Ein Wasserexperiment

An fast jeder Stelle, an der über das Sensorpixel eines CMOS-Sensors gesprochen und geschrieben wird, wird behauptet, dass die Fotodiode während der Belichtung Ladungsträger (Elektronen) sammelt. Auch bei mir, wenn ich es dem Leser in anderen Zusammenhängen nicht unnötig schwer machen will. Das darf man in gewisser Weise, weil es mathematisch und nach der Digitalisierung auch bildtechnisch auf etwa das Gleiche hinausläuft.

Aber das ist trotzdem falsch.

Fotodiode als Tröpfchenventil

Wenn die Fotodiode nicht als Fotoelement, sondern als Lichtmengen-Messelement verwendet werden soll1, muss über der Fotodiode (in Sperr-Richtung) eine Spannung anliegen. Im folgenden Wasserexperiment entspricht die Spannung einem Wasserdruck, was das Ganze recht anschaulich macht.

Das hier gezeichnete Tröpfchenventil funktioniert im Wasserexperiment wie folgt:

troepfchenventil_280px

Die Feder hält über den Hebel den im Wasser befindlichen Deckel über der Auslauföffnung geschlossen. Trifft ein Photon auf die Hebelfläche, wippt der Hebel und damit der kleine Deckel über dem Abluß kurz an und lässt ein definiert großes Tröpfchen durch. Durch die Feder wird der Deckel aber wieder schnell geschlossen und die Anordnung wartet auf das nächste Photon. Es ist ein Photonenzähler. – In der Realität kann man mit modernen CMOS-Sensoren ebenfalls Photonen zählen. Allerdings nicht jedes Photon (jedoch im Mittel mehr als jedes Zweite).

(In einem anderen Artikel habe ich die Fotodiode noch anders mit Wasser „simuliert“: Ein offener Behälter. Jedes eintreffende Photon spritzt ein Tröpfchen aus dem Behälter heraus. – Das geht in der Realisierung weiter unten auch. Im nachfolgenden „Ersatzschaltbild“ würde das allerdings nicht funktionieren.)

kondensator-separat_520px

(Das Beenden des Belichtungsvorgang und das Auslesen des Pixels ist im Bild nicht mit dargestellt.)

Aber genau so wird das Pixel im CMOS-Sensor nicht gebaut.

Der Grund ist, dass man als Sammelbecken einen recht großen Kondensator benötigt. Der braucht auch auf dem Chip Platz. Nun ist die Photodiode aber auch schon ein recht großes Bauelement, damit die fotoempfindliche Fläche so groß, wie möglich ist. Durch diese große Fläche stellt die Fotodiode neben ihrer fotoempfindlichen Aufgabe gleichzeitig einen Kondensator dar. Und zwar einen recht großen. Kann man die Schaltung nun so bauen, dass dieser Kondensator dieser Fotodiode nicht auch gleichzeitig der Sammelbehälter sein kann?

Ja. Man kann. Allerdings liegt er im Schaltbild, dass den physikalischen Zusammenhang wieder gibt, nun nicht mehr in Reihe zur Diode, sondern prinzipbedingt parallel:

kondensator-parallel-zur-diode_175px

Genau genommen, die zwei Bauteile sind ja identisch, müsste man das so zeichnen:

kondensator-ueber-der-diode_63px

Nur ist das als Schaltzeichen halt unüblich.

Das Problem dieser Anordnung ist: Will man den Kondensator nun als Sammelbecken für Elektronen verwenden, geht das nur, wenn man die Fotodiode als Fotoelement verwendet. Das wollen wir aber nun gerade nicht.

Aus dem Grund dreht man das Prinzip um: Man füllt den Dioden-Kondensator vor Beginn der Belichtungszeit mit vielen Elektronen ab. Damit liegt über dem Kondensator und damit über der Diode eine Spannung, die die Diode in Sperr-Richtung vorspannt (in unserem Modell also Wasserdruck). Mit dieser Anordnung fließt bei einfallenden Photonen wieder der gewünschte Messstrom von Ladungsträgern durch die Photodiode:

Nun entlädt dieser den eigenen Kondensator. (Schon mal mit dem nachfolgenden Wasserschema vergleichen.) Denn jedes in der Fotodiode durch ein Photon erzeugtes Ladungsträgerpaar (Elektron und Loch2) driftet zum Rand der Diode. Dort liegt auf der Seite, wo das Elektron ankommt durch die Vorspannung über dem Kondensator ein Ladungsträgermangel vor, den das Elektron quasi „auffüllt“. Auf der anderen Seite des Dioden-Kondensators sind wiederum zu viele Elektronen vorhanden, die von der Diode blockiert werden. Kommt dort das Loch aus der Sperrschicht an, es wandert ja, wird es dort von einem Elektron gefüllt und damit neutralisiert. Die Spannung über dem Kondensator (bzw. der Fotodiode) sinkt um einen winzigen Wert, da nun das Elektronen-Lochpaar, dass das Photon erzeugt hat, genau ein Elektron des Kondensators „neutralisiert“ hat.

Das geht so lange, bis die Ladung im Kondensator aufgebraucht ist. Wenn wir vom gesättigten Pixel sprechen ist das genau dann erreicht. Sättigung bedeutet also im CMOS-Sensor, dass der Kondensator vollständig entladen ist. Dass nun der Fotoeffekt einsetzt und der Kondensator anders herum wieder aufgeladen wird, nutzt man nicht aus. Weil, das zu keinen vernünftigen Messwerten über die eingefallene Lichtmenge führen würde (s. auch nochmal Fußnote 1).

Das gesamte Schaltbild an der Fotodiode sieht nun also so aus:

tatsaechlicher-aufbau_520px

(Auch hier ist das Beenden des Belichtungsvorgang und das Auslesen des Pixels im Bild noch nicht mit dargestellt.)

Nach der Belichtung

Eigentlich nicht mehr Inhalt dessen, was die Artikelüberschrift vor gibt, aber natürlich trotzdem der Vollständigkeit halber. Schließlich macht sich das mit dem Wasser als Gedankenexperiment recht gut:

Nach Ende der Belichtung muss nun die Ladung sehr schnell umgeschüttet werden, da man die Fotodiode nicht blockieren kann. (Oder nicht will: Man bräuchte wieder einen mechanischen Verschluss oder vielleicht ganz andersartige Tricks.)

Wie das im Detail passiert, ob und wie die Ladungsmenge schon am Pixel etwas verstärkt wird oder direkt beim Auslesen auf eine Leitung gegeben wird, die am Rand des Sensors die Ladung einem Verstärker und dann dem Analog-Digitalwandler zuführt, machen die Hersteller etwas unterschiedlich. Aus diesem Grund zeigt das nachfolgende Wasserexperiment nur die Elemente, die der Zwischenspeicherung und Weiterleitung der Ladung dienen.

Der Gesamtvorgang

gesamtpixel_520px

Das Bild zeigt den Zustand unmittelbar nach Beginn des Belichtungsvorgangs.

  • Von der Spannungsversorgung (vom großen Vorratsbehälter) wird vor der Belichtung mit dem Ventil 1 die Fotodiode aufgeladen (voll gefüllt) gehalten.
  • Zu Belichtungsbeginn wird das Ventil 1 geschlossen. Jedes Photon entleert die Fotodiode nun um ein Tröpfchen3.
  • Zu Belichtungsende wird das Ventil 2 kurzzeitig geöffnet und die noch vorhandene Tröpfchenmenge in den Zwischenspeicher S entladen. Damit kann die Fotodiode nun diese Menge nicht mehr weiter entladen.
  • Wenn beim Auslesen der Pixel genau dieses Pixel an der Reihe ist, wird Ventil 3 geöffnet und die Tröpfchen fließen zum Rand des Sensors, um dort verstärkt und in eine Digitalsignal gewandelt zu werden.
  1. In der Betriebsart als Fotoelement wird die Fotodiode nicht in Sperr-Richtung betrieben, sondern in Durchlassrichtung. Da ist sie zwar bei kleinen Spannungen auch erst mal nicht leitend, hat aber schon dort einen größeren Leckstrom. Und sobald die Spannung weiter steigt, wird der Strom immer größer (die ganz normale Diodenkennlinie in Durchlassrichtung). Das bedeutet, dass die am Ende gesammelte Ladung nicht nur von der Lichtmenge abhängig ist, sondern durch den Verlust über die Messzeit auch messzeitabhängig ist. Damit würde zum Beispiel ein Bild, dass man auf nimmt unterschiedlich aussehen, je nachdem welche Blenden-Belichtungszeit-Kombination man verwendet. Ein Bild mit Blende 11 bei 1/125s aufgenommen wäre dunkler als bei Blende 8 und 1/250s.
  2. Das Loch ist einfach ein Atom im Kristallgitter, wo ein Elektron zu wenig vorhanden ist. Man kann es sich als einen positiven Ladungsträger vorstellen, da Elektronen aus benachbarten Atomen dieses Loch ausfüllen können und dort ein neues Loch aufmachen. Damit kann das Loch genau so „wandern“ wie ein Elektron. Deshalb kann man es tatsächlich als positiven Ladungsträger ansehen.
  3. Meist entleert nur jedes zweite Photon ein Elektron aus dem Kondensator, Stichwort Quanteneffizienz.