ohne meinem vorschreiber widersprechen zu wollen oder zu können, habe ich folgendes einfache modell der vorgänge im kopf, welche ich hoffentlich in etwa richtig und allgemeinverständlich wiedergebe:
1) dunkelstrom:
damit die von den lichtquanten aus den äußeren elektronenhüllen der atome zum raushüpfen animierten elektronen, die photoelektronen, nicht gleich wieder von einem atom eingefangen werden (rekombinieren), sondern weiter in richtung auslesetransitor wandern, muß eine in richtung auslesetransistor wirkende kraft auf die elektronen einwirken, also ein elektrisches feld.
um dieses zu erzeugen, legt man an die photodiode eine spannung an.
diese spannung bewirkt aber, daß auch andere, nicht von photonen generierte elektronen richtung auslesetransistor wandern, egal ob licht auf die photodioe fällt, oder nicht. das ist der dunkelstrom, der aus thermischen elektronen und anderen, die aufgrund des angelegten elektrischen feldes die sperrschichten überwinden oder durchtunneln können. dieser dunkelstom ist das sogenannte "dunkelrauschen" der sensoren.
2) dotation: die reinen halbleitermaterialen leiten keinen strom. die siliziumatome binden sich aneinander und nehmen eine energieoptimierte postion gegenenander ein - sie bilden eine regelmäßige kristallstruktur.
zwischen den atomen ist relativ viel leerer raum, sodaß dazwischen freie elektronen, so es solche gibt, durchwandern können.
alle elektronen der äußeren atomhüllen der siliziumatome sind an der gegenseitigen bindung der atome beteiligt und können die atomhülle nur mit äußerer zufuhr von hoher energie verlassen. daher leitet ein silizium kristall nicht, denn leitung bedeutet, daß es freie elektronen gibt, die zwischen den atomen von einem ort zum andern wandern können.
jetzt kann man die fähigkeit des halbleiterkristalls erhöhen, freie elektronen zu erzeugen, also bereits bei zufuhr von geringen energiemengen elektronen aus den atomhüllen abzugeben. das passiert dadurch, daß man verhindert, daß alle elektronen der atomhülle an der bindung zu den nachbaratomen beteiligt sind. man gibt also - zwischen die siliziumatome - atome eines anderen chemischen elementes, das für die bindung zu gleichartigen nachbaratomen mehr elektronen oder weniger elektronen, als es bei silizium der fall ist, besitzt.
wenn so ein fremdatom dann nicht von gleichartigen atomen, sondern von silizium atomen umgeben ist, dann baut es zwar eine bindung zu den silizium atomen auf, aber durch die ungleiche elektronenzahl hat entweder das fremdatom ein elektron überschüssig, das nicht für die bindung verwendet wird, oder das silizium atom ein elektron überschüssig. (dort, wo ein elektron zu wenig ist, spricht man von "löchern" und dort, wo eines zu viel ist, spricht man von "elektron" ---> die "elektronen und löcher", "P"-dotierung und "N"-dotierung).
dieses versetzen von siliziumkristallen mit fremdatomen nennt man dotation.
und wenn man da die richtigen atomarten verwendet, dann reicht das auftreffen eines photons, um ein elektron aus der atomhülle zu lösen und damit ist ein freies elektron erzeugt, das sich irgendwo hinbewegt. entweder wieder zurück zum atom und verschwindet wieder in der atomhülle - rekombinationsverlust, oder zu nachbaratomen oder zum auslestransistor, je nachdem, ob diese elektronen durch ein gerichtetes eletrisches feld dorthin gedrängt werden.
3) signalerzeugung/auslesen: das elektrische feld drängt die generierten photoelektronen zum "ausgang", wo ein auslese transistor bestimmter produktionstechnologie (mosFET) sitzt und dieser hat eine eingangskapazität an seinem gate. eine kapazität ist eine art kondensator.
und wenn ladungsträger, also unsere photoelektronen, in einen kondensator kommen, dann ist das so, also ob leute in einen leeren versammlungssaal gedrängt werden. so, wie sich der versammlungssaal füllt, füllt sich der kondensator mit den elektronen, da da hineinwandern.
und nun gibt es einen einfachen linearen pysikalischen zusammenhang, daß ein kondensator an seinen anschlüssen eine spannung ausgibt, die proportioneal dem füllungsgrad des kondensators mit elektronen ist. U=Q/C. keine elektronen--> spannung null. viele elektronen --> große spannung. kleine kapazitäten brauchen wenige elektronen um volle spannung abzugeben, große kapazitäten brauchen viele elektronen um voll gefüllt zu sein.
diese eingangskapazitäten der besten heute für fotosensoren verfügbaren auslesetransistoren haben so kleine kapazitäten, daß bereits eine ladungsänderung von 2 elektronen eine auswertbare spanungsänderung erzeugt. die photoelektronen werden also quasi durch die auslese transistoren "gezählt", d.h. die spannung an der eingangskapazität verstärkt nun der auslesetransistor zu höheren spannungen, die der nachgeschaltete adc in digitale codes umwandelt und der kameraprozessor dann am ende der kette auf die speicherkarte schreibt.
4) full well capacity: wie aus der beschreibung der generierung von freien elektronen folgt, braucht es eine gewisse menge an halbleitersubstrat, um eine ausreichende zahl an freien elektronen generieren zu können --> kleine pixel, wenig substrat --> geringe full well capacity. aber da kommt es halt dann drauf an, wie feinfühlig der ausleseprozeß ist. wenn bereits 2 elektronen ein nutzbares signal ergeben und man einen dynamikumfang von 14 blenden/14bit will, dann müssen 2^14 elektronen zum auslesetransistor gelangen. dann reicht eine full well capacity von ca. 17000 elektronen.
5) um ein foto zu machen, ohne daß dieses pixelinformationen des vorher gemachten fotos beinhaltet, muß man die pixel nach dem belichtungsvorgang zurücksetzen, also die gatekapazitäten der auslesetransistoren "löschen", also elektronenfrei machen. beim foto ist das einfach, denn man hat viel zeit - zwischen zwei verschlußauslösugen bei einer schnellen dslr liegen 100ms. aber live view und elektronische sucher funktionieren ja auch mittels der sensorinformationen und die schnellsten heute üblichen lesen die sensoren mit einer abtastrate von 200hz oder noch höher aus ... und dazwischen müssen immer alle pixel zurückgesetzt werden.
lg gusti
Vielen Dank.. Wenn ich das dort auf anhieb verstanden hätte würde ich hier nicht fragen!
