LDPD: Schnellere CMOS-Chips für Spezialkameras

Ein neues Bauteil für Kamerasensoren, das Fraunhofer-Forscher entwickelt haben, ermöglicht ein schnelleres Auslesen der Pixel des Sensors. Das macht die Herstellung größerer Pixel möglich, die sich besser für lichtschwache Anwendungen eignen.

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Die schnellen CMOS-Chips im Einsatz in einer Produktionsmaschine
Die schnellen CMOS-Chips im Einsatz in einer Produktionsmaschine (Bild: Fraunhofer IMS)

Das Duisburger Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) hat ein optoelektronisches Bauelement entwickelt, das es ermöglicht, die Pixel eines CMOS-Chips schneller auszulesen. Mit den verbesserten Sensoren sollen sich bessere Kameras für lichtschwache Anwendungen in der Wissenschaft bauen lassen.

Größere Pixel

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CMOS-Chips sind günstig in der Herstellung und nehmen relativ wenig Leistung auf, was den Akku schont. In vielen handelsüblichen Kameras stecken diese Chips, deren Pixel zum Teil nur 1 Mikrometer klein sind. Für Spezialkameras, die in Situationen mit wenig Licht eingesetzt werden sollen, etwa in der Astronomie, sind solche Pixelgrößen jedoch ungeeignet. Hier sind Pixel von 10 Mikrometern Größe gefragt.

Bisher ließen sich Chips mit so großen Pixeln jedoch nicht bauen: Die Bauteile, die das Licht in elektrische Impulse umwandeln, die Pinned-Photodioden (PPD), sind nicht schnell genug. Für die meisten Anwendungen einer Kamera reicht das aus. Lichtschwache Anwendungen erfordern aber hohe Bildraten. "Wenn die Pixel eine bestimmte Größe überschreiten, haben die PPD ein Geschwindigkeitsproblem", erklärt Werner Brockherde, Abteilungsleiter am Fraunhofer IMS. Dafür sei die Auslesegeschwindigkeit mit PPD zu gering.

Hochgeschwindigkeitswandern statt Diffundieren

Die Fraunhofer-Forscher haben mit dem Lateral Drift Field Photodetector (LDPD) ein Bauteil entwickelt, das ein schnelleres Auslesen der Pixel ermöglicht. Bei der PPD diffundierten die Elektronen zum Ausleseknoten. Im LDPD hingegen "wandern die durch das einfallende Licht erzeugten Ladungsträger mit High-Speed zum Ausgang", vergleicht Brockherde die Verfahren. Mit einem LDPD ließe sich das Auslesen der Pixel "bis zum Hundertfachen beschleunigen."

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Der verbesserte CMOS-Chip könnte beispielsweise in der Astronomie, der Röntgenfotografie oder in der Fertigungstechnik eingesetzt werden, sagen die Fraunhofer-Forscher. Die Serienfertigung des LDPD soll im Laufe des Jahres beginnen. Außerdem hat die Fraunhofer-Gesellschaft ein Patent auf das Bauteil angemeldet. Die wissenschaftliche Gesellschaft bestreitet einen Teil ihres Budgets aus den Lizenzzahlungen für von ihr entwickelte Techniken.

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