Was sind Pixel? Wie sind sie aufgebaut? Wenn Sie solche Fragen haben, finden Sie die Antworten auf dieser Website – lesen Sie gerne nach! Falls Sie mehr über den gesamten Bildsensor erfahren möchten, finden Sie die entsprechenden Informationen im folgenden Artikel. Schauen Sie dort ebenfalls vorbei!
Was sind also Pixel? Einfach gesagt, ein Pixel ist der Bereich, der Licht in elektrische Ladung umwandelt. Dieser Vorgang wird als Photoelektrische Umwandlung bezeichnet. Im unten gezeigten Bild ist ein einzelnes Pixel rot umrandet.
Ein einzelnes Pixel misst lediglich die Helligkeit eines Punktes. Wenn jedoch viele Pixel in einem Array angeordnet werden, können sie zusammen ein vollständiges Bild erzeugen.
Es gibt zwei Hauptarten von Pixelstrukturen: die 3-Transistor-Pixelstruktur und die 4-Transistor-Pixelstruktur. Im Folgenden werden wir diese beiden Pixelstrukturen näher erläutern.
3-Transistor-Pixelstruktur
Zunächst einmal geht es um die 3-Transistor-Pixelstruktur. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um eine Pixelstruktur, die drei Transistoren verwendet. Diese Struktur ermöglicht eine einfache Steuerung des Pixels durch die drei Transistoren, was zu einer effektiven und kostengünstigen Lösung für die Bildsensor-Technologie führt.
Die drei Transistoren, aus denen die Struktur besteht, sind der Reset-Transistor, der Zeilenwahl-Transistor und der Verstärkungs-Transistor. Der grundlegende Ablauf dieser Pixelstruktur ist folgender: Wenn Licht auf die Photodiode (PD) trifft, wird durch die photoelektrische Umwandlung eine elektrische Ladung erzeugt. Diese Ladung wird in der Photodiode gespeichert, wodurch sich die Spannung der PD verändert. Die Spannung der PD wird dann durch eine Quellenfolger-Schaltung als Vsig ausgelesen. Anschließend wird der Reset-Transistor eingeschaltet, um die Photodiode zurückzusetzen, und der unmittelbar darauf folgende Spannungswert wird als Vrst erfasst. Der Unterschied zwischen diesen beiden Signalen kann verwendet werden, um das Fixed-Pattern-Noises zu eliminieren.
Ein Problem dieser Pixelstruktur ist jedoch, dass Vsig zuerst erfasst wird, bevor Vrst erfasst wird. Da diese beiden Signale keine Korrelation aufweisen, kann das Reset-Rauschen nicht eliminiert werden.
4-Transistor-Pixelstruktur
In der 3-Transistor-Pixelstruktur gab es das Problem, dass das Reset-Rauschen nicht entfernt werden konnte. Um dieses Problem zu lösen, wurde die 4-Transistor-Pixelstruktur entwickelt. Wie der Name schon sagt, verwendet diese Struktur vier Transistoren. Es handelt sich dabei um eine erweiterte Version der zuvor beschriebenen 3-Transistor-Pixelstruktur, bei der zusätzlich ein Transfer-Gate (TX) und eine Floating-Drain-Schicht (FD) hinzugefügt wurden.
Die Funktionsweise dieser Pixelstruktur ist wie folgt: Bei einfallendem Licht wird elektrische Ladung in der Photodiode (PD) gespeichert. Dabei werden durch Einschalten des Reset-Transistors die Rauschkomponenten, die in der Floating-Drain-Schicht (FD) gespeichert sind, entfernt. Die Spannung der FD unmittelbar nach dem Reset wird als Vrst gelesen. Anschließend wird die Signal-Ladung, die in der PD gespeichert ist, durch Einschalten des Transfer-Gates (TX) auf die FD übertragen. Durch die Signal-Ladung verändert sich die Spannung der FD, und sie wird als Vsig ausgelesen. Der Unterschied zwischen Vsig und Vrst wird dann genutzt, um das Signal auszugeben.
In der zuvor beschriebenen 3-Transistor-Pixelstruktur konnte Vrst erst im nächsten Frame erfasst werden, wodurch keine Korrelation zwischen Vsig und Vrst bestand. In der 4-Transistor-Pixelstruktur hingegen wird Vrst zuerst erfasst, sodass sowohl Vrst als auch Vsig denselben Reset-Rauschanteil haben. Dadurch kann durch den Unterschied zwischen den beiden Spannungen das Reset-Rauschen erfolgreich entfernt werden.
Die 4-Transistor-Pixelstruktur ermöglicht außerdem den Einsatz von eingebetteten Photodioden. Diese Technologie, die ursprünglich in CCDs verwendet wurde, fand auch ihren Weg in CMOS-Bildsensoren (eine große Erfindung). Durch den Einsatz dieser Struktur konnte die Bildung von Dunkelströmen auf der Oberfläche der PDs reduziert werden, was zu einer weiteren Reduzierung des Rauschens in CMOS-Bildsensoren führte.
Zusammenfassung
Hier ist eine Zusammenfassung des Artikels:
Q. Was ist ein Pixel?
A. Der Teil im Bildsensor, der die photoelektrische Umwandlung vornimmt.
Q. Was ist der Unterschied zwischen 3-Transistor- und 4-Transistor-Pixeln?
A. Der 4-Transistor-Pixel ist eine Erweiterung des 3-Transistor-Pixels, bei dem ein Transfer-Gate hinzugefügt wurde. Der Unterschied besteht darin, ob die Spannung direkt von der PD erfasst wird oder nach der Übertragung auf die FD.
Vielen Dank, dass Sie bis hierher gelesen haben.
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