di  -  mercoledì 13 gennaio 2010

La scorsa settimana abbiamo introdotto l’argomento sensori digitali, parlando in generale della loro funzione e introducendo alcuni elementi architetturali nonchè una prima distinzione tra tipologie di sensori.

Oggi vorrei iniziare ad approfondire l’argomento su alcuni degli elementi base che compongono la struttura di un sensore digitale. Abbiamo detto che lo scopo di un sensore è quello di catturare luce e trasformarla in un segnale elettrico che possa essere letto e interpretato da un processore che ha il compito di trasformare l’insieme dei segnali ricevuti in un’immagine.

Per svolgere questo compito, un sensore, di qualunque tipo esso sia, deve essere dotato di elementi che gli permettano di ricevere la radiazione luminosa. L’elemento più semplice atto a svolgere questa funzione è il cosiddetto fotodiodo.

Per capire come funziona un fotodiodo è opportuno fare una breve digressione sulla giunzione p-n. Questo è un argomento che si sarebbe potuto trattare anche a sé stante ma, probabilmente, ciò avrebbe interessato solo gli appassionati di fisica e di elettronica e un po’ meno la stragrande maggioranza dei potenziali lettori di questo blog. Così ne parliamo in quest’ambito, in maniera il più possibile semplificata e breve.

Iniziamo col dire che i materiali, dal punto di vista delle proprietà elettriche si dividono in isolanti, semiconduttori e conduttori. Ogni materiale, di qualunque natura, può essere schematizzato nel modo seguente

livelli energetici e gap

dove Ev indica il limite superiore della banda di valenza (ossia rappresenta il livello energetico più alto degli elettroni di un atomo quando non sono sottoposti ad eccitazione) ed Ec quello inferiore della banda di conduzione (il livello energetico più basso degli elettroni eccitati e, di conseguenza, strappati ai rispettivi nuclei). Questo perchè (e qui rischio di sconfinare nella materia della brava Eleonora), la struttura atomica prevede la presenza di orbitali che sono livelli energetici permessi, ovvero in cui è possibile trovare gli elettroni, inframezzati da bande proibite definite gap che rappresentano livelli energetici in cui è impossibile trovare elettroni.

Un elettrone, ad esempio, dell’orbitale 1S dell’atomo di idrogeno, può saltare, se eccitato, nell’orbitale 2S, che rappresenta il livello energetico immediatamente superiore, ma non potrà mai trovarsi nella banda posta tra i due orbitali. Chiudo questa breve digressione prima che si scateni l’istinto di fare una trattazione di fisica quantistica (materia che, all’università, ho adorato) e torno a parlare delle proprietà dei materiali.

Tornando alla schematizzazione precedente, vediamo in cosa si differenziano un conduttore, un isolante ed un semiconduttore. Un qualunque reticolo cristallino è schematizzabile con una distribuzione periodica tridimensionale di atomi; questi atomi sono tenuti insieme da legami in cui entrano in gioco gli elettroni degli orbitali più esterni

reticolo cristallino

La differenza principale tra un conduttore, un semiconduttore ed un isolante risiede nella forza con cui questi elettroni sono trattenuti dai nuclei degli atomi di appartenenza o, come si dice in gergo, nel potenziale di ionizzazione dei singoli atomi. I conduttori, tipicamente metalli che si trovano sulla sinistra della tavola periodica, sono elementi più portati a cedere elettroni, motivo per cui i legami metallici sono caratterizzati da un elevato numero di elettroni in banda di conduzione (non vi sto a tediare con tipi di legami, ibridizzazione, ecc.).

Si può dire che, tornando alla figura che riporta lo schema a bande, in un conduttore il fondo delle banda di conduzione e il limite superiore di quella di valenza finiscono quasi  con il sovrapporsi, facilitando il trasferimento degli elettroni dalla seconda alla prima. La differenza tra un semiconduttore ed un isolante, invece, è nella misura del gap tra le due bande che nell’isolante è molto maggiore, rendendo, di fatto, impossibile il trasferimento degli elettroni nella banda di conduzione (gli elettroni sono fortemente legati ai propri nuclei).isolante e semiconduttore

In un semiconduttore, la banda proibita è di dimensioni tali da permettere il passaggio di elettroni, opportunemente eccitati, dalla banda di valenza a quella di conduzione; l’ampiezza del gap varia con la temperatura e, nello specifico, diminuisce all’aumentare della temperatura; in altre parole, all’aumentare della temperatura aumenta l’attitudine degli elettroni a passare nella banda di conduzione, ossia ad essere allontanati dai nuclei, per semplice agitazione termica.

Per migliorare questa attitudine, si introducono delle impurità all’interno della struttura cristallina. Consideriamo, a titolo di esempio, semicondutottori  del IV gruppo (Si o Ge), che hanno 4 elettroni di valenza nell’orbitale più esterno e quindi sono portati a creare 4 legami di tipo covalente o ionico con altri atomi; introducendo atomi “pentavalenti”, ossia con 5 elettroni disponibili a creare legami, ogni atomo drogante si lega con 4 atomi di Si o Ge e  “rende disponibile” un elettrone. Si viene, così, a creare un eccesso di cariche negative che favorisce il meccanismo della conduzione.

Analogamente, l’introduzione di atomi “trivalenti” crea un eccesso di lacune; il primo tipo si dice di tipo n, il secondo di tipo p. Di fatto, un elemento drogante di tipo n introduce un livello popolato poco al di sotto del fondo della banda di conduzione, mentre un drogante di tipo p ne introduce uno poco al di sopra della banda di valenza. Questo favorisce, nel primo caso, il passaggio di elettroni in banda di conduzione e, nel secondo, la cattura di elettroni dalla banda di conduzione assimilabile al passaggio di lacune in banda di valenza).

Effettuare un drogaggio sia di tipo n che di tipo p permette di creare una giunzione p-n. Questo elemento è alla base di tutta l’elettronica che conosciamo. In una giunzione p-n avviene che le cariche di un segno migrino verso la zona di segno opposto per diffusione fino al raggiungimento dell’equilibrio (che avviene in tempi piuttosto brevi). All’equilibrio si ha la situazione schematizzata in figura

zona di svuotamento

dove la zona tratteggiata è chiamata zona di svuotamento ed è caratterizata dalla presenza di lacune nella parte con drogaggio di tipo n e di elettroni in quella con drogaggio di tipo p. Come detto, il gap e quindi la possibilità che gli elettroni passino in banda di conduzione, variano con la temperatura, motivo per cui un dispositivo a semiconduttore, a temperature diverse dallo zero assoluto, presenterà sempre una seppur minima conducibilità.

Un dispositivo in cui sono accoppiate una zona p ed una n è detto diodo. Un dispositivo in cui si accoppiano due giunzioni p-n (una p-n-p o una n-p-n) è detto transistor.

Questa digressione sarà utile, per chi non avesse dimestichezza con gli elementi basilari dell’ettronica, a capire cosa è un fotodiodo o un fototransistor e come funzionano.

Prendiamo ora, una giunzione p-n e polarizziamola inversamente (ossia applichiamo una differenza di potenziale con il “positivo” rivolto verso il lato n), come mostrato in figura

giunzione p-n polarizzazione inversa

In questa situazione abbiamo un campo elettrico nella zona di svuotamento, dovuto alle cariche minoritarie (lacune nella parte n ed elettroni in quella p) ed uno esterno. Nella zona di svuotamento, le lacune presenti sulla destra (lato n) tendono ad attirare gli elettroni del lato n che, però, sono respinti dagli elettroni presenti nella parte sinistra della zona di svuotamento.

Il campo esterno agisce in modo tale da attirare gli elettroni presenti sulla destra e respingere quelli presenti a sinistra. Questi due campi, sommati, allargano la zona di svuotamento e fanno si che la conduzione avvenga, in pratica, solo grazie alla presenza dei portatori minoritari da entrambi i lati della giunzione, gli unici che, a temperature diverse dallo zero assoluto, riescono a passare in un verso o nell’altro.

Questa piccola componente di corrente ha una stretta correlazione con la temperatura: l’agitazione termica eccita gli elettroni e crea coppie elettrone-lacuna che fluiscono attraverso la giunzione.Se introduciamo una fonte di eccitazione maggiore, possiamo incrementare questo flusso di corrente. In pratica, questo è quello che succede in un fotodiodo: la radiazione luminosa passa attraverso una parete trasparente (solitamente si utilizzano delle lenti per focalizzare la luce) e lo colpisce facendo saltare un maggior numero di elettroni nella banda di conduzione.

fotodiodo

La corrente che fluisce dà la misura della radiazione luminosa incidente a meno della componente dovuta all’agitazione termica di cui si è parlato in precedenza (corrente di buio). La corrente di buio (o corrente termica), in un fotodiodo è dell’ordine dei nA e rappresenta una delle componenti di rumore di un sensore digitale.

Un fototransistor si basa su un principio analogo a quello del fotodiodo; il suo simbolo circuitale è il seguente,

fototransistor

Come si vede dallo schema, il principio di funzionamento è quello di un transistor a giunzione, in cui la corrente elettrica di base che modula quella che scorre tra collettore ed emettitore è determinata dalla radiazione luminosa incidente sulla stessa base. Rispetto al fotodiodo, il fototransistor ha una corrente di uscita pari alla somma di Ib (corrente di base), equivalente alla corrente generata nel fotodiodo dalla luce incidente, sommata alla dark current e moltiplicata per il guadagno del transistor.

Appare chiaro che il fototransistor ha correnti di uscita decisamente superiori rispetto  a quelle di un fotodiodo; diciamo se un fotodiodo ha correnti d’uscita dell’ordine dei microA un fototransistor può averle dell’ordine dei mA. Il contro è dato dai tempi di risposta che presentano differenze comparabili a parti invertite, ossia se un fotodiodo ha tempi di commutaizione saturazione-interdizione dell’ordine di qualkche ns, per un fototransistor parliamo di micro secondi.

In basso sono riportati gli schemi di base di un collettore di luce basato su fotodiodo e su fototransistor rispettivamente (il secondo ha un circiuto più complesso e, di conseguenza, nell’ottica di un utilizzo su un sesnore di fotocamera o videocamera di tipo front illuminated, si deve tener conto della maggior superficie occupata dai circuiti elettrici

photocollector con fotodiodo photocollector con fototransistor

Il passo successivo sarà quello di vedere, la prossima settimana, come questi dispositivi sono integrati in una matrice di elementi fotosensibili e collegati elettricamente tra di loro ed ad altri elementi posti all’interno di un apparecchio per la  cattura delle immagini.

17 Commenti »

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  • # 1
    Ciano
     scrive: 

    Le giunzioni PN sono spiegate meglio quì che nel’libro di elettronica che usavo alle superiori.
    In più qui si trattano anche BJT, foto diodi e foto transistor.

  • # 2
    v1
     scrive: 

    ottimo!
    purtroppo però suppongo che un simile articolo non sia molto comprensibile a chi non sia già preparato sull’argomento.. quindi chi già “sa”, legge un veloce ripasso, chi non sa rimane disorientato e desiste dalla lettura. speriamo che almeno qualcuno si sia incuriosito e abbia deciso d’approfondire.

  • # 3
    yossarian (Autore del post)
     scrive: 

    @ v1

    vero, però non mi sembrava il caso di affrontare il discorso sui sensori digitali senza un’infarinatura sulle giunzioni p-n i fotodiodi e i fototransistor che sono tra gli elementi ptincipali di una matrice di fotorecettori. Capisco che l’argomento è piuttosto ostico, per questo motivo non ne ho fatto un capitolo a parte, evitando gli approfondimenti, le formule ed i tecnicismi.

    @ Ciano

    Grazie, mi fa piacere che tu apprezzi questo tipo di articoli.

  • # 4
    v1
     scrive: 

    ti posso chiedere l’indirizzo del tuo blog personale yossarian?
    mi pare d’esserci capitato una volta ma ora non lo riesco a ritrovare. grazie

  • # 5
    yossarian (Autore del post)
     scrive: 

    @ v1

    non ho un blog personale; probabilmente sei finito su quello di un mio omonimo.

  • # 6
    marco
     scrive: 

    Ottimo articolo. Ho rinverdito i ricordi di fisica e chimica delle superiori! Complimenti. Condivido sul fatto che sia un articolo di nicchia ma che diamine, anche noi “tecnofili” vogliamo la nostra parte :D

  • # 7
    Fede
     scrive: 

    all’autore yossarian:

    Un bell’articolo ma è poco digeribile per molti, dove dovevi essere più preciso è proprio nella parte della struttura atomica della materia se questa parte nn viene spiegata bene il resto risulta a molti incomprensibile …. dovevi spiegare a parole semplici ma in dettaglio il fatto che le energie coinvolte nel moto orbitale degli elettroni intorno al nucleo sono l’energia cinetica (di movimento), l’energia potenziale gravitazionale (di posizione) e l’energia potenziale elettrica (dovuta alla mutua interazione tra gli elettroni carichi negativamente e i protoni nel nucleo carichi positivamente) poi in parole semplice dovevi dire che le precedenti energie sono tutte e solo quelle coinvolte nel moto degli eletroni andando quindi a scrivere l’equazione della conservazione dell’energia si trova che la fibra di zero è uno spazio discontinuo ovvero le orbite di equilibrio degli elettroni sono discontinue ossia quantizzate, da tutti questo si capisce senza difficoltà cosa succede se ad un elettrone aggiungiamo energia dall’esterno, è ovvio deve saltare in orbite più esterne ma più è distante dal nucleo e più l’interazione elettrica è debole (va inversamente proporzionale al quadrato della distanza) ergo che gli eletroni nelle orbite più esterne sotto l’azione di campi elettrici esterni si staccano facilmente dalla strutturta atomica e in base all’energia che occore per far staccare gli ellettroni si trova che la materia dal punto di vista elettrico è divisa in tre fasce, conduttori, semiconduttori e isolanti … e poi …. bla bla bla … segue il resto dell’articolo.

    Ad ogni modo complimenti

  • # 8
    yossarian (Autore del post)
     scrive: 

    @ Fede

    hai ragione, ma ho dovuto fare una scelta tra l’essere più rigoroso, prolisso e tecnico ed il tentare di essere un po’ più divulgativo. Ho scelto una via di mezzo più tendente alla seconda, tagliando diverse cose.
    Lo scopo era solo tentare di introdurre il discorso sulla struttura atomica (che in effetti potrebbe essere più un argomento per la rubrica di Eleonora Presani) per passare a parlare un po’ più diffusamente, della giunzione p-n (e anche qui ho tagliato diverse cose), con particolare riferimento a fotodiodi e fototransistor.
    Il tutto per introdurre il discorso sull’architettura dei sensori digitali.
    In ogni caso, grazie per le precisazioni

  • # 9
    Fede
     scrive: 

    sempre a yossarian:

    dai fotodiodi di un sensore non escono affatto segnali elettrici al più vengono accumulate cariche elettriche grazie al fenomeno fotoelettrico ampiamente studiato da udidite udite Einstein ed è grazie e solo a questi studi che Einstain è stato premiato con il premio nobel (le sue relatività ristretta e generale covavano dentro i suoi cassetti e in quelli di altri luminari della fisica ma nessuno ci credeva perché le sue teorie relativfistiche erano difficilmente riproducibili in laboratorio e quindi verificabili con metodo scientifico)

  • # 10
    yossarian (Autore del post)
     scrive: 

    la generazione di cariche elettriche equivale a quella di un segnale elettrico. Un segnale elettrico è costituito da una qualunque variazione di tensione o di corrente in un circuito o in parte di esso, che sia in grado di veicolare un’informazione.
    Una carica elettrica, generata da un fotone, e accumulata all’interno di un registro, comporta una variazione di corrente all’interno di un circuito ed è in grado di veicolare un’informazione.
    Questa è una prova dell’efetto fotoelettrico. Il risultato è registrato da un amperometro.

    http://ww2.unime.it/dipfisica/laboratorio_di_fisica/Effetto_fotoelettrico1.htm

  • # 11
    yossarian (Autore del post)
     scrive: 

    @ Fede

    un segnale elettrico non è altro che una variazione di corrente o di tensione in un conduttore o in parte di un circuito in grado di trasferire un’informazione.
    Un fotodiodo ha una corrente di uscita rappresentata dal flusso di elettroni prodotti da dark current e radiazione incidente. Quindi l’effetto fotoelettrico genera degli elettroni che venngono accumulati all’interno di un buffer o elaborati (a seconda del tipo di sensore) ma questo flusso di elettroni costituiscono, comunque, una variazione del flusso di corrente di uscita di un fotodiodo e sono in grado di trasmettere un’informazione (lo scopo è proprio quello) e, pertanto, rientrano a pieno titolo tra i segnali elettrici.

  • # 12
    pleg
     scrive: 

    @fede

    I miei studi di MQ sono ormai vecchi e dimenticati, ma non mi pare che questo sia un effetto fotoelettrico: l’effetto fotoelettrico comporta l’emissione di elettroni da una superficie, mentre qui si parla semplicemente di promozione dei portatori in banda di conduzione.

  • # 13
    Fede
     scrive: 

    @ yossarian

    Perfetto come ti sei espresso in #10, era proprio quello che volevo sentire ci tenevo comunque che scrivessi dell’accumulo di cariche in un buffer

  • # 14
    Fede
     scrive: 

    @ pleg

    non capisco cosa sia MQ ad ogni modo nei sensori delle fotocamere digitali viene sfruttato proprio l’effetto fotoelettrico la luce colpisce i fotodiodi del sensore ed il sensore eroga un quantitativo di cariche elettriche negative (insomma gli elettroni) che sono proporzionali all’intensità della radiazione incidente non ti sembra che inaltre parole quello che ho scritto è sostanzialmente la stessa cosa di quello che hai scritto te?

  • # 15
    Fede
     scrive: 

    @pleg

    del resto se ci pensi nel termine fotoelettrico ossia foto+elettrico sta per luce (dal greco) e elettrico sta per elettroni (dal greco ambra si perchè l’elettricità è nata dagli studi sul comportamento dell’ambra quando questa veniva strofinata)

  • # 16
    pleg
     scrive: 

    MQ = meccanica quantistica

    No, non sono la stessa cosa: l’effetto fotoelettrico prevede l’_emissione_ di elettroni, cioe’ essi abbandonano il materiale (soprattutto metallico). Qui invece gli elettroni non abbandonano il reticolo cristallino, cambiano solo banda energetica (e per questo hai bisogno di semiconduttori: i metalli non hanno delle bande come queste).
    Le cariche vengono poi estratte tramite conduzione.

  • # 17
    Fede
     scrive: 

    @ Pleg

    L’effetto fotoelettrico non è così complicato come dici te, è semplicemente il fenomeno per il quale un atomo colpito da una radiazione elettromagnetica come la luce libera eletroni dalle proprie orbite di equilibrio ossia la radiazione elettomagnetica somma all’energia totale dell’elettrone un quantitativo di energia, allora l’elettrone salta in un’orbita più esterna che è compatibile con la nuova configurazione energetica di equilibrio dell’elettrone, è chiaro poi negli atomi dei metalli gli elettroni nelle orbite più esterne sono poco vincolati ed ecco che con una radiazione elettromagnetica si riesce a strappare elettroni dalla struttura
    Insomma il fenomeno fotoelettrico è una cosa che non ha nulla a che fare con il fatto che esistono atomi dai quali è più facile strappare elettroni ed atomi dai quali è difficilissimo strappare elettroni almeno che non si psendi molta energia

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