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Bienvenido a la Parte 7 de la serie AAC sobre sensores de imagen CCD (dispositivo de carga acoplada). En este artículo, presentaremos el concepto del CCD retroiluminado.
Antes de continuar, considere ponerse al día con los temas CCD anteriores a continuación:
Introducción a la tecnología de sensores de imagen
Estructura y funcionalidad del CCD
CCD de fotograma completo, transferencia entre líneas y transferencia de fotograma
Técnicas de marcado para lectura de CCD
Señales de salida CCD
Muestreo, amplificación y digitalización de señales de salida CCD

¿Qué es un CCD retroiluminado?

Cuando decimos que un sensor de imagen está iluminado frontalmente, queremos decir que su configuración física es análoga a lo que esperamos de un IC típico: los pines se extienden desde el perímetro del dispositivo hasta los terminales de montaje, la "parte posterior" del dispositivo mira hacia la superficie de la PCB y el "frente" del dispositivo está expuesto a la luz incidente.
La mayoría de los CCD funcionan de esta manera, pero resulta que el rendimiento puede mejorarse modificando físicamente el dispositivo y luego montándolo de tal manera que la luz incidente llegue desde el otro lado. Los CCD destinados a este tipo de implementación se denominan CCD retroiluminados.

Iluminación frontal y sensibilidad reducida

El siguiente diagrama, que vimos en la Parte 4 de esta serie, nos recuerda que los CCD están construidos con una capa de compuertas de polisilicio (también conocidos como electrodos) que cubren los registros de desplazamiento y las partes potencialmente sensibles a la luz del dispositivo.

En los CCD de fotograma completo y transferencia de fotograma, el sitio fotoactivo está debajo de un electrodo, de modo que la luz que llega desde la cara frontal del CCD debe pasar a través del silicio policristalino antes de que pueda generar carga eléctrica. Esto causa problemas bastante serios, como veremos en un momento.
Puede parecer que el CCD de transferencia entre líneas elimina este problema, porque el fotodiodo no es parte del registro de desplazamiento y, por lo tanto, no necesita estar cubierto por una puerta de polisilicio. Sin embargo, en este caso estamos intercambiando una limitación por otra: el enfoque de transferencia entre líneas reduce la sensibilidad general, ya que los sitios fotoactivos ocupan una porción relativamente pequeña de sus píxeles respectivos. Este efecto es mitigado pero no eliminado por microlentes que enfocan la luz en los fotodiodos.

Comportamiento dependiente de la longitud de onda

La generación de carga inducida por la luz ocurre a diferentes profundidades físicas en el silicio dependiendo de algo llamado coeficiente de absorción, y el coeficiente de absorción es a su vez una función de la longitud de onda. Este fenómeno es transmitido por el siguiente diagrama. La onda roja representa fotones de longitud de onda más larga (como luz roja o radiación infrarroja), y la onda azul representa fotones de longitud de onda más corta (como luz azul o radiación ultravioleta).

En un sistema con iluminación frontal, la respuesta del CCD a la luz se ve significativamente alterada por la presencia de electrodos de polisilicio. En primer lugar, los electrodos no son perfectamente transparentes; dispersan y reflejan la luz incidente y, por lo tanto, reducen la sensibilidad general.
Además, los electrodos hacen que la detección de ciertas longitudes de onda sea básicamente imposible, porque su grosor excede la profundidad de absorción. Por ejemplo, si la capa de polisilicio tiene un espesor de 500 nm, la radiación UV con una profundidad de absorción de menos de 500 nm no puede producir ninguna respuesta eléctrica en el CCD.
La capacidad de un CCD para detectar la luz se transmite mediante la eficiencia cuántica (QE), que indica el porcentaje de fotones incidentes que en realidad se convierten en carga eléctrica utilizable. El QE se puede informar para la respuesta óptica general o para longitudes de onda específicas. Los CCD típicos con iluminación frontal que están sujetos al efecto nocivo de las puertas de polisilicio tienen un QE máximo de aproximadamente 50% cerca de 700 nm y quizás un promedio de 25-30% en todo el espectro visible.

Comprender la iluminación de la espalda

Si la luz entra desde el lado opuesto del dispositivo, obviamos por completo los molestos electrodos de polisilicio. Esto aumenta la eficiencia cuántica general y es particularmente ventajoso en aplicaciones que requieren sensibilidad a la radiación de longitud de onda más corta.
Un CCD retroiluminado equipado con un buen revestimiento antirreflectante puede superar el 70% de eficiencia cuántica promedio en todo el espectro visible. A ciertas longitudes de onda, los valores teóricos se acercan al 100% y los valores medidos superan el 90%. El siguiente diagrama proporciona una comparación general de QE con iluminación frontal y QE con retroiluminación.

Iluminación trasera: el inconveniente
Como probablemente haya adivinado, este rendimiento mejorado tiene un precio. Primero está el precio literal: el grosor de un sensor retroiluminado debe reducirse significativamente para garantizar una sensibilidad adecuada, y este desafiante procedimiento de fabricación encarece el dispositivo.

Además, el procedimiento utilizado para adelgazar el CCD puede provocar imperfecciones que aumentan el ruido.
También es posible que cambiemos la mayor sensibilidad de longitud de onda corta por una sensibilidad de longitud de onda larga reducida, si el CCD se hace tan delgado que la distancia de absorción de longitudes de onda más largas se aproxima al grosor del dispositivo.
La radiación infrarroja cercana, por ejemplo, podría pasar directamente a través del sustrato de silicio. Las aplicaciones que requieren detección IR pueden beneficiarse de una forma modificada de retroiluminación en la que se combina un sustrato más grueso con voltajes de polarización que evitan que la carga fotogenerada se pierda por difusión. Estos tipos de sensores CCD se enfrían a temperaturas extremadamente bajas durante el funcionamiento; a temperaturas normales hay demasiada corriente oscura.

Conclusión

Hemos cubierto las características de la retroiluminación y las razones por las cuales los ingenieros están motivados para adoptar esta tecnología. Los CCD retroiluminados no son el tipo de cosa que se pondría en una cámara barata para hacer videos caseros, pero valen la pena los problemas y gastos adicionales en sistemas de alto rendimiento que necesitan tanta eficiencia cuántica como un sensor puede ofrecer.