cảm biến ảnh CCD và CMOS

Khởi đầu
năm 1889 Heinrich Hertz nhận thấy ánh sáng cực tím đánh bật electron của một số nguyên tử nhất định ra khỏi quỹ đạo thông thường: số electron bị bật khỏi nguyên tử kim loại sẽ tỷ lệ với cường độ ánh sáng - xảy ra gần như lập tức
động năng của những electron bị bật ra thì độc lập với cường độ ánh sáng: một hiện tượng lạ mà vật lý cổ điển không thể giải thích - đã mất nhiều năm để hoà hợp
đầu thế kỷ 1900 nhà vật lý lý thuyết Albert Einstein đề xuất một lý thuyết để giải thích sự thiếu nhất quán này: lấy một ý tưởng được Max Planck đề xuất đầu tiên - rằng ánh sáng bao gồm những gói nhỏ ánh sáng, được gọi tên là photon
lý thuyết rằng năng lượng trong ánh sáng đó thì tỷ lệ với tần số và rằng chỉ đánh bật một electron nếu năng lượng cao hơn một ngưỡng nhất định
lý thuyết có nhiều nguyên tắc đã được chứng minh trong những thí nghiệm sau đó và giành được giải Nobel năm 2021

Thiết bị cổ điển
hiệu ứng quang điện là nguyên lý nền tảng cho những thiết bị điện tử hiện đại có thể nhận biết ánh sáng: ý tưởng của cảm biến quang thể rắn, hay hình ảnh [imaging] là để ánh sáng lọt lên một mảng [array] 2 chiều những nhân tố [element] nhạy sáng
ánh sáng đó sẽ đánh bật electron khỏi vật liệu của mảng [array], thay đổi đặc điểm [property] điện và ta có thể đo lường nó để có được thông tin gián tiếp về ánh sáng
nếu ta dịch [interpret] dữ liệu này đúng mực, ta có thể tạo ra một hình ảnh
thuở đầu, một thiết bị sử dụng nguyên tắc này là một linh kiện [gadget] dựa trên ống chân không, gọi tên là một đèn nhân quang điện [PMT - photomultiplier tube] để phát hiện ánh sáng cường độ rất thấp
một âm cực quang ở một đầu của ống sẽ phóng electron khi bị phơi sáng vì hiệu ứng quang điện: sau đó electron sẽ đi về cực dương ở đầu bên kia của ống
khi di chuyển dọc theo ống, electron sẽ liên tiếp bị nhân lên, nhờ 5-7 bộ dynode, cho nên ta có thể biến 1 photon mục tiêu thành 10 vạn hay thậm chí 10 triệu electron
PMT và những thiết bị cổ điển khác đã dọn đường cho những thế hệ dựa trên silic kế nhiệm sau này
silic là vật liệu thích hợp để cảm biến quang: có thể phản ứng lại nhiều loại ánh sáng - từ lâu, các nghiên cứu sinh muốn một cảm biến hình ảnh silic thể rắn

CCD
cuối thập niên 1960 George Smith và Willard Boyle ở Bell Labs đang nghiên cứu bộ nhớ bong bóng bán dẫn: một đám những điện cực ngồi trên đỉnh của một chất nền silic với một lớp cách điện ôxit ở giữa - nếu ta đặt một điện áp nhất định lên điện cực, nó sẽ tạo ra một "giếng điện thế" [potential well] trong chất nền ngay bên dưới điện cực
những giếng điện thế này có thể lưu trữ một điện tích bằng cách lưu giữ năng lượng bên trong: điện tích ấy sẽ đại diện một bit dữ liệu - nếu muốn sử dụng công nghệ này làm một bộ nhớ bán dẫn
nữa với loạt điện cực này là nếu ta áp xung [pulse] những điện cực này theo một trình tự nhất định thì ta có thể di chuyển giếng điện thế và điện tích nó đang lưu trữ, đi khắp chất nền
bộ nhớ bong bóng thì quá chậm không cạnh tranh được nhưng nghiên cứu sinh đã nhận ra rằng những giếng này có thể thu thập và chuyên chở những tín hiệu tuần tự [analog]
cho nên, thay vì sử dụng giếng điện thế để lưu trữ điện tích làm những bit bộ nhớ, tại sao không sử dụng để thu thập và vận chuyển những gói electron bị đánh bật khỏi silic vì hiệu ứng quang điện
ấy là nguyên tắc hoạt động của CCD: lấy một mảng các điện cực, đã được chỉnh sửa để phục vụ làm một điểm ảnh [pixel] - khi phơi sáng, silic trong một điôp quang sẽ phóng electron và electron ấy sẽ bị thu thập bởi các điện cực
một chu kỳ điện áp sau đó sẽ được áp để mang những gói electron ấy dọc theo hoặc khắp mảng [array] - như kiến vác lá - về phía một đơn vị khác ở rìa của mảng
sau đó, đơn vị này sẽ chuyển đổi và đẩy mạnh những gói electron này từ toàn bộ mảng vào một chuỗi những điện áp mà những đồ điện tử ngoại vi có thể 'dịch' [interpret] ra hình ảnh 2 chiều
nếu cần, những điện áp cũng sẽ được kỹ thuật số hoá
toàn bộ được đồng bộ vào một đồng hồ và xảy ra theo một chu kỳ

Phổ cập CCD
một trong những lợi thế lớn nhất của CCD là nhạy bén: những cảm biến hình ảnh thể rắn trước đó là hiệu suất kém - tạo ra tín hiệu điện không lớn khi bị phơi sáng
phần lớn cảm biến ảnh đã có hiệu suất ánh sáng quá thấp: không hề nhạy cảm với ánh sáng - khó nhìn được cảnh phía trước nó
CCD đủ nhạy sáng, có dải tần nhạy sáng lớn, ít nhiễu [noise], và điểm ảnh nhỏ: CCD trở thành công nghệ cảm biến ảnh thể rắn phổ biến sau khi được phát minh thập niên 1970
những công ty chế tạo CCD đã nhảy vào thị trường: General Electric, IBM, Hughes Aircraft, Texas Instruments, RCA, Fairchild, Phillips, Hitachi, Thompson, Intel và Sony

Nhược điểm của CCD
CCD phổ cập thị trường, cung cấp cảm biến cho những máy quay phim kết hợp [camcorder] và máy ảnh kỹ thuật số
một trong những nhược điểm lớn nhất của CCD là nếu chip vẫn phơi sáng trong công đoạn chuyển đổi điện áp: frame readout - thì ta có thể bị những vấn đề tín hiệu không mong muốn, bộc lộ [manifest] là "đốm bẩn" [smear]
các nhà sản xuất khắc phục bằng một cửa chập cơ học đặt phía trước của cảm biến hoặc bằng cách tách một phần của chip vào một khu vực tối: một phòng tối - cửa chập cơ học là một chi tiết động đậy nên có thể bị gãy, và cũng cần điện
tách một phần của chip ra sẽ gấp đôi chi phí gia công [fab] die bán dẫn
nữa, với những hệ thống kèm theo như bộ chuyển đổi tín hiệu tuần tự sang kỹ thuật số, máy sẽ ngốn điện: một camcorder có vẻ luôn hết pin chỉ sau 1-2 giờ

CMOS
bán dẫn ôxit kim loại bù [CMOS - complementary metal oxit semiconductor] đã nghiên cứu lác đác từ thập niên 1960
năm 1964 IBM tuyên bố phát minh máy quét scanistor là một chip chỉ nhỏ cỡ đồng xu có thể sản sinh một tín hiệu đầu ra, tuỳ thuộc ánh sáng
IBM nói rằng máy scanistor có thể quét tài liệu cho mục đích gửi fax
bấy giờ, các nhà khoa học ở Westinghouse, Fairchild và RCA cũng trình diện những thiết kế tương tự nhưng cảm quang rất yếu
năm 1970 CCD được phát minh đã thu hút hết chú ý của ngành: một số nhóm, đáng chú ý có Hitachi, tiếp tục nghiên cứu cảm biến ảnh CMOS - chủ yếu để theo đuổi một chip cho ứng dụng camcorder
một thời gian Hitachi theo đuổi giấc mơ: ra mắt những kỹ thuật trên-chip để đa dạng hoá thời gian phơi sáng chip và khử nhiễu những bập bùng [flicker] bị trong điều kiện ánh sáng trong nhà - bỏ cuộc sau khi thất bại không khử nhiễu đủ hiệu quả những vật lạ [artifact] nhiễu [noise] ảnh ngẫu nhiên, trong điều kiện thiếu sáng
thập niên 1990 xuất hiện tò mò mới và tiền được rót lại vào nghiên cứu: với những tiến trình được cải thiện, người ta thấy cơ hội để tích hợp thêm vào phầm còn lại của hệ thống ảnh - hiển thị [readout] nhanh hơn, tiết kiệm điện hơn, cải thiện đóng gói [pankage] và những chức năng ảnh được tạo điều kiện bởi xử lý kỹ thuật số "dây chuyền xử lý ảnh"
CCD được tăng cường chuyên dụng hoá
bước ngoặt là ra mắt "cảm biến điểm ảnh chủ động" thế hệ 2

Cách thức hoạt động
một cảm biến ảnh CMOS là một mảng các điểm ảnh: mỗi điểm ảnh là một điôp quang - nhân tố nhạy sáng sẽ thu thập những electron của silic bị ánh sáng đánh bật ra
và những bóng bán dẫn kiểm soát: làm nhiều chức năng
khi hệ thống cần nhận và 'phiên dịch' ảnh, ta 'truy cập' hoặc 'hiển thị' điểm ảnh hoặc hàng những điểm ảnh, giống như nó là một bộ nhớ
thế hệ 2 đã thay đổi cách thức ta làm điều này
thế hệ đầu là "điểm ảnh bị động" phát minh thập niên 1960 bởi nhân viên Fairchild, chỉ có một bóng bán dẫn bên trong điểm ảnh: bóng bán dẫn kiểm soát sẽ bị kích hoạt khi ta muốn hiển thị - sau đó, bóng bán dẫn kiểm soát sẽ bật lên, điện tích của điốp quang sẽ chảy vào một dây dẫn về phía một bộ khuếch đại [amplifier]
bộ khuếch đại ở cuối dây dẫn sẽ chuyển đổi điện tích thành một điện áp cho xử lý ảnh bên ngoài chip
cách điểm ảnh bị động sẽ cho những điểm ảnh nhỏ hơn, đơn giản hơn với chỉ một bóng bán dẫn mỗi điểm ảnh: nhưng không thể khuếch đại điện tích lên trước khi nó chảy vào dây dẫn
điện tích sẽ rất nhỏ mà dây dẫn lớn cho nên có nhiều nhiễu [noise] cao gấp hơn 12 lần so với CCD
nhiễu khiến cách điểm ảnh bị động sẽ không thể tăng quy mô [scale]: thêm điểm ảnh đặt vào mảng [array] hoặc muốn hiển thị những điểm ảnh ấy nhanh hơn, thêm nhiễu ta bị
ngay khi 'điểm ảnh bị động' được ra mắt, người ta nhận thấy là có thể khắc phục vấn đề nhiễu bằng cách bổ sung một bộ đệm [buffer] hoặc bộ khuếch đại vào điểm ảnh để đẩy mạnh [boost] điện tích trước khi đi tiếp
ấy là 'điểm ảnh chủ động' ta đặt thêm những bóng bán dẫn bên trong mỗi điểm ảnh: đóng gói thêm chức năng vào một điểm ảnh duy nhất - không cần mang điện tích đi khắp mảng điểm ảnh để chuyển đổi trong một hệ thống hỗ trợ nữa mà làm ngay bên trong điểm ảnh
nhưng bấy giờ những bước [node] tiến trình bán dẫn chưa thể thực sự hiện thực hoá được ở quy mô thương mại, cho đến thập niên 1990

Thương mại hoá
ban đầu, ý tưởng cảm biến điểm ảnh chủ động được hiện thực hoá là cảm biến điểm ảnh chủ động điôp quang: khấp khởi từ thập niên 1980, cụ thể ở Nhật Bản
VLSI Vision Limited cũng đóng góp những bằng sáng chế quan trọng trong mảng ấy
năm 1993 tiến triển thực sự mới diễn ra ở phòng thí nghiệm động cơ phản lực [JPL - jet propulsion lab] của NASA
bấy giờ máy quay của tàu vũ trụ sử dụng CCD: nhiều hệ thống hỗ trợ và ngốn điện
NASA muốn cái gì nhanh hơn, tốt hơn, rẻ hơn: cho nên Eric Fossum là trưởng bộ phận nghiên cứu cảm biến ảnh của JPL và nhóm đã phát triển phiên bản hiện thực hoá riêng của cảm biến điểm ảnh chủ động - cảm biến điểm ảnh chủ động cổng quang [photogate]
họ cũng ra mắt một kỹ thuật mới là lấy mẫu kép tương quan [correlated double sampling] để khử nhiễu và cải thiện chất lượng ảnh: lọc ra nhiễu [noise]
thập niên 1960 NASA tất tay vào công nghệ mới kỳ cục là mạch tích hợp nhưng thập niên 1990 NASA chõ mũi vào cảm biến ảnh CMOS
năm 1995 Fossum thành lập công ty Photobit để thương mại hoá: sản phẩm chip tiên phong PB-100 trang bị cho những máy Easy PC Camera của Intel, QuickCam của Logitech - sản xuất những chip khác cho sử dụng quân sự, y tế và công nghiệp
năm 2001 Micron mua lại Photobit, tách ra [spin-off] thành Aptina Imaging và năm 2014 bị ON Semiconductor mua lại

CMOS và CCD
cuối thập niên 1990 và đầu thập niên 2000, ban đầu CCD có chất lượng ảnh vượt trội so với cảm biến điểm ảnh chủ động CMOS
vì có thêm bóng bán dẫn bên trong mỗi điểm ảnh chủ động, điểm ảnh bị lớn hơn cho nên bị hạn chế số lượng trên mảng
nữa, thêm bóng bán dẫn bên trong điểm ảnh sẽ khiến giảm đi phần kích cỡ vật lý của điểm ảnh có thể được dành ra để thu thập ánh sáng: được gọi là "tỷ lệ hứng" [fill factor]
thuở đầu, tỷ lệ hứng chỉ 26% trong khi CCD là 100%
nhưng có nhiều bóng bán dẫn trên điểm ảnh: bộ khuếch đại điện tích, bộ đếm thời gian phơi sáng, bộ chuyển đổi tín hiệu tuần tự sang kỹ thuật số - giúp mỗi điểm ảnh có thể mang lại dữ liệu ảnh tốt hơn và nhanh hơn
và lại, cảm biến ảnh CMOS mang lại dữ liệu kỹ thuật số, là khá rẻ và tiết kiệm điện: cho nên năm 1999 các công ty làm di động bắt đầu sử dụng chip ảnh CMOS

CCD thoái trào
cảm biến ảnh CMOS tương thích với luật Moore của gia công bán dẫn trong khi CCD không
giữa thập niên 1990 những bước [node] tiến trình bán dẫn mới được hạ xuống 500 nanomet, ngành đã đạt được mật độ bóng bán dẫn mỗi điểm ảnh có thể cạnh tranh lại CCD đương thời
mật độ điểm ảnh cũng tuân theo một phiên bản luật Moore riêng: gấp đôi sau mỗi 18 tháng - sớm tăng từ một nghìn điểm ảnh trên một cảm biến lên sau rốt vài triệu
cảm biến ảnh CMOS trở thành hạng mục sản phẩm nâng quy mô nhanh nhất lịch sử bấy giờ: một triệu đĩa wafer 8 inch được làm từ năm 2003 đến 2005
năm 2007 cảm biến ảnh CMOS đã cải thiện những nhược điểm độ phân giải ảnh mà vẫn giữ lợi thế giá bán, tiết kiệm điện và kích cỡ nhỏ
CCD chỉ còn nắm lợi thế chất lượng ảnh ở điều kiện thiếu sáng hoặc ánh sáng không nhìn thấy
những điện thoại chụp ảnh như Nokia N95 và iPhone trang bị những cảm biến này với một máy tính di động, tăng tốc phát triển cảm biến ảnh và mở khoá những lợi ích của nhiếp ảnh máy tính
ứng dụng điện thoại thông minh đã chiếm 70% thị trường cảm biến ảnh CMOS hiện đại
các hãng sản xuất CCD bị chậm thích nghi với tiến triển mới: Sony là công ty chế tạo CCD lớn nhất - là một trong số ít đã thành công chuyển đổi, có lẽ vì công ty làm sản phẩm máy ảnh kỹ thuật số riêng cho người dùng cuối
năm 2014 chip CMOS IMX174 Global Shutter của Sony đã vượt mặt cả những chip CCD tiên tiến nhất
tháng 1 năm 2015 Sony nói đóng cửa hoạt động sản xuất CCD để chỉ làm CMOS

Kết
di động muốn máy ảnh tốt hơn: độ phân giải cao, thêm mega pixel, điểm ảnh [pixel] nhỏ đi
nhưng ta muốn những điểm ảnh nhỏ hơn mà không thêm những nhiễu [noise]: điểm ảnh nhỏ đi, bóng bán dẫn so với điểm ảnh sẽ to lên và điốp quang sẽ nhỏ hơn - thu nhỏ tỷ lệ hứng [fill factor] và thêm nhiễu
duy trì tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu [signal to noise] khi thu nhỏ điểm ảnh là một khó khăn lớn trong ngành công nghiệp cảm biến ảnh CMOS
mỗi thế hệ kích cỡ điểm ảnh có một hạn chế căn bản trên lý thuyết cho tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
năm 2023 công ty Omnivision thiết kế bán dẫn không xưởng ở Trung Quốc tuyên bố một điểm ảnh 560 nanomet sử dụng tiến trình gia công N22 của TSMC - thành tựu cho thấy rằng cải thiện cảm biến ảnh CMOS vẫn khả thi