Zusammenfassung: Die digitale Spiegelreflexkamera Nikon D2H verwendet einen neuartigen Festkörperbildsensor, den LBCAST-JFET. Dieser Sensor zeichnet sich durch signifikante Verbesserungen im Ausleseverfahren und der internen Struktur aus und bietet im Vergleich zu CCD- und CMOS-Bildsensoren Vorteile wie sofortige Betriebsbereitschaft, hohe Empfindlichkeit, hohe Auflösung, geringen Stromverbrauch, hohe Ausbeute und geringes Rauschen. Schlüsselwörter: LBCAST-JFET, Bildsensor, XY-Adressierung, Pixelumschaltung, Farbtrennung, Rauschen. Einleitung: Bis Ende 2003 wurden Festkörperbildsensoren in CCD- und CMOS-Sensoren unterteilt. Ende 2003 schrieb die japanische Nikon Corporation jedoch Geschichte, indem sie in ihrer im Juli 2003 erschienenen digitalen Spiegelreflexkamera D2H einen neuartigen LBCAST-JFET-Bildsensor (Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array Junction Field Effect Transistor) einsetzte. Dieser Sensor vereint CCD- und CMOS-Technologien und demonstriert eindrucksvoll die Vorteile des geringen Stromverbrauchs von CMOS und der hohen Datenauslesegeschwindigkeit von CCD. Seine Abmessungen betragen 23,3 mm × 15,5 mm, die Diagonale 28,4 mm, die Gesamtpixelanzahl 4,26 Millionen (2560 × 1664), die effektive Pixelanzahl 4,1 Millionen und der Pixelabstand 9,4 μm. JFETs und MOSFETs werden hauptsächlich in Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs) und Isolierte-Gate-Feldeffekttransistoren (IGFETs, aufgrund ihres Aluminium-Gates oft auch MOSFETs genannt) unterteilt. Sie zeichnen sich durch Vorteile wie hohe Eingangsimpedanz, geringes Rauschen, niedrigen Stromverbrauch, hohe thermische Stabilität und starke Strahlungsbeständigkeit aus. Der Unterschied liegt in ihren grundlegend verschiedenen Leitungsmechanismen und Stromregelungsprinzipien. JFETs nutzen die Änderung der Breite der Verarmungszone, um die Breite des leitenden Kanals zu verändern und so den Drainstrom zu steuern. MOSFETs hingegen nutzen den elektrischen Feldeffekt an der Halbleiteroberfläche und die Menge der induzierten Ladung, um den leitenden Kanal zu verändern und den Strom zu steuern. Auch ihre Eigenschaften unterscheiden sich: JFETs werden häufig in der Eingangsstufe (Vorverstärkerstufe) von Leistungsverstärkern eingesetzt, während MOSFETs in der Endstufe (Ausgangsstufe) verwendet werden. Unter bestimmten Betriebsbedingungen ist der Eingangswiderstand des MOSFET jedoch nicht ausreichend, um die Anforderungen zu erfüllen. Darüber hinaus sinkt der Widerstand bei hohen Betriebstemperaturen aufgrund des erhöhten Sperrstroms am PN-Übergang deutlich, und auch der Drainstrom steigt. 2 Eigenschaften des LBCAST-JFET Im Wettbewerb um Bildsensoren mit hoher Bandbreite und geringem Stromverbrauch haben CMOS-Bildsensoren gegenüber CCDs Designvorteile gezeigt: geringe Größe, niedrige Systemkosten und geringer Stromverbrauch bei gleichbleibender Produktqualität. Allerdings hat sich Rauschen zum größten Hindernis für den Erfolg von CMOS entwickelt, was zu einer Verringerung der Bildqualität führt. Dies ist auch einer der Gründe, warum das Rauschproblem gelöst werden muss. Der LBCAST-JFET bietet viele Vorteile, die sowohl mit der Verwendung des JFET im Verstärker als auch mit seiner internen Struktur und seinen Betriebseigenschaften zusammenhängen. 2.1 Ausleseverfahren des LBCAST-JFET Die gängigen Ausleseverfahren für CCD und CMOS sind das sequentielle Ladungstransferverfahren und das XY-Adressierungs- und Übertragungsverfahren. Abbildung 1(a) zeigt das sequentielle Ladungstransferverfahren, das üblicherweise von herkömmlichen Interline-CCD-Bildsensoren verwendet wird. Das aus dem optischen Signal umgewandelte elektrische Signal wird zunächst an das Spaltenübertragungsregister übertragen und anschließend an die Bildverarbeitungseinheit ausgegeben, was die Geschwindigkeit begrenzt. Theoretisch erfordert die sequentielle Ladungsübertragung zudem eine kontinuierliche, schnelle Ansteuerung des Umwandlungsregisters, was einen signifikanten Stromverbrauch zur Folge hat. Abbildung 1(b) veranschaulicht die in CMOS-Bildsensoren üblicherweise verwendete XY-Adressierungs- und Übertragungsmethode. Bei dieser Methode verfügt jedes Pixel über einen eigenen Verstärker, der Signale spalten- und zeilenweise überträgt und an die Bildverarbeitungseinheit ausgibt. Dank unabhängiger Datenübertragungsleitungen werden hohe Geschwindigkeiten erreicht. Eine genaue Betrachtung des Ausgabebildes zeigt jedoch, dass es an den getrennten Zeilen leicht zu Bildverzerrungen kommen kann. JFET-Bildsensoren verwenden ebenfalls XY-Adressierung und -Übertragung, wobei die Daten über zwei Signalleitungen mit unterschiedlichen Farben ausgelesen werden. Dies führt zu höheren Bildlesegeschwindigkeiten und dem Vorteil, hochauflösende Pixeldaten gezielt extrahieren zu können. JFET-Bildsensoren verwenden Farbcodierung (Grün, Blau und Rot) anstelle von datenverteilungsbasierten Bereichen. Dies verbessert sowohl die Betriebsgeschwindigkeit als auch die Bildqualität und behebt das Problem der leicht reproduzierbaren Verzerrungen auf getrennten Zeilen. JFET-Bildsensoren trennen die Signalquellen anhand ihrer Farbe: Alle grünen Signale werden über eine Leitung ausgegeben, alle blauen und roten Signale über eine andere. Dadurch wird sichergestellt, dass das Bild nicht durch Schwankungen des Ausgangsverstärkers beeinträchtigt wird und somit die Bildqualität gewährleistet ist. Da das menschliche Auge besonders empfindlich für Grün ist, verarbeitet die grüne Signalleitung ausschließlich grüne Signale. Grün ist zudem besonders wichtig für die Bildschärfung und die Einstellung des Bildkontrasts. Beim Lesen der ersten Datenzeile wird die Datenleitung links in der Spalte verwendet (die obere Leitung gibt das G-Signal, die untere das B-Signal aus). Beim Lesen der zweiten Datenzeile wird die Datenleitung rechts in der Spalte verwendet (die obere Leitung gibt das G-Signal, die untere das R-Signal aus) usw. (Abbildung 2). Das Rot:Grün:Blau-Verhältnis beträgt 1:2:1, und das Verhältnis von Farbfiltern wird üblicherweise nach diesem Prinzip ausgelegt. 2.2 Funktion des JFET: Der Transistor, der die Pixeldaten in LBCAST JFET extrahiert, ist ein JFET. Jedes Pixel enthält ein Paar Ladungsspeicher (d. h. lichtempfindliche Elemente) und JFET-Transistoren zur Detektion und Verstärkung, wodurch photoelektrische Umwandlung, Speicherung und Verstärkung realisiert werden. Der Verstärker in CMOS-Bildsensoren ist ein MOSFET-Verstärker. Beim Schließen des Kameraverschlusses endet die Lichtaufnahme abrupt. Das Gate des MOSFETs schaltet ein, und die gesamte gespeicherte Ladung wird zum Gate des JFETs übertragen. Das Gate des JFETs fungiert als Messbecher, und die übertragene Photoladungsmenge kann über den JFET ausgelesen werden. Die Gate-Spannung des JFETs steigt mit der von der Photodiode übertragenen Ladung. Dadurch erhöht der JFET die Signalspannung, die dann als Datenausgang für die Spaltensignalleitung verwendet wird. Nach dem Auslesen des Bildsignals sendet das JFET-Gate Ladung an den MOSFET, um diesen zurückzusetzen und so das Öffnen und Schließen des JFET-Gates zu steuern. Anders ausgedrückt: Der JFET fungiert wie ein Pixelschalter und schließt, sobald ein Signal ausgelesen werden muss. Im Vergleich zu CMOS-Bildsensoren ist der JFET-Pfad deutlich einfacher, was zu einer signifikant höheren Geschwindigkeit, verbesserter Zuverlässigkeit und geringerer Fehlerrate führt. 2.3 Analyse der internen Strukturmerkmale: Da der Ladungsakkumulationsbereich im LBCAST-JFET lateral eingebettet ist, bildet der JFET eine Kanalstruktur, die zwischen dem Gate (Schalter) eingebettet ist. Dadurch wird er zu einem idealen Verstärkungselement mit höherer Empfindlichkeit und geringerem Rauschen im Vergleich zu CMOS. Erstens bietet der LBCAST trotz seiner geringeren Größe für ein gegebenes Signal eine relativ große Spannungserhöhung und eine hohe Auflösung. Zweitens: Während Signale in CMOS-Bildsensoren über Kanäle zur Siliziumoberfläche gelangen, erfolgt die Signalübertragung im LBCAST über interne Kanäle. Dadurch wird das Rauschen auf fast ein Drittel des vorherigen Niveaus reduziert, gleichzeitig wird der Dunkelstrom deutlich verringert und das Dunkelrauschen effektiv unterdrückt. Die simultane Zweikanal-Extraktion von Pixelsignalen ermöglicht zudem eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung. Strukturell weisen LBCAST-Kamerapixel eine Metallschicht weniger als CMOS-Sensoren auf, mit geringerer Verdrahtungsdichte und weniger Durchkontaktierungen zwischen den Schichten. Dies führt zu einer einfacheren Struktur, weniger Fertigungsfehlern und einer höheren Ausbeute. Ein JFET-Sensor-Pixelauswahlschalter besteht aus drei Transistoren: Transfer-, JFET- und Reset-Transistor. Ein CMOS-Sensor hingegen besteht aus vier Transistoren, wobei der vierte zur Pixelauswahl dient. Daher bietet LBCAST eine einfachere Struktur und höhere Effizienz als CMOS, und seine Funktionalität wird verbessert, da mehr Fotodioden pro Flächeneinheit eingesetzt werden können. Die interne Verbindungsstruktur (einschließlich der nicht-transparenten Schicht) ist ebenfalls einfach und benötigt nur eine Polysiliziumschicht und zwei Materialschichten, während das CMOS-Design vier Schichten umfasst. Je weniger Schichten benötigt werden, desto geringer ist der Abstand zwischen Fotodiode und Mikrolinse. Durch Technologien wie BPD (Buried PhotoDiode) und internes FPN (Fixed Pattern Noise) reduziert der LBCCAST-Sensor effektiv das Bildrauschen bei schwachem Licht. Sein Zweikanal-Ausleseverfahren, ähnlich wie bei CMOS, verbessert die Datenausleserate. Die Mikrolinse, die sich in unmittelbarer Nähe der lichtempfindlichen Einheit befindet, optimiert die Lichtausbeute und verbessert gleichzeitig die Bildkonsistenz in der Mitte und in den Ecken. Das Pixelstrukturdiagramm des LBCAST-JFET-Sensors ist in Abbildung 3, das Pixelquerschnittsdiagramm in Abbildung 4 dargestellt. 3. Fazit: Das Hauptziel des neu entwickelten LBCAST-JFET-Sensors ist die hohe Geschwindigkeit. Seine Pixelanzahl ist mit nur 4 Millionen relativ gering. Daher positioniert Nikon die D2H-Kamera, die den LBCAST-JFET-Bildsensor verwendet, für die Bereiche Nachrichtenberichterstattung und Sportfotografie. Im Vergleich zu CMOS bietet LBCAST eine höhere Empfindlichkeit und ein geringeres Rauschen. Zudem zeichnet er sich durch eine einfachere Struktur, weniger Fertigungsfehler und eine höhere Ausbeute aus. Aufgrund seiner einfachen Struktur kann es mit dem gleichen Verfahren wie CMOS hergestellt werden, was die Herstellungskosten in Zukunft voraussichtlich deutlich senken wird und somit die Anwendungsperspektiven sehr vielversprechend macht.