Componentes eletrônicos, Eletrônica, Instrumentação, Luz, Mecânica quântica, Semicondutores, Sensores

Como funciona o sensor CCD?

O CCD é um dispositivo de carga acoplada. Este sensor de luz é muito usado para obter imagens em câmeras digitais, telescópios e smartphones.

Captando a luz e convertendo-a em sinais elétricos

O chip CCD é uma matrix de sensores fotoelétricos, que convertem a luz em sinais elétricos, que são amplificados e convertidos em sinais digitais por um conversor analógico-digital (CAD).

Estrutura do chip CCD

Um substrato de silício dopado do tipo p, que tem falta de elétrons. Em cima deste substrato, há uma camada de espessura menor de silício do tipo n dopado com fósforo, para ter excesso de elétrons. A superfície é dividida em canais isolantes (channel stops), feitos de silício com alta concentração de boro. Uma reação de oxidação cria uma camada de óxido de silício (SiO_{2}) sobre a superfície. Perpendicular aos canais isolantes, são colocados eletrodos feitos de alumínio ou polisilício.

estrutura do CCD
O ITO (óxido de estanho de índio) é um condutor transparente que também pode ser usado como eletrodo. Um pixel é demarcado por dois canais de isolamento e 3 eletrodos. Fonte: Wikimedia.
microlentes no CCD
O chip CCD pode ser equipado com microlentes para concentrar a luz no fotodiodo, aumentando a sensibilidade do sensor. Fonte: Hamamatsu.

A área de um pixel de CCD é na escala de micrômetros. 1 micrômetro é 1\cdot 10^{-6} ou 0,000001 metros.

O efeito fotoelétrico

Este é o fenômeno por trás do funcionamento do sensor CCD. Quando um fóton, partícula de luz, incide sobre uma superfície metálica, um elétron é emitido da superfície.

efeito fotoelétrico
O efeito fotoelétrico também acontece com não metais. Fonte: Blog de Moderna.

Para haver emissão de elétrons, a frequência da luz (f) deve ser igual ou maior que uma frequência de corte, o qual depende do material onde incide a luz. A equação da energia (E) de um fóton.

E=hf

Onde h é a constante de Planck, cujo valor é 6,63\cdot 10^{-34}J\cdot s ou 4,14\cdot 10^{-15}eV\cdot s.

Este efeito não pode ser explicado pela física clássica, que considera a luz apenas como uma onda eletromagnética. De acordo com a física clássica, maior intensidade da luz faria com que os elétrons ejetados tivessem maior energia e qualquer luz de qualquer frequência ejetaria elétrons da superfície. Na prática, isto não acontece, o efeito fotoelétrico não depende da intensidade da luz e nem do tempo em que o material fica exposto à luz. Esta é a equação do efeito fotoelétrico, que é uma aplicação da Lei da Conservação de Energia.

hf=K_{max}+\Phi

  • \Phi é a função trabalho, em elétron-volt, depende do material.
  • K_{max} é a energia cinética máxima do elétron emitido, cuja equação é:

K_{max}=eV_{corte}

Onde e é a carga do elétron e V_{corte} é o potencial de corte, quanto maior a frequência, maior o V_{corte}.

O que acontece quando a luz incide sobre o pixel?

O eletrodo, a camada de SiO_{2} e o silício dopado formam um capacitor MOS (metal, óxido e semicondutor), que armazena cargas elétricas. Quando uma tensão positiva é aplicada no eletrodo (Gate), o campo elétrico gerado atrai elétrons e repele lacunas, espaços vazios que têm carga positiva pois não há elétrons, criando um poço de potencial logo abaixo da camada de silício do tipo n (n-Channel).

Quando os fótons (Photons) chegam no pixel, a energia destes é absorvida e pares elétron-lacuna são criados. Estes elétrons emitidos são confinados no poço de potencial (Potential Well). Fonte: Quora.

Quanto maior a intensidade da luz, maior o número de elétrons gerados, até chegar a um certo limite, quando o poço de potencial atinge a saturação. Os eletrodos recebem vários sinais de clock em sequência, para transferir os poços de potencial com elétrons para o registrador de deslocamento horizontal. Em seguida, o sinal resultante na saída é amplificado e convertido de analógico para digital.

transferência de carga no CCD
A transferência de carga em uma coluna no chip CCD, de (A) a (F). Fonte: (Hui, 2020).
matriz do sensor CCD
Cada coluna de pixels possui um registrador de deslocamento vertical (vertical shift register), cuja função é transferir os pacotes de carga elétrica até o registrador de deslocamento horizontal (horizontal shift register). Fonte: All about circuits.

Detectando cores

Se o sensor CCD mede somente a intensidade da luz, como as cores são produzidas? Entre a lente e o chip CCD, é utilizado um filtro de Bayer.

filtro de bayer
O filtro de Bayer é dividido em várias máscaras ou microlentes, as quais passam as três cores primárias: vermelho, verde ou azul. Fonte: Aperture Buzz.

Cada máscara colorida fica sobre um pixel. A intensidade da luz é medida em um pixel central e nos adjacentes e, um algoritmo estima a cor exata no local. O filtro segue o padrão de 2 máscaras verdes para uma azul e uma vermelha, pois o olho humano é mais sensível à cor verde do que às outras cores primárias.

Liked it? Take a second to support Electrical e-Library on Patreon!

About Pedro Ney Stroski

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *