El sensor que conquistó la fotografía digital y vive en el bolsillo de cinco mil millones de personas
(El contenido de este artículo forma parte del capítulo 8 de mi libro: ¿Qué hacen por nosotros los semiconductores? El petróleo del siglo XXI)
En el artículo anterior de esta Newsletter conocimos el CCD, el sensor que nació en los Bell Labs en 1969, que llevó la fotografía al mundo digital y que desde hace décadas está captando imágenes desde el telescopio Hubble hasta las cámaras de vigilancia de medio planeta. Hoy le toca el turno al sensor que le arrebató el protagonismo en el mercado de consumo, al que encontramos en prácticamente todos los teléfonos móviles del mundo y en una lista de aplicaciones que no deja de crecer, el sensor CMOS.
El nombre puede resultar críptico, CMOS son las siglas de Complementary Metal Oxide Semiconductor (su traducción sería semiconductor complementario de óxido metálico, que no dice mucho). No describe cómo funciona el sensor, a diferencia del CCD, cuyo nombre alude directamente a su principio de operación, sino el proceso con el que se fabrica, que es el mismo que se utiliza para hacer microprocesadores, memorias y cualquier otro chip moderno. Veremos que esa coincidencia de proceso no es un detalle menor, es la clave de su éxito.
1. Un origen compartido: el píxel como condensador MOS
Para entender el CMOS hay que recordar, aunque sea brevemente, de dónde vienen ambos sensores. CCD y CMOS comparten el mismo punto de partida, una matriz de millones de diminutos detectores llamados píxeles. Cada píxel es un condensador MOS (Metal-Óxido-Semiconductor), una estructura microscópica formada por tres capas: un metal conductor, una capa de óxido aislante y el propio semiconductor de silicio. Cuando un fotón de luz incide sobre el silicio, interactúa con él y libera un electrón. Ese electrón, con su carga negativa, es atraído hacia la interfaz entre el óxido y el semiconductor por la tensión positiva que se aplica al metal de la estructura y queda allí atrapado en lo que se denomina un pozo de potencial. Cuantos más fotones llegan a ese píxel durante el tiempo de exposición, más electrones se acumulan en el pozo. La imagen, en el fondo, es un mapa de carga eléctrica, más electrones donde había más luz, menos donde había sombra. La figura muestra la sección transversal de un condensador MOS, mostrando la generación de electrones por incidencia de fotones y su acumulación en el pozo de potencial en la intercara SiO₂‒silicio.
El condensador MOS
Hasta aquí, el sensor CMOS y el CCD son idénticos. La diferencia radical, la que separa a ambas tecnologías, aparece en el momento inmediatamente posterior, qué se hace con esa carga acumulada en cada píxel.
2. La gran diferencia: cada píxel tiene su propio amplificador
En el CCD, como vimos en el artículo anterior, la solución es elegante pero laboriosa, la carga almacenada en cada píxel se desplaza físicamente, condensador a condensador, fila a fila, hasta llegar a un único circuito de salida situado en el borde del chip. Allí, un amplificador externo convierte esa carga en tensión eléctrica y un conversor analógico-digital la transforma en los números que forman la imagen. Es un proceso estrictamente secuencial: hasta que el último píxel no ha transferido su carga, la lectura no ha terminado.
El sensor CMOS adopta una filosofía radicalmente distinta. En lugar de mover la carga hasta un amplificador común, lleva el amplificador hasta la carga. Cada píxel del sensor CMOS incorpora en su propio interior, al lado mismo del condensador fotosensible, un pequeño conjunto de transistores MOSFET encargados de convertir la carga acumulada en tensión y de enviar esa señal directamente al procesador. No hay transferencia de carga entre píxeles, no hay cadena, cada píxel trabaja de forma independiente, y todos pueden hacerlo simultáneamente. La imagen lo muestra.
Esquema simplificado de un sensor CMOS
Las consecuencias prácticas de esta diferencia son enormes. La lectura en paralelo hace al sensor CMOS mucho más rápido que el CCD, ya que mientras este último lee los píxeles en cadena uno tras otro, el sensor CMOS puede leer toda una fila o incluso toda la imagen al mismo tiempo. Pero quizás la ventaja más decisiva es el consumo energético, dado que al no tener que mover continuamente cargas a lo largo del chip, el sensor CMOS consume entre diez y cien veces menos energía que un CCD equivalente. En una época en que los teléfonos móviles necesitaban sensores de imagen pequeños, baratos y con un impacto mínimo sobre la batería, esa cifra lo decía todo. La siguiente imagen muestra un esquema comparativo del CCD frente al sensor CMOS. En el CCD la carga viaja píxel a píxel hasta un amplificador externo único; en el CMOS cada píxel incorpora su propio circuito de amplificación y conversión
Comparando el sensor CMOS con el CCD
3. El precio de la electrónica integrada, el factor de llenado
La arquitectura CMOS tiene, sin embargo, un coste. Si cada píxel debe alojar varios transistores para amplificar y leer su propia señal, esos transistores ocupan espacio físico dentro del píxel. Y ese espacio es espacio que no puede capturar luz, los transistores son opacos a los fotones de luz visible. En los primeros sensores CMOS, este problema era serio. La fracción de la superficie de cada píxel que realmente detectaba luz, denominada factor de llenado o factor de apertura, podía ser tan solo el 50 o el 60% del área total. Es decir, casi la mitad del área de cada píxel era, en la práctica, una zona ciega.
La figura siguiente muestra con una claridad meridiana este fenómeno, es una imagen tomada al microscopio de los píxeles de dos cámaras réflex profesionales modernas. En ella se distinguen perfectamente las zonas etiquetadas como T1, T2, T3, T4, T5 y T6, que corresponden a los seis transistores MOSFET que lleva cada píxel para gestionar la lectura de la señal. El condensador MOS fotosensible ocupa solo una parte del área visible. El resto está cubierto por circuitería que, por muy eficiente que sea, no ve nada.
Arriba: píxeles de una cámara Nikon D4 (16.2 millones de píxeles). Abajo: idem de una Canon EOS 1D X (18.1 millones de píxeles). Se distinguen los transistores T1–T6 de cada píxel y la zona fotosensible del condensador MOS. El tamaño de cada píxel es de 7.3 × 7.3 µm y 6.9 × 6.9 µm respectivamente
La industria respondió a este reto con dos estrategias convergentes. La primera fue la más obvia, a medida que los procesos de fabricación de chips avanzaban y los transistores se hacían más pequeños, siguiendo el ritmo implacable de la Ley de Moore, los transistores de soporte de cada píxel ocupaban menos área, liberando más superficie para la zona fotosensible. El factor de llenado fue creciendo progresivamente hasta superar el 80% en los sensores de gama alta actuales.
La segunda estrategia fue más ingeniosa, el sensor BSI, del inglés Back-Side Illumination, iluminación por la cara posterior. En los sensores convencionales, denominados FSI, Front-Side Illumination, la luz entra por el mismo lado donde están los transistores, que la bloquean parcialmente antes de que llegue al condensador. En el diseño BSI, el chip se fabrica al revés, la luz entra directamente por la cara desnuda del silicio, sin encontrarse ningún obstáculo. Los transistores quedan enterrados en el lado opuesto. El resultado es un factor de llenado que se aproxima al 100% y una sensibilidad a la luz muy superior, especialmente en condiciones de poca iluminación. Hoy, los sensores de imagen de los teléfonos de alta gama son casi universalmente BSI.
4. El color y las microlentes, los últimos refinamientos
Hay algo que los sensores CMOS y los CCD comparten y que no suele aparecer en los folletos de las cámaras y es que ambos son, por naturaleza, ciegos al color. Un condensador MOS absorbe fotones sin discriminar su longitud de onda; solo cuenta cuántos llegan, no de qué color son. La imagen en bruto que produce cualquiera de los dos sensores es, sencillamente, en blanco y negro.
La solución universalmente adoptada para obtener color fue inventada en 1976 por un ingeniero de Eastman Kodak llamado Bryce Bayer, que nada tiene que ver con la multinacional farmacéutica, y se conoce como filtro mosaico Bayer. La idea es tan simple como brillante y consiste en colocar sobre cada píxel un filtro de color microscópico que solo deje pasar la luz roja, la verde o la azul. Estos tres colores primarios de la luz, conocidos como RGB, permiten reproducir cualquier color visible para el ojo humano, siempre que se combinen en las proporciones adecuadas. El patrón se organiza en celdas de 2×2 píxeles con dos verdes en diagonal, un rojo y un azul. El verde está representado el doble porque el sistema visual humano es mucho más sensible a esa parte del espectro que al rojo o al azul.
Cada píxel, con su filtro, solo detecta uno de los tres colores. La información del resto se recupera mediante un algoritmo matemático de interpolación denominado demosaicing en la jerga técnica, que estima los valores ausentes a partir de los píxeles vecinos. El chip de la cámara ejecuta este algoritmo en tiempo real, en fracciones de segundo, y produce la imagen en color que vemos en pantalla ¿No es asombroso? Sí, lo es.
Sobre el filtro Bayer, los ingenieros añadieron un refinamiento adicional, las microlentes. Cada píxel lleva una pequeña lente convexa colocada justo encima del filtro de color, cuya misión es actuar como un embudo óptico microscópico, lo que permite concentrar toda la luz que llega al píxel sobre la zona fotosensible del condensador, compensando parcialmente las pérdidas debidas al factor de llenado. Las microlentes mejoran de manera notable la sensibilidad del sensor, especialmente en las condiciones de baja iluminación en que históricamente el CMOS había salido peor parado que el CCD. La imagen muestra esta disposición.
Arriba: Esquema de un detector CCD/CMOS con microlentes. Abajo: mosaico Bayer y detectores CCD/CMOS
El tamaño de los píxeles de un sensor CMOS varía considerablemente según la aplicación. En una cámara réflex profesional, un píxel puede medir entre 4 y 8 µm de lado. En el sensor de un teléfono móvil de alta gama, ese tamaño se reduce hasta 1.5 µm. Para fabricar píxeles tan pequeños con la electrónica de lectura integrada que hemos descrito, se necesitan los mismos procesos litográficos de vanguardia que se emplean en la producción de los microprocesadores más avanzados. No es casualidad, dado que el sensor CMOS y el chip que lo rodea se fabrican en la misma línea, con la misma tecnología. Esa integración es, en última instancia, la razón por la que el sensor CMOS conquistó el mercado de la imagen digital y se convirtió en el ojo electrónico del siglo XXI.
La próxima vez que su teléfono capture una imagen en una fracción de segundo, recuerde lo que ocurre en ese instante en el interior del sensor, hay millones de condensadores MOS atrapando electrones, millones de transistores convirtiendo carga en tensión, filtros de color microscópicos separando rojo, verde y azul, microlentes concentrando cada rayo de luz, y algoritmos reconstruyendo el color de la escena antes de que usted haya terminado de pulsar el botón. Todo eso, en un área del tamaño de una uña. La microelectrónica, una vez más, invisible y omnipresente. La imagen final muestra al protagonista de este artículo, el sensor CMOS de la cámara Nikon D600. Sus dimensiones son 36 mm x 24 mm.
El protagonista, al desnudo
https://es.ifixit.com/Desmontaje/Nikon+D600+Teardown/10708
Para completar y ampliar el contenido de este artículo, os dejo un vídeo generado por Gemini Notebook:
Un poco de ciencia, por favor 