parliamo in questa lezione del funzionamento di un sensore digitale o meglio per dispositivo che è alla base del funzionamento dei sensori digitali che è il cece di cece di come acronimo vuol dire church coupled device è ed è uno strumento elettronico ideato nel 1969 da due scienziati boyle e smith nei ben laboratori in america mentre cercavano di investigare nuove soluzioni per la realizzazione di dispositivi per lo storage dei dati quindi per le memorie fisiche i due scienziati si resero conto che è il dispositivo che stavano costruendo anche se abbiamo uno scopo diverso era in grado di registrare immagini tant'è che è questo dispositivo poter essere usato già nel 1975 per realizzare la prima videocamera digitale con una qualità dell'immagine sufficiente per le riprese televisive boyle e smith per questa invenzione vinsero il premio nobel per la fisica nel 2009 il cece di quindi è il dispositivo alla base dei sensori digitali che ritroviamo nella strumentazione di ricerca sia in ambito astrofisico ma in ambito fisico in generale ma comunque in tutti quei campi dove si utilizzino degli strumenti che sfruttano il catturare delle immagini in formato digitale come vedremo a breve il cece di viene attualmente impiegato soltanto in strumenti che hanno un certo costo a causa della sua complessità nella costruzione c'è però una versione diciamo semplificata di questo dispositivo che si chiama si mosse che vedremo nelle ultime slide della lezione che è una sorta di versione semplificata che richiede sicuramente un minor costo costruttivo e che però risente di prestazioni un po più basse rispetto al city il simon viene impiegato in tutti i sensori delle fotocamere anche di quelle integrate nei telefonini e in quegli strumenti che non sono particolarmente sofisticati il cece di può essere visto ad esempio parlando della fotografia e quindi delle camere fotografiche come il dispositivo che ha sostituito il sensore analogico quindi la pellicola fotografica le lastre fotografiche analogiche da questo punto di vista il cece di ha preso piede per tre caratteristiche fondamentali che sono a favore ovvero la maggiore sensibilità la linearità alla risposta e il fatto di fornire immagini digitali discutiamo brevemente queste tre caratteristiche la maggiore sensibilità cosa vuol dire vuol dire che questo dispositivo risponde offre una risposta che la lastra fotografica non può offrire a un numero anche molto esiguo di fotoni incidenti per quanto riguarda la linearità possiamo dire che è la risposta è lineare in un range più grande rispetto alla pellicola fotografica dal punto di vista del numero quindi di fotonica giungono che impattano sul sensore quindi la linearità sta nella proporzionalità diretta tra intensità luminosa registrata è tempo di posa le immagini digitali sono sicuramente un vantaggio del punto di vista della conservazione dei dati anche della deperimento dei dati stessi possono essere conservate sotto forma di file in memoria fisica anche in un numero enorme pensate al dover mettere da parte come si usava in testa in passato tante fotografie stampate quindi sicuramente il fatto di avere un file quindi la foto sotto forma di un file è un vantaggio dal punto di vista anche dello spazio occupato nel momento in cui stoccate ne debbano stoccare molte dal punto di vista della sensibilità facciamo un piccolo confronto con l'occhio sappiamo che l'occhio sensibile in un intervallo di lunghezze d'onda molto stretto tra i 380 essa 180 nanometri in verità la parte di efficienza maggiore tra i 450 e 600 50 nanometri con un picco intorno ai 550 che corrisponde a una frequenza gialla gialloverde la lastra fotografica a con efficienza fotografica simile all'occhio umano leggermente superiore e in un intervallo sicuramente più ampio che può andare anche oltre il visibile come mostrato in questo grafico in cui è mostrata all'efficienza di risposta di diversi tipi di sensori in funzione della lunghezza d'onda qualcuno forse si potrà chiedere perché l'efficienza si ferma appunto tra i 450 e 600 50 nanometri sapendo che invece il visibile e oltre queste due frequenze però faccio notare che la scala di questo grafico una scala logaritmica non lineare quindi essendo l'efficienza basta ai bordi dello spettro in questo grafico diciamocelo zero non è zero ovviamente perché l'occhio come sappiamo il sensibile anche a lunghezze d'onda intorno agli 0 4 da questo lato inali 07 anche oltre da questo lato qui come dicevo quindi la lastra fotografica ha un'efficienza simile come picco ma molto più ampia decisamente spostata nella zona del blu e un po sicuramente più estesa dell'occhio nella zona del rosso e la differenza dell'occhio ovviamente la pellicola fotografica può avere un tempo di esposizione lungo a piacere noi sappiamo che nell'occhio umano il dispositivo diciamo spesso che funziona tramite un meccanismo di refresh che dura tempi brevi e che fa sì che non si possono accumulare più di un tot di fotoni sulle cellule della retina questo ovviamente ha reso possibile la preservazione della retina stessa che non può essere investita da una quantità troppo alta di luce che sarebbe sicuramente dannosa per i tessuti organici è però dal punto di vista della visione questo processo stesso del refresh ad esempio rende impossibile una buona visione quando l'intensità di luce offerta dell'ambiente esterno sia troppo bassa proprio a causa del refresh perché i fotoni non si possono accumulare effetto che in tutti i dispositivi artificiali non è assolutamente tenuto in considerazione e inutile a tutti gli effetti tant'è che si possono fare delle bellissime fotografie del cielo notturno in cui l'ambiente e scarsamente illuminato e tuttavia aumentando il tempo di esposizione del sensore alla luce si possono raccogliere una quantità adeguata di fotoni che possano rendere una risposta visibile quindi una foto effettivamente bene e sposta il city come si vede da questi grafici è rappresentato da queste due curve nel 2 2 tipologie diciamo esistenti che si differenziano per lo strato diciamo per lo spessore dello strato comunque viene costruito uno più spesso il bike city è uno più sottile ha assottigliato che il team di 15 siti di per sé ha un'efficienza come vedete molto più alta rispetto all'occhio rispetto alla pellicola fotografica ma anche rispetto a quest'altro sensore che si chiama tubo foto moltiplicatore è anche un range di efficienza e lunghezze d'onda molto molto più ampio come vedete i modelli più professionali come mostrato in questo grafico hanno anche il 90 95 per cento di efficienza e sensibilità maggiori del 40 50 per cento dal blu al rosso ovviamente il cece di non ha capacità infinita di regia un segnale luminoso e oltre una certa quantità di luce incidente sul sensore sia la saturazione dell'immagine che è lo stesso effetto di cui abbiamo parlato quando abbiamo discusso della macchina fotografica che è l'effetto ottenuto quello che in gergo fotografico si dice bruciatura di alcune zone dell'immagine poiché ci sono delle zone del sensore che vengono investite da una quantità eccessiva di fotoni fuori dalla portata di risposta del cece di sé quando il sensore si trova in quelle condizioni di illuminazione non è in grado di offrire una risposta allineare allo stimolo pertanto risponde sì dice saturando 0 con una risposta che non hanno niente a che vedere non è più relazionata al numero di fotoni incidenti e che quindi non dice niente sulla quantità di luce che arriva e soprattutto dal punto di vista visivo sui dettagli della foto che sta raccogliendo parliamo adesso della sensibilità del city ovvero del concetto di pixel il pixel è l'elemento che è sensibile alla luce quindi che risponde ai suoi giovani più piccolo all'interno dell'intero cd è un elementi non generale quadrato o rettangolare che va a costituire il cece di stesso e che può essere visto come una disposizione in griglia di tanti piccoli elementi nick e sono proprio i pixels in pratica se come immaginiamo che questa foto sia diciamo riprodotta su un city e che quindi questo quadrato rappresenti il sensore dovete immaginare che qui all'interno ci sia una fittissima griglia di piccoli pixel il che vuol dire che ogni pixel deve essere identificato spazialmente sulla superficie del sensore e quindi ogni pixel viene associata una coppia di numeri che sono in pratica le coordinate della posizione che assumerà sulla sullo spazio impero del sensore i pixel è legato al concetto di sensibilità del city e quindi questo vuol dire che non possiamo distinguere dettagli all'interno delle foto se i dettagli vanno a cadere all'interno di un singolo pixel in pratica dobbiamo capire che è il pixel risponde con un certo grado di illuminazione che ma poi a comporre l'intera toto a seconda del numero complessivo dei fotoni che incidono su di esso in generale la risoluzione del sensore con diversi siti è dettato dal tix ma la risoluzione di uno strumento che inglobi all'interno anzi non è ovviamente determinata solo dalla dimensione del pixel ma anche dalle altre caratteristiche per lo più ottiche dello strumento noi infatti sappiamo che la risoluzione del punto di vista ottico dipende dal fenomeno per la diffrazione oppure delle aberrazioni che sono introdotte con le ottiche reali del sistema quindi il pixel è semplicemente un ulteriore limite alla risoluzione dello strumento e deve essere valutato insieme agli altri elementi dal punto di vista della risoluzione quindi la risoluzione di uno strumento non è la risoluzione del cece di e quindi non dipende solo dal pixel ricordate a ogni pixel quindi abbiamo detto che è associata una coppia di numeri che ci permette di distinguere la sua posizione all'interno dell'intero sensore un altro numero che durante il processo di formazione dell'immagine viene associato ogni singolo pixel è un numero che è proporzionale alla quantità di fotoni che ci sono su quel pixel e che poi vengono processati come vedremo a brevissimo quindi in pratica un immagine sul sensore cece di non è altro che una matrice di valori intensità luminosa che può essere elaborata con opportuni software ritmi matematici più o meno complessi su cui chiaramente non ci addentreremo ma daremo soltanto un'idea molto generale di come può funzionare l'azione di questa immagine si può ottenere molto facilmente la quantità della luce che cade su un singolo pixel su un gruppo di pixel contenute in un'area misurando poi praticamente quella che è la corrente che viene generata in funzione del numero di fotoni in arrivo il processo infatti che determina il funzionamento di questo dispositivo è un processo foto attivo un processo di risposta ai fotoni che è detto effetto fotoelettrico ora prima di andare a spiegare l'effetto fotoelettrico vorrei far notare questo che è più piccolo il pixel più aumenta la sensibilità abbiamo detto del del sensore ma più aumenta la risoluzione anche di pari passo questo vuol dire che se immaginate che tutto questo sensore in foto sia immagini diciamo sia costituito da solo quattro grandi pixel ovvero in alto a sinistra in alto a destra in basso a sinistra in basso a destra noi vedremo non tutti i dettagli che vediamo in questa immagine ma semplicemente una illuminazione complessiva media che dipende dal numero di fotoni che cadono in questo primo quadrato in questa zona qui è la stessa cosa vedremo nelle altre zone quindi dei gradi di illuminazione omogenea supponendo che questi siano soli 4 pixel smussata in pratica un unica illuminazione per tutta la zona che consideriamo come pixel capite che quindi più pixel avete in queste strutture quindi in questa matrice più elementi ci sono in questa matrice più riuscite ad andare ad analizzare la foto quindi l'immagine che ottenete nel dettaglio distinguendo dettagli che sono propri dell'oggetto e quindi avendo un'idea sempre più dettagliate e sempre più precisa di quello che è la cielo getto rappresentato attraverso questa immagine andiamo a parlare del principio base che permette sì di di funzionare che è l'effetto fotoelettrico l'effetto fotoelettrico consiste nell'emissione di elettroni da parte di un metallo colpito dalla luce questo è il concetto in generale di effetto fotoelettrico sviluppato come diciamo effetto fisico è compreso a fondo sebbene ci fossero stati già degli studi precedenti nel 1905 da einstein utilizzando il concetto di quantizzazione dell'energia introdotto da planck l'effetto fotoelettrico funziona con i metalli vedremo che nel city è leggermente diverso poiché i materiali che vengono usati per costruire il city non sono esattamente metalli ma sono dei semiconduttori quindi dei materiali che hanno un comportamento semi metallico come il silicio germanio altri materiali di questo tipo ma cerchiamo di capire innanzitutto cos'è l'effetto fotoelettrico per poter comprendere a fondo il funzionamento del city quindi facciamo una piccola digressione sull'effetto fotoelettrico in generale come vi dicevo l'effetto fotoelettrico era già stato investigato prima di einstein nell'ottocento e verso ad esempio aveva scoperto che è una radiazione elettromagnetica di frequenza sufficientemente elevata colpendo la superficie di un metallo poteva provocare l'emissione di elettroni inoltre sempre nei primi del novecento poco prima della scoperta di einstein le nord aveva dimostrato sperimentalmente che quando la luce incide sul metallo l'aumento dell'intensità della luce non comporta un aumento dell'energia cinetica degli elettroni e messi come si sarebbe potuto supporre dalle leggi che si conoscevano all'epoca quindi dai modelli di fisica che erano vigenti all'epoca quindi si pensava anche facendo incidere più fotoni un numero più alto di fotoni gli elettroni emessi dal metallo avrebbero avuto un energia cinetica quindi una velocità sempre maggiore in funzione di questa intensità luminosa ma poi si riscontrava che a questo non era verificato negli esperimenti le numerose osservazioni sperimentali avevano infatti rivelato alcune caratteristiche piuttosto insolite riguardanti questo effetto che è un effetto di estrazione di elettroni in un materiale che chiamiamo metallo le missioni di elettroni si verificava soltanto se la frequenza della radiazione elettromagnetica incidente era pari o superiore a un certo valore f0 detto valore di soglia e questo valore cambiava da metallo a metallo al di sotto della frequenza di soglia quindi mandando sul metallo una radiazione con una frequenza inferiore a questa frequenza di soia caratteristica del particolare metallo anche aumentando l'intensità della radiazione incidente non si aveva emissione di elettroni in pratica e quindi si comincio a capire che l'intensità non era quella caratteristica che determinava l'emissione degli elettroni raggiunta la frequenza di soia invece l'emissione di elettroni dal metallo diventava quasi istantanea anche con intensità di radiazione molto basse quindi quello che si vedeva negli esperimenti era che l'estrazione degli elettroni e quindi la possibilità di ionizzare il metallo quindi di foto ionizzare questi metalli quindi di estrarre degli elettroni che poi potevano essere chiaramente convogliati in una corrente elettrica non dipendeva da l'intensità della radiazione che si faceva incidere sul metallo ma da una frequenza caratteristica del metallo stesso della frequenza di solida e quindi solo opportuni fotoni sopra questa soglia riuscivano ad estrarre perché questo processo si chiama in stracci dal metallo un flusso di elettroni anche per intensità quindi per fotoni incidenti in numero molto esiguo quindi per l'intensità luminosa e molto basse all'epoca le interpretazioni di questo fenomeno non fu immediata poiché secondo la teoria classica allora in vigore la radiazione elettromagnetica doveva penetrata all'interno degli stati e degli strati superficiali del metallo investire elettronico in un campo elettrico alternato costringendoli a oscillare aumentando l'intensità della radiazione questa oscillazione sarebbe dovuta diventare sufficientemente ampia da strappare gli elettroni che avrebbero quindi abbandonato l'atomo di appartenenza questa energia che già la teoria classica attribuiva a questo fenomeno osservativo era detta lavoro di estrazione quindi sempre secondo la tela classica bastava mettere l'intensità della radiazione elettromagnetica incidenza e quindi aumentare l'energia del campo elettromagnetico esterno quindi il numero di fotoni forniti per osservare la fuoriuscita di elettroni l'osservazione sperimentale però era in contrasto con questa deduzione tant'è che anche basse intensità ma con opportuna frequenze riuscivano ad estrarre elettroni e questo la teoria classica nera in grado di spiegarlo per spiegare il fenomeno subentro einstein che riprendendo l'idea di planck non so che la luce e più in generale le onde elettromagnetiche fossero costituite da pacchetti discreti di energia denominati quanti di luce che poi vennero successivamente chiamati fotoni con questa conoscenza dei quanti di luce che einstein introdusse si poter capire che se una radiazione di frequenza f incide su metallo che cosa succede ogni singolo fotone urta contro un singolo elettrone e nell'interazione che esattamente come l'urto tra due particelle il fotone della propria energia hf misurata attraverso la legge di planck all'elettrone stesso se tale energia e maggiore o uguale al lavoro di estrazione allora l'elettrone può fuoriuscire dal metallo pertanto il lavoro di estrazione non dipende dall'intensità ma della frequenza del fotone incidente quello che einstein potere anche sperimentare e che l'energia cinetica e quindi un mezzo mv quadro degli elettroni estratti corrispondeva esattamente alla differenza tra l'energia del fotone incidente è il lavoro di astrazione e come dire dell'energia in grado di trasferire il fotone incidente parte va al via sotto forma di lavoro di estrazione cioè quell'energia che fa fare il salto l'elettrone oltre l'ultimo livello legato al suo nucleo quello che avanza ovvero h est meno il lavoro di estrazione si trasforma in energia cinetica per l'elettronica uscita pertanto aumentare la frequenza sopra quella di soglia vuol dire estrarre elettroniche hanno energia cinetica quindi velocità sempre più alte dopo aver parlato dell'effetto fotoelettrico andiamo a vedere come questo effetto sia alla base del funzionamento del cece di per cominciare possiamo dire che il cece di è costituito da una piastrina di un certo spessore fatta prevalentemente da silicio quindi è un chip di silicio la cui superficie è una matrice di pixel sensibili alla luce i pixel che sono questi gate si chiamano sono delle piccole piastrina cash di metallo di un metallo vengono detti gate questi pixel sono attaccati al substrato di silicio ma tra di loro è presente un isolante silicone che sarebbe questa sera 2 che fa sì che tra di loro i gate quindi pixel non siano interconnessi ma ognuno di loro si è interconnesso con la parte sottostante che corrisponde al substrato il substrato di silicio in particolare tipo di silicio chiamato silicio di tipo b e adesso vedremo che cosa vuol dire è nel momento in cui la luce incide sui fotodiodi quindi sui gate metallici questi per effetto fotoelettrico rilasciano alcuni elettroni che possono essere in qualche modo accettati inglobati subito sotto di loro dal substrato di silicio e raccolti proprio in corrispondenza del pixel quindi i foto elettroni generati per l'effetto fotoelettrico dei pixel metallici vengono in qualche modo trasferiti localmente il substrato di silicio di tipo b che avrà un certo spessore l'effetto fotoelettrico si riscontra soltanto su una faccia del city ovvero quella su cui sono presenti i pixel che sono gli elementi foto attivi fotosensibili il silicio invece che il substrato funge da zona di stoccaggio localmente sotto i singoli pixel di elettroni che successivamente possono essere convogliati attraverso una corrente elettrica e poi letti da un opportuno sistema che li traduce in un informazione sul numero di fotoni che li hanno generati e importante quindi capire che cosa vuol dire avere un materiale silicio di tipo p qui all'interno del substrato e perché questo materiale alla proprietà di raccogliere gli elettroni che sono generati per l'effetto fotoelettrico e mantenerli vicini al pixel quindi mantenendo l'informazione su dove sono stati generati all'interno dell'intero cd dell'intera struttura in silicio è catalogato dal punto di vista delle proprietà elettriche come un semiconduttore mentre i metalli sono i conduttori questa parte l'abbiamo già vista nella parte del corso in cui abbiamo parlato dell'elettromagnetismo in generale è se vi ricordate in quella parte la materia è stata divisa sulla base della propria capacità di condurre corrente elettrica quindi di trasportare un flusso ordinato di carica elettrica in tre categorie che chiamiamo metalli semiconduttori e isolanti perché questa catalogazione e che cosa vuol dire banda di valenza e conduzione come è scritto in questo grafico innanzitutto dobbiamo ricordare che i metalli non sono dal punto di vista della struttura chimica considerabile analogamente a molti degli altri materiali che non incontriamo in natura tipo gas liquidi eccetera eccetera qui che la disposizione degli atomi all'interno dei metalli e particolarmente ordinata e il tipo di legami che si formano tra questi atomi che sono proprio propriamente detti legami metallici fan sì che le sue caratteristiche dal punto di vista dell'interazione con i fotoni siano molto particolari noi abbiamo già parlato del fatto che all'interno di un atomo oppure di una molecola gli elettroni possono occupare dei livelli energetici più o meno stabili più o meno vicini al nucleo abbiamo fatto sempre l'esempio per l'idrogeno che è l'elemento più semplice quello costituito da un solo crotone non solo elettrone per l'idrogeno è facile comprendere che è l'elettrone possa saltare in posizioni sempre più lontane dal nucleo che corrispondono a livelli che energia sempre diversi sempre minore ovvero a stati sempre più slegati rispetto a quel nucleo nei metalli invece gli atomi all'interno sono tutti organizzati secondo delle strutture geometriche molto rigorosa dei cristalli in pratica questo tipo di disposizione si chiama cristallo infatti poiché all'interno dei metalli gli atomi sono molto vicini organizzati in queste strutture molto rigide l'interazione che c'è tra i variato mi fa sì che i livelli sia spaziali che energetici in cui si possono disporre i vari elettroni siano molto diversi rispetto a un atomo singolo slegato e siano anche molto vicini tra loro in pratica è come dire che è un elettrone all'interno di un metallo non è esclusivamente legato al suo nucleo ma è legato anche in parte a tutti gli altri nuclei che costituiscono il cristallo intorno a lui questo fa sì che i livelli energetici degli elettroni non siano molto per come dire discreti ma si organizzino in livelli che sono moltissimi molto vicini tra di loro in cui si dispongono di veltroni e che vengono dette bande quindi per quanto riguarda di metalli si parla di una struttura energetica a band per gli elettroni ora che cosa succede gli elettroni quelli che sono più legati che sono più vicini ai nuclei sicuramente avendo un'energia di legame molto grande e difficilmente tenderanno a spostarsi da quelle zone mentre quelli che occupano le posizioni più esterne quindi le zone meno legate al nucleo occupano tutta una serie di livelli energetici che vengono dette complessivamente banda di valenza cosa succede che tutte le bande sopra la banda di valenza che sono permesse questi elettroni qualora si fornisse a loro dell'energia per fare un salto fisico ed energetico si chiamano bande di conduzione e dovete vederle come dei livelli sempre meno legati dell'elettrone alla struttura metallica a cui appartengono cosa succede però che nei metalli banda di valenza e conduzione sono molto vicine tra loro il che vuol dire che una volta che può fornire anche poca energia al metallo gli elettroni possono passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione e come dire possono slegarsi analogamente a quello che succede nell'effetto fotoelettrico con la foto ionizzazione potete praticamente fornendo anche poca energia al metallo far sì che gli elettroni passano nella banda di conduzione ed effettivamente siano slegati dal metallo e potenzialmente convogliarli in una corrente ordinata attraverso l'applicazione di un campo elettrico esterno quindi i metalli in pratica possiamo dire che conducono bene la corrente poiché si mettono nelle condizioni di poterlo fare ovvero i loro elettroni possono passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione anche fornendo bassa energia dall'esterno per esempio semplicemente aumentando un po la loro temperatura i semiconduttori o meglio parliamo dopo dei semiconduttori vi dico prima degli isolanti così questo più comprensibile di isolanti a differenza dei metalli sono dei materiali in cui la banda di valenza e la banda di conduzione sono molto lontane dal punto di vista energetico che cosa vuol dire questo vuol dire che se voi volete far sì che gli elettroni passino in quegli stati eccitati che gli permettono di essere poco legati e inutili e quindi di essere convogliati in una condizione di corrente tramite un campo elettrico esterno a differenza di potenziale esterna voi dovete farli fare dei salti energeticamente molto importanti cioè dovete fermi re delle frequenze per esempio attraverso la luce parlando di effetto legato alla luce delle frequenze molto alte a dese più gli isolanti scaldandoli ovvero aumentando la loro temperatura non si mettono in condizione di condurre facilmente la corrente come metalli poiché è per esempio l'isolante scaldato come può essere una plastica cambia subito stato con la temperatura e quindi questo modello rappresentativo delle energie al suo interno dal punto di vista microscopico non è non va più bene semplicemente quindi non possiamo fare un paragone in questo senso tra gli isolanti e i metalli dal punto di vista dei modi in cui si possono mettere in condizione di condurre da consente quindi la cosa importante è che la spaziatura energetica tra banda di valenza e conduzione è molto alta quindi difficilmente fornendone dall'esterno si possono legare elettronica alla struttura e creare quindi una corrente nei semiconduttori invece la situazione intermedia che cosa vuol dire intermedia vuol dire che non sono propriamente dei metalli ma non sono propriamente del isolanti nemmeno quindi c'è un certo gap si dice quindi una certa zona proibita tra la banda di valenza e la banda di conduzione quindi se vuoi fornita da un semiconduttore dell'energia tale per cui gli elettroni non riescono ad andare in banda di conduzione ma riescono ad andare qui in mezzo loro ovviamente non ci vanno perché questo è un gap cioè una zona proibita per gli elettroni i semiconduttori però come si dice di cui si è costituito hanno un interessantissima proprietà ovvero opportunamente drogati cioè cambiando opportunamente la loro chimica all'interno è possibile che la banda di valenza e la banda di conduzione in qualche modo si avvicinino cioè in pratica è possibile modificare la chimica interna dei semiconduttori maniera molto puntuale per farli avvicinare ad avere le caratteristiche di conduzione elettrica che hanno i metalli come avviene il tuo viaggio di un semiconduttore quindi come avviene quel meccanismo che permette a un semiconduttore di avere la banda di valenza e la banda di conduzione più vicine rispetto al suo stato naturale e come avviene il passaggio di corrente all'interno del pixel in generale come succede nei metalli ricordiamo che quando un elettrone passa dalla banda di valenza alla banda di di conduzione tramite la fornitura opportuna di energia gli elettroni sono liberi di muoversi ma lasciano dietro di sé all'interno della banda di valenza come una buca potremmo dire detta in gergo lacuna quindi questa banda di valenza che ha delle lacune agisce nel cristallo come se fosse una carica positiva in grado di attirare le 20 gli elettroni all'interno del pixel le due cariche vengono separate e gli elettroni sono pronti per essere raccolti e convertiti in segnale elettrico vediamo il pro calcio come avviene poiché l'energia al passare dalla banda di valenza quella di conduzione è elevata modificare il gap all'interno del sele conduttore è possibile se si inseriscono all'interno del materiale alcuni altri atomi rendendolo quindi spurio che hanno un certo numero determinato di elettroni da condividere con gli atomi del ben semiconduttore è possibile inserire tipi di materiali che rendano il semiconduttore si dice o accettare oppure donatore di elettroni quando il semiconduttore manifesta un comportamento da accettore altro viaggio si chiama di tipo b nel caso in cui si renda donatore invece di elettroni si chiama agro viaggio di tipo n io non si di di solito il silicio subisce la jolie tipo b con elementi della tavola periodica della terza colonna come il boro oil gaglio che è appunto andandosi ad inserire all'interno del cristallo metallico è come se creassero delle lacune facendo sì che il silicio stesso drogato di tipo b manifesti un comportamento da accettare che elettroni in questo modo gli elettroni della banda di valenza hanno sufficiente energia termica quindi a causa del pro viaggio per andare a far parte di un orbitale accettore di elettroni energeticamente poco distante dalla banda di valenza quindi è come se si creassero a causa del dragaggio delle coppie si dice elettrone lacuna e quindi nella banda di valenza e come se si andassero a generare delle lacune quindi delle cariche positive potremmo immaginare anche se non è propriamente corretto libera di muoversi nel silicio automaticamente poiché si creano quindi delle coppie elettrone lacuna questo crea uno scompenso proprio spazialmente all'interno del del substrato non tra cariche positive che cariche negative di crea una differenza di potenziale del silicio a causa dentro gaggio all'inter 20 licio in pratica è come se ci fosse una differenza di potenziale il processo di produzione dell'immagine comincia quando dei fotoni colpendo e kate quindi lo strato superiore della piastrina quindi pixel eccitano gli elettroni che vengono momentaneamente allontanati dai rispettivi inutili per effetto fotoelettrico questi elettroni in condizioni normali tornerebbero nel loro posto nella loro posizione dopo una piccolissima frazione di secondo però poiché all'interno del substrato è presente una differenza di potenziale tra la faccia superiore quella subito sotto i pixel e quella posteriore quindi quella più lontana questa differenza di potenziale appunto causato d'altro calcio stesso fa sì che le cariche generate dall effetto fotoelettrico con i direttori generati foto elettricamente si vadano a posizionare a localizzare esattamente nella zona subito sotto il pixel quindi in una zona spaziale che cade esattamente sotto il pixel accumulandosi esattamente lì dove sono stati generati ora per capire come avviene il processo di lettura di questi elettroni che ovviamente vengono generati misura direttamente proporzionale ai fotoni che incidono sul pixel usiamo questa analogia mostrata in questo piccolo filmato che prende in considerazione alcuni secchi in pratica possiamo immaginare che i pixel siano come dei secchi raccoglitori di futuri posizionati su dei rulli che possono ruotare in colonna o righe se preferite comunque lungo determinate linee che rappresentano o le righe o le colonne della matrice di pixel che cosa succede quando la luce e incide in maniera differente suoi pixel su ogni secchio in ogni secchio si vanno a depositare un certo numero di fotoni che generano un certo numero di elettroni anche all'interno del substrato di silicio i nastri all'inizio sono fermi perché tutto il tempo di posa in cui il sensore esposto alla luce quando il diaframma viene chiuso questi nastri chiaramente con un tempo caratteristico molto breve però potete immaginare che si muovono all'unisono e vadano a scaricare righe di sechi quindi righetti elettroni contenuti nei pixel su un altro nastro posto in maniera ortogonale ai primi che si chiama registro seriale in pratica questo registro seriale raccogli tutti i secchi di una riga del sensore quindi tutti gli elettroni contenuti in ogni pixel di ogni riga del sensore è in maniera ordinata lima a scaricare uno per uno in un altro contenitore chiaramente non è un vero contenitore però è un dispositivo elettronico quindi un componente elettronico che si chiama amplificatore il quale è in grado di registrare il numero di elettroni che arrivano da ogni singolo pixel capire da quale pixel sono arrivati e quindi che posizione dell'intero cd sono arrivati i fotoni che hanno generato quelle elettroni e poi convertirli in un segnale elettrico che successivamente attraverso un processore viene convertito volta in un numero di citare in pratica questa analogia ci mostra come in un processo sequenziale ordinato ogni riga di pixel del sensore possa essere letta prima trasportata da un registro seriale e poi letta da un amplificatore sotto forma di segnale elettrico quindi di elettroni trasportati e successivamente processata per capire quanti erano per mostrare in qualche modo quanti erano i fotoni collegate a quella produzione di elettroni sotto un singolo pixel una cosa importante da aggiungere in questo momento che poiché gli elettroni nello strato di silicio possono essere generati non solo per l'effetto fotoelettrico poiché la banda di conduzione di valenza sono molto vicine quindi è possibile che degli elettroni saltino anche se non arrivano direttamente dei fotoni sui pixel per altri motivi ad esempio un innalzamento della temperatura del sensore stesso questi elettroni vengono detti termo elettroni e non hanno ovviamente niente a che vedere con la generazione a causa dell'effetto fotoelettrico ma nella pratica sono distinguibili da quelli prodotti dai fotoni dell'oggetto che si sta riprendendo pertanto questa corrente generata per motivi non direttamente legati all'effetto fotoelettrico ma per salti elettronici che potremmo chiamare scure non collegati appunto alla generazione dell'immagine vengono detti corrette di buio dalle carte sono il segnale che di solito diciamo nel l'editing delle immagini digitali si cerca di eliminare in qualche modo succendo diciamo delle medie o comunque sapendo come rispondere il sensore anche in condizioni di buio quando non viene illuminato dalla luce pensate alle vostre fotocamere quando sono state di fare una foto in un ambiente che è completamente buio che non vi mostra sullo schermo un'immagine completamente nere ma vi mostra una serie di contini illuminati che ovviamente non sono illuminati da una luce diretta perché se siete al buio luce diretta non ce n'è ma magari sono illuminati da fotoni diffusi di passaggio o semplicemente dai gli elettroni che vengono generate all'interno del dispositivo perché il dispositivo ha una certa temperatura che di per sé fa saltare gli elettroni all'interno del city stesso del sensore stesso questa è una rappresentazione matriciale appunto attraverso tutti i pixel disposti in righe o in colonna e il registro seriale e poi l'amplificatore tutto questo sistema è integrato che era nel tè uno spazio molto piccolo dell'ordine di qualche centimetro quadrato e sia dal punto di vista dei pixel che dei componenti elettronici ovvero dei fili delle resistenze di tutta quella micro componentistica che può permettere il trasporto elettrico prima di chiudere l'argomento cece di un piccolo cenno al dispositivo che viene maggiormente impiegato diciamo nei dispositivi commerciali che somiglia anzi si di e ha come principio di funzionamento lo stesso vinse si dice quello che abbiamo appena visto ma che è leggermente diverso dal punto di vista della costruzione e questo sensore che oggi city diciamo economico se vogliamo viene detto si possa complementary metal oxide semiconductor in questo dispositivo la matrice di pixel viene mantenuta quindi il concerto di avere singoli elementi ni che rispondono alla luce tramite effetto fotoelettrico che è assolutamente mantenuto l'unica differenza è che il processo di lettura della carica che nel city avviene a valle del processo di raccolta della luce produzione degli elettroni qui ambiene singolarmente dietro ogni pixel questo vuol dire che il segnale viene reso digitale non dopo che tutti i fotoni hanno raccolto dopo che tutti scusate i pixel hanno raccolto i fotoni che hanno trasformati in elettroni e li hanno convogliati tramite il registro feriali all'amplificatore ma qui quel processo viene fatto singolarmente dietro ogni singolo pixel quindi ogni singolo pixel diciamo rende una informazione in formato digitale questo però rende il sistema simon si più economico ma meno performante poiché ogni singolo pixel nel suo intorno deve mantenere anche tutta una serie di elementi di micro componenti elettroniche quindi fili resistenze condensatori transistori il che vuol dire che tutta la zona che nel city evocata pixel quindi che foto ivan e simon non è completamente foto attiva perché deve ospitare anche tutta questa parte che non ha niente a che vedere con la con l'effetto fotoelettrico ma che è necessaria per trasferire la corrente nella zona immediata e fare tradurre il segnale da corrente al segnale digitale essendo più economico anche se di più scarsa qualità questo dispositivo potete trovarlo negli smartphone nelle fotocamere digitali e mentre il cece di ovviamente essendo più costoso ma più performante viene usato prevalentemente a scopi di ricerca oppure negli strumenti più sofisticati così come nelle macchine fotografiche di altissima qualità quindi professionali la differenza quindi tra essi si di e simon è che il segnale esce dal city in formato analogico quali sotto forma di corrente e in uno step successivo all'amplificatore viene poi trasformato in digitale mentre nel si mosse in ogni singolo fotodiodo quindi in ogni singolo pixel potete leggere come fotodiodo c'è un convertitore che trasforma direttamente il segnale da corrente a un segnale numerico fondamentalmente un segnale digitale che può essere codificato in un file quindi il miglior consumi quindi il minor consumo dettato dal simon e per il fatto che non si deve trasferire la carica elettrica da tutti i pixel all'amplificatore e poi successivamente trasformarla in segnale digitale ma qui singolarmente dietro ogni pixel il segnale diventa digitale non c'è un trasporto di carica e quindi non c'è necessità di assorbimento elettrico cioè in pratica per fare tutto il processo e se si sia bisogno di corrente per funzionare mentre il simon ha bisogno di molta meno corrente quindi consuma meno inoltre nel city ad omettere delle dimensioni aumenta il numero di elettronica spostare quindi aumenta l'assorbimento energetico per farlo funzionare e quindi il suo consumo nel caso di illuminazione a filo con scarsa però vincersi city perché l'amplificazione del segnale viene effettuata su tutti segnali nello stesso momento invece del simon ogni segnale che viene ha generato da un pixel viene amplificato singolarmente è un amplificazione che si dicevano pixel in pratica i siti di inoltre non avendo l'elettronica vicino ai pixel anno come vi dicevo una superficie fotosensibile maggiore e quindi più luce catturata equivale a più segnale elettrico e quindi a un amplificazione minore automaticamente anche una migliore qualità dell'immagine