एक्टिव-पिक्सेल सेंसर

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एक्टिव-पिक्सेल सेंसर (एपीएस) छवि संवेदक है। जिसका आविष्कार पीटर जे.डब्ल्यू. 1968 में किया था। जिसके लिये उन्हें नोबेल पुरस्कार भी दिया गया था। जहां प्रत्येक पिक्सेल सेंसर यूनिट सेल में फोटोडिटेक्टर (सामान्यतः पिन किया हुआ फोटोडायोड ) और या अधिक सक्रियट्रांजिस्टर होते हैं।[1][2] मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर (एमओएस) एक्टिव-पिक्सेल सेंसर में मॉसफेट का प्रयोग किया गया। एमओएस फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (मॉसफेट्स) का उपयोगएम्पलीफायरों के रूप में किया जाता है। जिसमें विभिन्न प्रकार के एपीएस होते हैं। जिनमें प्रारंभिक एनएमओएस तर्क एपीएस और अब बहुत अधिक सामान्य पूरक एमओएस (मॉस) एप्स सम्मिलित हैं। जिन्हें सी-मॉस संवेदक के रूप में भी जाना जाता है। सी-मॉस सेंसर का उपयोगडिजिटल कैमरा तकनीकों जैसे कैमरा फोन, वेब कैमरा,अधिकांश आधुनिक डिजिटल पॉकेट कैमरा, अधिकांश डिजिटल सिंगल-लेंस रिफ्लेक्स कैमरा (डीेएसएलआर) औरमिररलेस इंटरचेंजेबल-लेंस कैमरा (एमआईएलएस) में किया जाता है।

सीएमओएस सेंसर चार्ज-युग्मित डिवाइस (सीसीडी) छवि सेंसर के विकल्प के रूप में उभरे और अंततः 2000 के दशक के मध्य तक उन्हें बाहर कर दिया।

सीएमओएस छवि संवेदक।

छवि संवेदक के विपरीत सक्रिय पिक्सेल एसंवेदक शब्द का उपयोग व्यक्तिगत पिक्सेल संवेदक को संदर्भित करने के लिए भी किया जाता है।[3] इस स्थिति में छवि संवेदक को कभी-कभी सक्रिय पिक्सेल संवेदक इमेजर कहा जाता है[4] या सक्रिय-पिक्सेल छवि संवेदक भी कहा जाता है।[5]


इतिहास

पृष्ठभूमि

Further information: छवि संवेदक इतिहास

मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर (एमओएस) तकनीक पर शोध करते समय विलार्ड बॉयल और जॉर्ज ई. स्मिथ ने ज्ञात किया कि छोटे से एमओएस कैपेसिटर पर इलेक्ट्रिक चार्ज संग्रहीत किया जा सकता है। जो चार्ज-युगल डिवाइस (सीसीडी) का मूल बिल्डिंग ब्लॉक बन गया। जिसका आविष्कार उन्होंने सन् 1968 में किया था।[6][7] सीसीडी तकनीक के साथ समस्या यह थी कि रीड आउट में लगभग सही चार्ज ट्रांसफर की आवश्यकता थी। जो उनके विकिरण को 'सरल' बनाता है। इसको कम प्रकाश की स्थिति में भी उपयोग करना कठिन है, बड़े सरणी आकारों में निर्माण करना कठिन है, साथ ही एकीकृत करना कठिन है | ऑन-चिप इलेक्ट्रानिक्स, कम तापमान पर उपयोग करना कठिन है, उच्च फ्रेम दर पर उपयोग करना कठिन है, और बिना-सिलिकॉन सामग्री में निर्माण करना कठिन है। जो तरंग दैर्ध्य प्रतिक्रिया को बढ़ाता है।[1] आरसीए प्रयोगशालाओं में शोध दल जिसमें पॉल के. वीमर, डब्ल्यू.एस. पाइक और जी. सदासिव ने 1969 में ठोस-राज्य इलेक्ट्रॉनिक्स सॉलिड-स्टेट इमेज सेंसर का प्रस्ताव दिया। जिसमेंपतली परत ट्रांजिस्टर (टीएफटी) का उपयोग करते हुए स्कैनिंग सर्किट के साथफोटोकंडक्टिव फिल्म का प्रयोग फोटोडेटेक्टर के लिए किया गया था।[8][9] ऑप्टिकल माउस एप्लिकेशन के लिए इंट्रा-पिक्सेल प्रवर्धन के साथ कम-रिज़ॉल्यूशन अधिकांशतः डिजिटल एनएमओएस लॉजिक है| एन-चैनल एमओएसएफईटी (एनएमओएस) इमेजर 1981 में रिचर्ड एफ लियोन द्वारा प्रदर्शित किया गया था।[10] अन्य प्रकार की इमेज सेंसर तकनीक जो एपीएस से संबंधित है। हाइब्रिड इन्फ्रारेड फोकल प्लेन ऐरे (आईआरएफपीए) है।[1]अवरक्त स्पेक्ट्रम में क्रायोजेनिक तापमान पर काम करने के लिए प्रारूप किया गया। उपकरण में दो चिप्स होते हैं। जिन्हें सैंडविच की तरह साथ रखा जाता है और चिप में InGaAs या HgCdTe में बने डिटेक्टर तत्व होते हैं और दूसरी चिप सामान्यतः सिलिकॉन से बनी होती है और इसका उपयोग फोटोडेटेक्टर को पढ़ने के लिए किया जाता है। इन उपकरणों की उत्पत्ति की त्रुटिहीन तिथि को वर्गीकृत किया गया है। किन्तु वे 1980 के दशक के मध्य तक उपयोग में थे। आधुनिक सीएमओएस संवेदक का प्रमुख तत्व पिन किया हुआ फोटोडायोड (पीपीडी) है।[2]इशिहारा और हिरोमित्सु शिराकी ने 1980 में शिनवा मंदिर में यासुओ इशिहारा का प्रारूप तैयार किया[2][11] और फिर 1982 में ए. कोहोनो, ई. ओडा और के. अराई के साथ तेरनिशी और इशिहारा द्वारा एंटी- ब्लूमिंग सीसीडी) संरचना के साथ सार्वजनिक रूप से रिपोर्ट की गई।[2][12] पिन किया हुआ फो्टोेेेेेे डायोड कम शटरे् अंतराल, कम ध्वनि (इलेक्ट्रॉनिक्स), उच्च क्वान्टम दक्षता और कमडार्क करंट (भौतिकी) के साथ फोटोडेटेक्टर संरचना है।[2] एनईसी में आविष्कृत नई फोटोडेटेक्टर संरचना को बीसी द्वारा 1984 में कोडक में बर्की पिनड फोटोडायोड (पीपीडी) नाम दिया गया था। 1987 में पीपीडी को अधिकांश सीसीडी सेंसरों में सम्मिलित किया जाने लगा। जोउपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक वीडियो कैमरे और फिरडिजिटल स्टिल कैमरा में स्थिरता बन गया। तभी से पीपीडी का उपयोग लगभग सभी सीसीडी सेंसर और फिर सीएमओएस सेंसर में किया गया है।[2]


निष्क्रिय-पिक्सेल सेंसर

एपीएस का अग्रदूत निष्क्रिय-पिक्सेल सेंसर (पीपीएस) था। जो प्रकार का फोटोडायोड सरणी (पीडीए) था।[2] निष्क्रिय-पिक्सेल सेंसर में निष्क्रिय पिक्सेल होते हैं। जो बिनाएम्पलीफायर के पढ़े जाते हैं। प्रत्येक पिक्सेल में फोटोडायोड और मॉसफेट स्विच होता है।[13] फोटोडायोड सरणी में पिक्सेल में पी-एन जंक्शन, एकीकृतसंधारित्र और मॉसफेट्स चयनट्रांजिस्टर के रूप में होते हैं। सीसीडी से पहले 1968 में जी. वेक्लर द्वारा फोटोडायोड व्यूह प्रस्तावित किया गया था।[1] यह पीपीएस का आधार था।[2] जिसमें पीटर जे.डब्ल्यू द्वारा प्रस्तावित इन-पिक्सेल चयन ट्रांजिस्टर के साथ छवि संवेदक तत्व थे। इन्हें 1968 में नोबल पुरस्कार प्रदान किया गया[14][2][8] और 1969 में सवास जी. चेम्बरलेन द्वारा।[15] पैसिव-पिक्सेल सेंसर की जांच सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रॉनिक्स के कैमरा ट्यूब के सॉलिड-स्टेट विकल्प थे | वैक्यूम-ट्यूब इमेजिंग डिवाइस के रूप में की जा रही थी। एमओएस पैसिव-पिक्सेल सेंसर ने फोटोडायोड इंटीग्रेटेड चार्ज को पढ़ने के लिए पिक्सेल में बस साधारण स्विच का प्रयोग किया।[16] पिक्सल को द्वि-आयामी संरचना में व्यवस्थित किया गया था। ही पंक्ति में पिक्सेल द्वारा साझा किए गए एक्सेस सक्षम तार और कॉलम द्वारा आउटपुट वायर के साथ साझा किए गए। प्रत्येक स्तंभ के अंत में ट्रांजिस्टर था। निष्क्रिय-पिक्सेल सेंसर कई सीमाओं से ग्रस्त थे। जैसे उच्च छवि शोर, धीमा रीडआउट और मापनीयता की कमी। प्रारंभिक (1960-1970 के दशक) प्रत्येक पिक्सेल के अन्दर चयन ट्रांजिस्टर के साथ ऑन-चिपबहुसंकेतक सर्किट के साथ फोटोडायोड सरणियाँ अव्यावहारिक रूप से बड़ी थीं। फोटोडायोड सरणियों का शोर (इलेक्ट्रॉनिक्स) भी प्रदर्शन की सीमा थी क्योंकि फोटोडायोड रीडआउट बस कैपेसिटेंस के परिणामस्वरूप रीड-नॉइज़ स्तर में वृद्धि हुई। बाहरीस्मृति के बिना फोटोडायोड सरणी के साथ सहसंबद्ध डबल सैंपलिंग (सीडीएस) का भी उपयोग नहीं किया जा सकता है। उस समय सीमितमाइक्रोलिथोग्राफी तकनीक के कारण 1970 के दशक में व्यावहारिक पिक्सेल आकार के साथअर्धचालक उपकरण निर्माण सक्रिय-पिक्सेल सेंसर के लिए संभव नहीं था[1] क्योंकि मॉस प्रक्रिया इतनी परिवर्तनशील थी और मॉस ट्रांजिस्टर में विशेषताएँ थीं। जो समय के साथ बदल गईं (सीमा वोल्टेज अस्थिरता) और सीसीडी का चार्ज-डोमेन ऑपरेशन मॉस पैसिव-पिक्सेल सेंसर की तुलना में अधिक निर्माण योग्य और उच्च प्रदर्शन वाला था।


एक्टिव-पिक्सेल सेंसर

सक्रिय-पिक्सेल सेंसर में सक्रिय पिक्सेल होते हैं। जिनमें से प्रत्येक में या अधिक मॉसफेट एम्पलीफायर होते हैं। जो फोटो-जनित चार्ज को वोल्टेज में परिवर्तित करते हैं। सिग्नल वोल्टेज को बढ़ाते हैं और शोर को कम करते हैं।[13] सक्रिय-पिक्सेल डिवाइस की अवधारणा 1968 में पीटर नोबल द्वारा प्रस्तावित की गई थी। उन्होंने अनिवार्य रूप से आधुनिक तीन-ट्रांजिस्टर कॉन्फ़िगरेशन दबे हुए फोटोडायोड-संरचना, चयन ट्रांजिस्टर और एमओएस एम्पलीफायर में प्रति पिक्सेल सक्रिय एमओएस रीडआउट एम्पलीफायरों के साथ सेंसर सरणी बनाई।Cite error: Closing </ref> missing for <ref> tag प्रथम मॉस एपीएस 1985 में ओलिंप में टस्तुमु नाकामुरा की टीम द्वारा निर्मित किया गया था। सक्रिय पिक्सेल सेंसर (एपीएस) शब्द नाकामुरा द्वारा ओलंपिक में सीएमडी सक्रिय-पिक्सेल सेंसर पर काम करते समय बनाया गया था।[17] सीएमडी इमेजर में ऊर्ध्वाधर एपीएस संरचना थी। जो आउटपुटपीएमओएस तर्क ट्रांजिस्टर के अनुसार सिग्नल चार्ज को स्टोर करके भरण-कारक (या पिक्सेल आकार कम कर देता है) को बढ़ाता है। अन्य जापानी अर्धचालक कंपनी ने जल्द ही 1980 के दशक के अंत से 1990 के दशक के समय अपने स्वयं के सक्रिय पिक्सेल सेंसर का अनुसरण किया। 1988 और 1991 के बीचतोशीबा ने डबल डोर फ़्लोटिंग-गेट मॉसफेट सतह ट्रांजिस्टर सेंसर विकसित किया। जिसमें पार्श्व एपीएस संरचना थी। जिसमें प्रत्येक पिक्सेल में दफन-चैनल मॉस फोटोगेट और पी-मॉस लॉजिक आउटपुट एम्पलीफायर था। 1989 और 1992 के बीच कैनन इंक ने बेस-स्टोरेड इमेज सेंसर विकसित किया। जो ओलंपस सेंसर के समान वर्टिकल एपीएस संरचना का उपयोग करता था। किन्तु मॉसफेट्स के स्थान परद्विध्रुवी ट्रांजिस्टर के साथ इनका प्रयोग सुनिश्चित किया गया।[1]

1990 के दशक के प्रारम्भ में अमेरिकी कंपनियों ने व्यावहारिक मॉस सक्रिय पिक्सेल सेंसर विकसित करना प्रारम्भ किया। 1991 मेंटेक्सस उपकरण ने बल्क सीएमडी सेंसर विकसित किया। जिसे कंपनी की जापानी शाखा में बनाया गया था और ओलंपस सीएमडी सेंसर के समान ऊर्ध्वाधर एपीएस संरचना थी। किन्तु यह अधिक जटिल था और एन-मॉस ट्रांजिस्टर के स्थान पर पी-मॉस का उपयोग करता था।[2]


सीएमओएस सेंसर

1980 के दशक के अंत से 1990 के दशक के प्रारंभ तक, सी-मॉस प्रक्रिया अच्छी तरह से नियंत्रित स्थिरअर्धचालक निर्माण प्रक्रिया के रूप में अच्छी तरह से स्थापित थी और लगभग सभी तर्क और माइक्रोप्रोसेसरों के लिए आधारभूत प्रक्रिया थी। लो-एंड इमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए पैसिव-पिक्सेल सेंसर के उपयोग में पुनरुत्थान हुआ था।[18] जबकि सक्रिय-पिक्सेल सेंसर का उपयोग निम्न-रिज़ॉल्यूशन उच्च-फ़ंक्शन अनुप्रयोगों जैसे रेटिना सिमुलेशन के लिए किया जाने लगा[19] और उच्च-ऊर्जा कण डिटेक्टर। चूंकि सीसीडी में बहुत कम अस्थायी शोर और निश्चित-पैटर्न शोर जारी रहा और उपभोक्ता अनुप्रयोगों जैसे किकैमकोर्डर के साथ-साथ प्रसारणकैमरों के लिए प्रमुख तकनीक थी। जहां वे वीडियो कैमरा ट्यूब को विस्थापित कर रहे थे।

1993 में जापान के बाहर सफलतापूर्वक तैयार किए जाने वाले पहले व्यावहारिक एपीएस को नासा की जेट प्रणोदन प्रयोगशाला (जेपीएल) में विकसित किया गया था। जिसने सीएमओएस संगत एपीएस तैयार किया था। इसमें तोशिबा सेंसर के समान पार्श्व एपीएस संरचना थी। किन्तु इसे पीएमओएस ट्रांजिस्टर के स्थान पर सीएमओएस के साथ बनाया गया था।[1] यहइंट्रापिक्सल और इंटरपिक्सल प्रसंस्करण इंट्रा-पिक्सेल चार्ज ट्रांसफर वाला पहला सीएमओएस सेंसर था।[2]

2001 मेंमाइक्रोन प्रौद्योगिकी द्वारा फोटोबिट को खरीदे जाने से पहले फोटोबिट के सीएमओएस सेंसर ने लॉगीटेक औरइंटेल द्वारा निर्मित वेबकैम में अपना रास्ता खोज लिया था। प्रारम्भिकी सीएमओएस सेंसर बाजार में प्रारम्भिक में अमेरिकी निर्माताओं जैसे माइक्रोन और ओम्निविज़न का नेतृत्व किया गया था। जिससे संयुक्त राज्य अमेरिका को संक्षिप्त रूप से पुनः प्राप्त करने की अनुमति मिली। समग्र छवि संवेदक बाजार का भाग जापान से इससे पहले कि सी-मॉस संवेदक बाजार अंततः जापान, दक्षिण कोरिया और चीन के प्रभुत्व में आ गया।[20] पीपीडी तकनीक वाले सी-मॉस सेंसर को 1997 में आर एम गाइडैश 2000 में के योनेमोटो और एच सुमी और 2003 में आई. इनौए द्वारा और उन्नत और परिष्कृत किया गया था। इसके कारण सी-मॉस सेंसर सिसीडी सेंसर के बराबर इमेजिंग प्रदर्शन प्राप्त करते हैं और बाद में सीसीडी सेंसर से अधिक हो जाते हैं।[2]

2000 तक कम लागत वाले कैमरे, पीसी कैमरा, फैक्स, मल्टीमीडिया, सुरक्षा, निगरानी और वीडियोफोन सहित विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में सीएमओएस सेंसर का उपयोग किया गया था।[21] उच्च-परिभाषा वीडियो (एचडी वीडियो) के आगमन के साथ वीडियो उद्योग ने सीएमओएस कैमरों पर स्विच किया क्योंकि बड़ी संख्या में पिक्सेल को सीसीडी सेंसर के साथ अधिक अधिक बिजली की खपत की आवश्यकता होगी। जो बैटरी को ज़्यादा गरम और खत्म कर देगा।[20]सोनी ने 2007 में तेज, कम शोर वाले प्रदर्शन के लिए मूल कॉलम ए/डी रूपांतरण सर्किट के साथ सी-मॉस सेंसर का व्यवसायीकरण किया। इसके बाद 2009 में सी-मॉस बैक-इल्यूमिनेटेड सेंसर (बीआई सेंसर) पारंपरिक छवि सेंसर की दोगुनी संवेदनशीलता के साथ और उससे आगे जा रहा था। मानव आँख[22] सी-मॉस सेंसर का महत्वपूर्ण सांस्कृतिक प्रभाव पड़ा। जिससेडिजिटल कैमरों औरकैमरा फोन के बड़े पैमाने पर प्रसार हुआ। जिसनेसामाजिक मीडिया औरसेल्फी संस्कृति के उदय को बल दिया और दुनिया भर में सामाजिक और राजनीतिक आंदोलनों को प्रभावित किया।[20] 2007 तक सी-मॉस सक्रिय-पिक्सेल सेंसर की बिक्री ने सीसीडी सेंसर को पीछे छोड़ दिया था। उस समय वैश्विक छवि सेंसर बाजार में सी-मॉस सेंसर का 54% भाग था। 2012 तक सी-मॉस सेंसर ने अपनी हिस्सेदारी को बाजार के 74% तक बढ़ा दिया। 2017 तक सीएमओएस सेंसर वैश्विक छवि सेंसर की बिक्री का 89% भाग है।[23] कुछ वर्षों में सीएमओएस सेंसर तकनीक मध्यम-प्रारूप फोटोग्राफी में फैल गई है। जिसमें फेज वन (कंपनी) सोनी-निर्मित सीएमओएस सेंसर के साथ मध्यम प्रारूप डिजिटल बैक लॉन्च करने वाली पहली कंपनी है।

2012 में सोनी ने त्रि-आयामी एकीकृत सर्किट बीआई सेंसर प्ररस्तुत किया।[22] इमेज सेंसर के क्षेत्र में कई शोध गतिविधियां चल रही हैं। उनमें से क्वांटम इमेज सेंसर (क्यूआईएस) है। जो कैमरे में छवियों को एकत्रित करने के तरीके में आदर्श बदलाव हो सकता है। क्यूआईएस में छवि संवेदक पर प्रहार करने वाले प्रत्येक फोटॉन को गिनने का लक्ष्य है और प्रति सेंसर 1 मिलियन से 1 बिलियन या अधिक विशिष्ट फोटोलेमेंट्स (जिन्हें जोट्स कहा जाता है) का रिज़ॉल्यूशन प्रदान करना है और जोट बिट प्लेन सैकड़ों या हजारों को पढ़ना है। डेटा के टेराबिट्स/सेकेंड के परिणामस्वरूप प्रति सेकंड बार क्यूआईएस विचार अपनी प्रारंभिक अवस्था में है और छवि को कैप्चर करने के लिए आवश्यक अनावश्यक जटिलता के कारण कभी भी वास्तविकता नहीं बन सकता है। [24] ओमनीविजन टेक्नोलॉजीज के बॉयड फाउलर सीएमओएस इमेज सेंसर डेवलपमेंट में अपने काम के लिए जाने जाते हैं। उनके योगदान में 1994 में पहला डिजिटल-पिक्सेल सीएमओएस इमेज सेंसर सम्मिलित है। वर्ष 2003 में सिंगल-इलेक्ट्रॉन आरएमएस रीड नॉइज़ के साथ पहला वैज्ञानिक लीनियर सीएमओएस इमेज सेंसर है। 2010 में साथ उच्च-गतिशील-श्रेणी इमेजिंग (86 डीबी) तेज़ रीडआउट (100 फ़्रेम/सेकंड) और अल्ट्रा-लो रीड नॉइज़ (1.2ई- आरएमएस) (सी-मॉस) के साथ पहला बहु-मेगापिक्सेल वैज्ञानिक क्षेत्र सी-मॉस इमेज सेंसर बनाया गया। अच्छे रोगी आराम के लिए क्लिप्ड कोनों के साथ इंटर-ओरल डेंटल एक्स-रे के लिए पहले सी-मॉस इमेज सेंसर का भी पेटेंट कराया।[25][26] 2010 के अंत तक सीएमओएस सेंसर सामान्यतः यदि पूरी तरह से सीसीडी सेंसर को प्रतिस्थापित नहीं करते थे क्योंकि सीएमओएस सेंसर को न केवल सम्मिलित सेमीकंडक्टर उत्पादन लाइनों में बनाया जा सकता है। जिससे खर्च कम हो जाता है। किन्तु वे कम बिजली की खपत भी करते हैं।

एचवी-सीएमओएस

एचवी-सीएमओएस उपकरण सीईआरएनलार्ज हैड्रान कोलाइडर जैसे उच्च-वोल्टेज अनुप्रयोगों (कण भौतिकी का पता लगाने के लिए) में उपयोग किए जाने वाले साधारण सीएमओएस सेंसर का विशेष मामला है जहां ~30-120V तक उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज आवश्यक है।[27] चूंकि ऐसे उपकरणों का उपयोग हाई-वोल्टेज स्विचिंग के लिए नहीं किया जाता है।[27] एचवी-सीएमओएस सामान्यतः पी-टाइप वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) सब्सट्रेट पर ट्रांजिस्टर के ~10 माइक्रोन गहरे एन-डॉप्ड कमी क्षेत्र (एन-वेल) द्वारा कार्यान्वित किया जाता है।[27]


सीसीडी से तुलना

एपीएस पिक्सेल पैसिव-पिक्सेल सेंसर की गति और मापनीयता के स्थितियों को हल करते हैं। वे सामान्यतः सीसीडी की तुलना में कम बिजली का कम प्रयोग करते हैं, कम छवि अंतराल रखते हैं, और कम विशिष्ट निर्माण सुविधाओं की आवश्यकता होती है। सीसीडी के विपरीत एपीएस सेंसर ही एकीकृत सर्किट के भीतर इमेज सेंसर फ़ंक्शन और इमेज प्रोसेसिंग फ़ंक्शंस को जोड़ सकते हैं। एपीएस सेंसर ने कई उपभोक्ता अनुप्रयोगों विशेष रूप से कैमरा फोन में बाजार पाया है। उनका उपयोग डिजिटल रेडियोग्राफ़ , सैन्य अति उच्च गति छवि अधिग्रहण, सुरक्षा कैमरे और माउस (कंप्यूटर) सहित अन्य क्षेत्रों में भी किया गया है। निर्माताओं में जिसे उपयुक्त (माइक्रोन टेक्नोलॉजी से स्वतंत्र स्पिनआउट के नाम से जाना जाता है। जिन्होंने 2001 में फोटोबिट खरीदा), कैनन (कंपनी), सैमसंग, एसटी माइक्रोइलेक्ट्रोनिक्स, तोशिबा, ओमनीविजन टेक्नोलॉजीज, सोनी और फोवोन सम्मिलित हैं। सी-मॉस-प्रकार के एपीएस सेंसर सामान्यतः उन अनुप्रयोगों के अनुकूल होते हैं। जिनमें पैकेजिंग, पावर प्रबंधन और ऑन-चिप प्रोसेसिंग महत्वपूर्ण होती है। सीएमओएस प्रकार के सेंसर का व्यापक रूप से उपयोग उच्च अंत डिजिटल फोटोग्राफी से लेकर मोबाइल फोन कैमरों तक किया जाता है।

सीसीडी की तुलना में सीएमओएस के लाभ

एक सीसीडी छवि में खिलना

सीएमओएस सेंसर का प्राथमिक लाभ यह है कि सीसीडी सेंसर की तुलना में इसका उत्पादन सामान्यतः कम खर्चीला होता है क्योंकि इमेज कैप्चरिंग और इमेज सेंसिंग तत्वों को ही आईसी पर जोड़ा जा सकता है। जिसमें सरल निर्माण की आवश्यकता होती है।[28]

एक सी-मॉस संवेदक में सामान्यतः प्रस्फुटन का अच्छे नियंत्रण होता है (अर्थात अति-उजागर पिक्सेल से अन्य पास के पिक्सेल में फोटो-चार्ज के रक्तस्राव का)।

तीन-सीसीडी कैमरा तीन-सेंसर कैमरा सिस्टम में जो बीम स्प्लिटर प्रिज्म के संयोजन के साथ छवि के लाल, हरे और नीले घटकों को हल करने के लिए अलग-अलग सेंसर का उपयोग करते हैं। तीन सीएमओएस सेंसर समान हो सकते हैं, जबकि अधिकांशतः स्प्लिटर प्रिज्म के लिए की आवश्यकता होती है। सीसीडी सेंसर का होना छवि को संगत क्रम में पढ़ने के लिए अन्य दो की दर्पण छवि है।। सीसीडी सेंसर के विपरीत सीएमओएस सेंसर में सेंसर तत्वों को उलटने की क्षमता होती है। 4 मिलियन आईएसओ फिल्म गति वाले सीएमओएस सेंसर सम्मिलित हैं। [29]

सीसीडी की तुलना में सीएमओएस की हानियाँ

रोलिंग शटर के कारण विरूपण। दो ब्लेडों को ही सीधी रेखा बनानी चाहिए, जो निकट के ब्लेड के मामले से दूर है। अतिरंजित प्रभाव प्रगतिशील फ्रेम रीडआउट के समवर्ती फ्रेम में निकट ब्लेड की ऑप्टिकल स्थिति के कम होने के कारण होता है।

चूंकि सीएमओएस सेंसर सामान्यतः सेकंड के लगभग 1/60 या 1/50 के भीतर पंक्ति को कैप्चर करता है (ताज़ा दर के आधार पर) इसके परिणामस्वरूप रोलिंग शटर प्रभाव हो सकता है। जहां छवि तिरछी होती है (बाईं या दाईं ओर झुकी हुई), कैमरा या विषय की गति की दिशा पर निर्भर करता है)। उदाहरण के लिए तेज गति से चलती कार को ट्रैक करते समय कार विकृत नहीं होगी। किन्तु पृष्ठभूमि झुकी हुई दिखाई देगी। फ्रेम-ट्रांसफर सीसीडी सेंसर या ग्लोबल शटर सीएमओएस सेंसर में यह समस्या नहीं होती है। इसके स्थान पर यह फ्रेम स्टोर में बार में पूरी छवि को कैप्चर करता है।

कम छवि शोर के साथ छवियों को कैप्चर करने के लिए सीसीडी सेंसर का दीर्घकालिक लाभ उनकी क्षमता रही है।[30] सीएमओएस तकनीक में सुधार के साथ यह लाभ 2020 तक बंद हो गया है। आधुनिक सीएमओएस सेंसर सीसीडी सेंसर से अच्छे प्रदर्शन करने में सक्षम हैं।[31] सी-मॉस पिक्सल में सक्रिय सर्किटरी सतह पर कुछ क्षेत्र लेती है। जो प्रकाश के प्रति संवेदनशील नहीं है। डिवाइस की फोटॉन-डिटेक्शन दक्षता को कम करता है (माइक्रोलेंस और बैक-इलुमिनेटेड सेंसर इस समस्या को कम कर सकते हैं)। किन्तु फ्रेम-ट्रांसफर सीसीडी में फ्रेम स्टोर नोड्स के लिए लगभग आधा गैर-संवेदनशील क्षेत्र होता है। इसलिए सापेक्ष लाभ इस बात पर निर्भर करता है कि किस प्रकार के सेंसर की तुलना की जा रही है।

आर्किटेक्चर

पिक्सेल

एक तीन-ट्रांजिस्टर सक्रिय पिक्सेल सेंसर।

सी-मॉस एपीएस पिक्सेल में फोटोडेटेक्टर (पिन किया हुआ फोटोडायोड) होता है।[2]एक फ्लोटिंग-गेट मॉसफेट प्रसार और 4टी सेल जिसमें चार सी-मॉस (पूरक धातु-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर) ट्रांजिस्टर होते हैं और जिसमें ट्रांसफर धातु का द्वार, रीसेट गेट, चयन गेट और स्रोत रीडआउट ट्रांजिस्टर सम्मिलित हैं।[32] पिन किए गए फोटोडायोड का उपयोग मूल रूप से इसकी कम डार्क करंट और अच्छी नीली प्रतिक्रिया के कारण इंटरलाइन ट्रांसफर सीसीडी में किया गया था और जब ट्रांसफर गेट के साथ युग्मित किया जाता है। तो पिन किए गए फोटोडायोड से फ्लोटिंग डिफ्यूजन (जो आगे के गेट से जुड़ा होता है) से पूर्ण चार्ज ट्रांसफर की अनुमति देता है। रीड-आउट ट्रांजिस्टर लैग को खत्म करता है। सहसंबद्ध दोहरे प्रारूप (सीडीएस) के उपयोग को सक्षम करके इंट्रापिक्सल चार्ज ट्रांसफर का उपयोग कम शोर की प्ररस्तुत कर सकता है। नोबल 3टी पिक्सेल अभी भी कभी-कभी उपयोग किया जाता है क्योंकि निर्माण की आवश्यकताएं कम जटिल होती हैं। 3टी पिक्सेल में ट्रांसफर गेट और फोटोडायोड को छोड़कर 4टी पिक्सेल के समान तत्व सम्मिलित हैं। रीसेट ट्रांजिस्टर, Mrst,फ्लोटिंग प्रसार को VRST पर रीसेट करने के लिए स्विच के रूप में कार्य करता है। जो इस स्थिति में Msf ट्रांजिस्टर के द्वार के रूप में दर्शाया गया है। जब रीसेट ट्रांजिस्टर चालू होता है। तो फोटोडायोड प्रभावी रूप से बिजली की आपूर्ति VRST से जुड़ा होता है। चूंकि रीसेट ट्रांजिस्टर एन-टाइप सेमीकंडक्टर है। एन-टाइप पिक्सेल सॉफ्ट रीसेट में काम करता है। रीड-आउट ट्रांजिस्टर, Msf , बफर (विशेष रूप से स्रोत अनुयायी ) के रूप में कार्य करता है, एम्पलीफायर जो संचित चार्ज को हटाए बिना पिक्सेल वोल्टेज को देखने की अनुमति देता है। इसकी बिजली आपूर्ति, VDD, सामान्यतः रीसेट ट्रांजिस्टर की बिजली आपूर्ति VRST से जुड़ा होता है। श्रेष्ठ ट्रांजिस्टर, Msel, रीड-आउट इलेक्ट्रॉनिक्स द्वारा पिक्सेल सरणी की पंक्ति को पढ़ने की अनुमति देता है। पिक्सल के अन्य इनोवेशन जैसे 5टी और 6टी पिक्सल भी सम्मिलित हैं। अतिरिक्त ट्रांजिस्टर जोड़कर अधिक सामान्य रोलिंग शटर के विपरीत वैश्विक शटर जैसे कार्य संभव हैं। पिक्सेल घनत्व बढ़ाने के लिए साझा-पंक्ति, चार-तरफ़ और आठ-तरफ़ साझा रीड आउट और अन्य आर्किटेक्चर को नियोजित किया जा सकता है। रिचर्ड बी. मेरिल द्वारा आविष्कृत 3टी सक्रिय पिक्सेल का प्रकार फोवोन X3 सेंसर है। इस उपकरण में तीन फोटोडायोड को प्लानर प्रक्रिया का उपयोग करके दूसरे के ऊपर रखा जाता है। प्रत्येक फोटोडायोड का अपना 3टी सर्किट होता है। प्रत्येक क्रमिक परत इसके नीचे की परत के लिए फिल्टर के रूप में कार्य करती है। जो क्रमिक परतों में अवशोषित प्रकाश के स्पेक्ट्रम को स्थानांतरित करती है। प्रत्येक स्तरित डिटेक्टर की प्रतिक्रिया को विसंक्रमित करके लाल, हरे और नीले संकेतों का पुनर्निर्माण किया जा सकता है।

सरणी

पिक्सेल की विशिष्ट द्वि-आयामी सरणी को पंक्तियों और स्तंभों में व्यवस्थित किया जाता है। किसी दी गई पंक्ति में पिक्सेल रीसेट लाइन साझा करते हैं। जिसमें बार में पूरी पंक्ति रीसेट हो जाए। पंक्ति में प्रत्येक पिक्सेल की पंक्ति चयन पंक्तियाँ साथ बंधी हुई हैं। किसी दिए गए कॉलम में प्रत्येक पिक्सेल के आउटपुट साथ बंधे होते हैं। चूंकि निश्चित समय में केवल पंक्ति का चयन किया जाता है। इसलिए आउटपुट लाइन के लिए कोई प्रतिस्पर्धा नहीं होती है। इसके अतिरिक्त एम्पलीफायर सर्किट्री सामान्यतः कॉलम के आधार पर होती है।

आकार

पिक्सेल सेंसर का आकार अधिकांशतः ऊंचाई और चौड़ाई में दिया जाता है। किन्तु ऑप्टिकल प्रारूप में भी इनका आकार सुनिश्चित किया जाता है।

पार्श्व और ऊर्ध्वाधर संरचनाएं

दो प्रकार के सक्रिय-पिक्सेल सेंसर (एपीएस) संरचनाएं हैं- पार्श्व एपीएस और लंबवत एपीएस।[1]एरिक फोसुम पार्श्व एपीएस को इस प्रकार परिभाषित करता है:

एक पार्श्व एपीएस संरचना को एक के रूप में परिभाषित किया गया है जिसमें पिक्सेल क्षेत्र का एक भाग फोटोडिटेक्शन और सिग्नल स्टोरेज के लिए उपयोग किया जाता है और दूसरा भाग सक्रिय ट्रांजिस्टर के लिए उपयोग किया जाता है। लंबवत एकीकृत एपीएस की तुलना में इस दृष्टिकोण का लाभ यह है कि निर्माण प्रक्रिया सरल है और अत्याधुनिक सीएमओएस और सीसीडी डिवाइस प्रक्रियाओं के साथ अत्यधिक संगत है।

फोसुम वर्टिकल एपीएस को इस प्रकार परिभाषित करता है:

एक ऊर्ध्वाधर एपीएस संरचना आउटपुट ट्रांजिस्टर के साथ सिग्नल चार्ज को स्टोर करके फिल-फैक्टर (या पिक्सेल आकार को कम करती है) को बढ़ाती है।


पतली-फिल्म ट्रांजिस्टर

एक दो-ट्रांजिस्टर सक्रिय/निष्क्रिय पिक्सेल सेंसर

एपीएस आर्किटेक्चर में बड़े क्षेत्र के डिजिटल एक्स-रे इमेजिंग, पतली पतली फिल्म वाला ट्रांजिस्टर (टीएफटी) जैसे अनुप्रयोगों के लिए भी प्रयोग किया जा सकता है। चूंकि सीएमओएस ट्रांजिस्टर की तुलना में टीएफटी के बड़े आकार और कम ट्रांसकंडक्शन लाभ के कारण स्वीकार्य स्तर पर छवि रिज़ॉल्यूशन और गुणवत्ता बनाए रखने के लिए कम ऑन-पिक्सेल टीएफटी होना आवश्यक है। दो-ट्रांजिस्टर एपीएस/पीपीएस आर्किटेक्चर को अनाकार सिलिकॉन टीएफटी का उपयोग करके एपीएस के लिए आशाजनक दिखाया गया है। दाईं ओर दो-ट्रांजिस्टर एपीएस आर्किटेक्चर में, TAMP दोनों Msf के कार्यों को एकीकृत करने वाले स्विच-एम्पलीफायर के रूप में उपयोग किया जाता है और Msel तीन-ट्रांजिस्टर एपीएस में प्रयोग किया जाता है। इसके परिणामस्वरूप प्रति पिक्सेल ट्रांजिस्टर की संख्या कम हो जाती है। इसके साथ पिक्सेल ट्रांसकंडक्शन लाभ भी बढ़ जाता है[33] और Cpix पिक्सेल स्टोरेज कैपेसिटेंस है और इसका उपयोग TAMP के गेट पर रीड की एड्रेसिंग पल्स को ऑन-ऑफ स्विचिंग के लिए और कैपेसिटिव कपल करने के लिए भी किया जाता है । ऐसे पिक्सेल रीडआउट सर्किट कम क्षमता वाले फोटोकंडक्टर डिटेक्टरों जैसे अनाकार सेलेनियम के साथ सबसे अच्छा काम करते हैं।

डिज़ाइन वेरिएंट

कई अलग-अलग पिक्सेल डिज़ाइन प्रस्तावित और निर्मित किए गए हैं। मानक पिक्सेल सक्रिय पिक्सेल के लिए सबसे कम तारों और सबसे कम, सबसे कसकर भरे हुए ट्रांजिस्टर का उपयोग करता है। यह महत्वपूर्ण है कि पिक्सेल में सक्रिय सर्किट्री फोटोडेटेक्टर के लिए अधिक जगह की अनुमति देने के लिए जितना संभव हो उतना कम स्थान ले। हाई ट्रांजिस्टर काउंट फिल फैक्टर को हानि पहुंचाता है अर्थात पिक्सेल क्षेत्र का प्रतिशत जो प्रकाश के प्रति संवेदनशील है। शोर में कमी या कम छवि अंतराल जैसे वांछनीय गुणों के लिए पिक्सेल आकार का व्यापार किया जा सकता है। शोर त्रुटिहीन का उपाय है। जिसके साथ आपतित प्रकाश को मापा जा सकता है। लैग तब होता है, जब पिछले फ्रेम के निशान भविष्य के फ्रेम में रहते हैं अर्थात पिक्सेल पूरी तरह से रीसेट नहीं होता है। सॉफ्ट-रीसेट (गेट-वोल्टेज रेगुलेटेड) पिक्सेल में वोल्टेज नॉइज़ वेरिएंस होता है। किन्तु इमेज लैग और फिक्स्ड पैटर्न नॉइज़ की समस्या हो सकती है। आरएमएस इलेक्ट्रॉनों में शोर है। .

हार्ड रीसेट

हार्ड रीसेट के माध्यम से पिक्सेल को संचालित करने से के फोटोडायोड पर जॉनसन-निक्विस्ट शोर होता है या । किन्तु इमेज लैग को रोकता है। कभी-कभी वांछनीय ट्रेडऑफ़ हार्ड रीसेट का उपयोग करने का विधि Mrst को बदलना है। पी-प्रकार ट्रांजिस्टर के साथ और आरएसटी सिग्नल की ध्रुवीयता को उल्टा कर दें। पी-टाइप डिवाइस की उपस्थिति भरण कारक को कम करती है क्योंकि पी- और एन-डिवाइस के बीच अतिरिक्त स्थान की आवश्यकता होती है। यह रीसेट ट्रांजिस्टर को ओवरफ्लो एंटी-ब्लूमिंग ड्रेन के रूप में उपयोग करने की संभावना को भी हटा देता है। जो कि एन-टाइप रीसेट एफईटी का सामान्य रूप से उपयोग किया जाने वाला लाभ है। हार्ड रीसेट प्राप्त करने का दूसरी विधि एन-टाइप एफईटी के साथ VRST के वोल्टेज को कम करना है। आरएसटी के ऑन-वोल्टेज के सापेक्ष यह कमी हेडरूम या फुल-वेल चार्ज क्षमता को कम कर सकती है। किन्तु भरण कारक को प्रभावित नहीं करती है। जब तक कि VDD इसके बाद इसके मूल वोल्टेज के साथ अलग तार पर रूट किया जाता है।

हार्ड और सॉफ्ट रीसेट का संयोजन

फ़्लश रीसेट, छद्म-फ़्लैश रीसेट और हार्ड-टू-सॉफ्ट रीसेट जैसी तकनीकें सॉफ्ट और हार्ड रीसेट को जोड़ती हैं। इन विधियों का विवरण भिन्न है। किन्तु मूल विचार ही है। सबसे पहले हार्ड रीसेट किया जाता है और इमेज लैग को खत्म किया जाता है। अगला सॉफ्ट रीसेट किया जाता है। जिससे बिना किसी अंतराल के कम शोर रीसेट हो जाता है।[34] छद्म-फ्लैश रीसेट के लिए VRST को VDD से अलग करने की आवश्यकता होती है। जबकि अन्य दो तकनीकें अधिक जटिल कॉलम सर्किटरी जोड़ती हैं। विशेष रूप से छद्म-फ्लैश रीसेट और हार्ड-टू-सॉफ्ट रीसेट दोनों पिक्सेल बिजली की आपूर्ति और वास्तविक VDD के बीच ट्रांजिस्टर जोड़ते हैं। परिणाम भरण कारक को प्रभावित किए बिना कम हेडरूम है।

सक्रिय रीसेट

एक अधिक रेडिकल पिक्सेल डिज़ाइन सक्रिय-रीसेट पिक्सेल है। सक्रिय रीसेट के परिणामस्वरूप शोर का स्तर बहुत कम हो सकता है। ट्रेडऑफ़ जटिल रीसेट योजना है। इसके साथ ही साथ या तो बहुत बड़ा पिक्सेल या अतिरिक्त कॉलम-स्तरीय सर्किट्री है।

यह भी देखें

संदर्भ

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