "маской" из нитрида кремния (Si3N4). Маска непроницаема для KOH, поэтому травитель KOH теперь будет травить только в пределах квадратной формы, ограниченной маской, пока не смоется.

Такое направленное травление происходит благодаря уникальной кристаллической структуре кремния.

Три основных этапа (слева направо) создания пирамидального отверстия в куске кристаллического кремния. Каждый этап показан с трех ракурсов (сверху вниз): вид в перспективе, вид сверху и вид сбоку каждого шага.

В куске кремния каждый атом кремния окружен четырьмя ближайшими кремниевыми соседями. Эти четыре соседа образуют тетраэдрическую область вокруг кремния в центре. Миллионы таких "единиц" составляют пластину кремния. Они упакованы вместе в открытую структуру, которая не одинакова во всех направлениях. Например, количество атомов в трех направлениях, показанных выше - обозначенных [100], [010] и [001], - отличается от количества атомов в плоскостях, перпендикулярных каждому направлению. В направлении [111] атомы упакованы плотнее, чем в направлении [100]. Это означает, что KOH растворяет как поверхность (110), так и поверхность (111), но последнюю он прогрызает гораздо быстрее. Вот почему образуется пирамидальное отверстие.

Кристаллическая структура кремния. Каждый атом в кристалле кремния идентичен. Каждый из них связан с четырьмя другими атомами кремния. На Затемненные атомы на этом рисунке наиболее четко показывают, что у каждого атома есть четыре ближайших соседа. Обратите внимание, что больше атомов находится в плоскости, перпендикулярной направлению [111], чем в плоскости, перпендикулярной направлению [100].

Чтобы сделать консольную балку, инженеры маскируют всю поверхность, кроме U-образного участка. Сначала KOH вырежет две обратные пирамиды, расположенные бок о бок.

По мере травления KOH начинает растворять кремний между этими отверстиями. Если смыть KOH в нужный момент, прежде чем он растворит кремний под маской, то останется небольшая консольная балка, висящая над отверстием с квадратным дном.

Три основных этапа (слева направо) создания консольной балки в куске кристаллического кремния. Каждый этап показан с трех ракурсов (сверху вниз): вид в перспективе, вид сверху и вид сбоку.

Хотя инженеры используют эти принципы при производстве акселерометров для смартфонов, они используют гораздо более сложные маски и множество этапов. Как вы можете себе представить, сначала машина наносит маску, затем вытравливает кремний, меняет маску и вытравливает еще; процесс повторяется до тех пор, пока не будет создана сложная структура. Несмотря на сложность, ключевым моментом является то, что весь процесс можно автоматизировать. Теперь инженеры делают всевозможные удивительные вещи в таких крошечных масштабах: микродвигатели с шестеренками, которые вращаются 300 000 раз в минуту; сопла в струйных принтерах; и, что мне больше всего нравится, микрозеркала, которые перенаправляют свет в оптических волокнах.

В глубину: Математика конденсаторов

Простая алгебра показывает, почему емкость двухпластинчатого конденсатора изменяется нелинейно при изменении расстояния между пластинами, а дифференциального - линейно.

Емкость между двумя пластинами, то есть количество заряда, которое они могут удержать, зависит от трех факторов:

1. расстояние между пластинами,

2. площадь поверхности пластин,

3. электрические свойства материала между пластинами, называемого диэлектриком.

Диэлектрическая проницаемость (ε) - это отношение количества электрической энергии, запасенной в материале под действием приложенного напряжения, к энергии

если бы пространство между пластинами было заполнено вакуумом. Часто это пространство заполняется обычным минералом, известным как слюда, который имеет диэлектрическую проницаемость около 5; часто диэлектриком между пластинами является просто воздух (ε = 1). Мы определяем емкость как

Где ε - диэлектрическая проницаемость, A - площадь пластин, а d - расстояние между пластинами.

Если мы сдвинем пластины ближе друг к другу на небольшую величину, скажем, Δ, то новая емкость составит

Для очень малых перемещений мы можем использовать ряд Тейлора для аппроксимации:

Ряд Тейлора - полезный способ упростить некоторые математические формулы при определенных условиях. Например,

может быть примерно равна

если y намного меньше x. Вы можете сами проверить, насколько y должно быть меньше x, чтобы это было верно. Здесь мы предполагаем, что изменение расстояния между двумя пластинами будет намного меньше, чем исходное расстояние, поэтому мы аппроксимируем его с помощью ряда Тейлора. Этот квадратный член вызывает нелинейный отклик, который легче всего увидеть на графике ниже.

На этом графике показан отклик двухпластинчатого и дифференциального конденсатора. Ось y - это дробное изменение расстояния между пластинами - здесь они становятся ближе друг к другу - а ось x показывает изменение емкости. Обратите внимание, как двухпластинчатый конденсатор отклоняется от линейного отклика, в то время как дифференциальный конденсатор имеет линейный отклик в том же диапазоне.

Чтобы преодолеть нелинейную проблему, инженеры используют дифференциальный конденсатор. Как описано в главе об акселерометре, это

Конденсатор имеет три пластины: одну в центре, одну выше на расстоянии d и одну ниже на расстоянии d. Тогда емкость каждой пластины равна:

и

Конечно, если пластина идеально центрирована, разница между этими двумя емкостями будет равна нулю, но она изменится, если мы переместим среднюю пластину вниз на Δ. То есть, когда центральная пластина удаляется от верхней на Δ и приближается к нижней на Δ, эта разница становится:

Используя это разложение в ряд Тейлора для каждой емкости, мы получим:

Два квадрата отменяют друг друга, в результате чего мы получаем:

Как видно на графике выше, емкость теперь изменяется линейно с расстоянием между пластинами.

1 На русском название Кремний, тогда как на английском - силикон. Когда-то давно слово silicon неверно перевели и с тех пор оно таким и остаётся.

2 В английском для кремне в природе есть отдельное слово: Flint. В русском такого слова нет, и очень скоро это станет очевидно.

3 По указанной в предыдущем прмечании переводчика причине, фраза звучит настолько не естественно.

4 В оригинале написано не очень человеческим языком. По-простому: фотогорафии были чёрно-белыми, но черное было белым, а белое - чёрным.

5 В оригинале это называется picture elements, а в скобках поясняется, что это источник слова pixel. На русском адаптировать это не представляется возможным, а поэтому получилось такое странное предложение

6 Примечательно, что тут использовался именно метр, а не ярд или фут

7 Тип латекса, добываемый из Малазианский деревьев. Сегодня, по большей части, используется в стомотологии

8 Тавтология тут была и в оригинале

9 Так было написано в оригинале. Очевидно, что речь идёт о выводе цветов на изображение, а не о их создании.