Light-emitting diode (LED) adalah perangkat semikonduktor yang memancarkan cahaya ketika arus mengalir melaluinya. Elektron dalam semikonduktor bergabung kembali dengan lubang elektron, melepaskan energi dalam bentuk foton. Warna cahaya (sesuai dengan energi foton) ditentukan oleh energi yang dibutuhkan elektron untuk melintasi celah pita semikonduktor. Cahaya putih diperoleh dengan menggunakan beberapa semikonduktor atau lapisan fosfor pemancar cahaya pada perangkat semikonduktor.

Muncul sebagai komponen elektronik praktis pada tahun 1962, LED paling awal memancarkan cahaya inframerah (IR) intensitas rendah. LED inframerah digunakan dalam sirkuit kendali jarak jauh, seperti yang digunakan pada berbagai macam barang elektronik konsumen. LED cahaya tampak pertama memiliki intensitas rendah dan terbatas pada warna merah.

LED awal sering digunakan sebagai lampu indikator, menggantikan lampu pijar kecil, dan pada tampilan tujuh segmen. Perkembangan selanjutnya menghasilkan LED yang tersedia dalam panjang gelombang tampak, ultraviolet (UV), dan inframerah dengan output cahaya tinggi, rendah, atau menengah, misalnya, LED putih yang cocok untuk penerangan dalam dan luar ruangan. LED juga telah memunculkan jenis tampilan dan sensor baru, sementara tingkat peralihannya yang tinggi berguna dalam teknologi komunikasi canggih dengan aplikasi yang beragam seperti pencahayaan penerbangan, lampu peri, lampu strip, lampu depan otomotif, periklanan, penerangan umum, sinyal lalu lintas, lampu kilat kamera, wallpaper yang menyala, lampu pertumbuhan hortikultura, dan perangkat medis.

LED memiliki banyak keunggulan dibandingkan sumber cahaya pijar, termasuk konsumsi daya yang lebih rendah, masa pakai yang lebih lama, ketahanan fisik yang lebih baik, ukuran yang lebih kecil, dan peralihan yang lebih cepat. Sebagai imbalan atas atribut yang umumnya menguntungkan ini, kelemahan LED termasuk keterbatasan listrik untuk tegangan rendah dan umumnya untuk daya DC (bukan AC), ketidakmampuan untuk memberikan pencahayaan yang stabil dari DC yang berdenyut atau sumber pasokan listrik AC, dan suhu operasi maksimum yang lebih rendah dan suhu penyimpanan.

LED adalah transduser listrik menjadi cahaya. LED beroperasi secara terbalik dengan fotodioda, yang mengubah cahaya menjadi listrik.

Sejarah

Penemuan dan perangkat awal

Electroluminescence sebagai sebuah fenomena ditemukan pada tahun 1907 oleh peneliti Inggris HJ Round dari Marconi Labs, menggunakan kristal silikon karbida dan detektor kumis kucing. Penemu Rusia, Oleg Losev, melaporkan penciptaan LED pertama pada tahun 1927. Penelitiannya didistribusikan di jurnal ilmiah Soviet, Jerman dan Inggris, tetapi tidak ada penggunaan praktis dari penemuan ini selama beberapa dekade, sebagian karena sifat silikon karbida yang sangat tidak efisien dalam menghasilkan cahaya, semikonduktor yang digunakan Losev.

Pada tahun 1936, Georges Destriau mengamati bahwa electroluminescence dapat dihasilkan ketika bubuk seng sulfida (ZnS) disuspensikan dalam isolator dan medan listrik bolak-balik diterapkan padanya. Dalam publikasinya, Destriau sering menyebut pendaran sebagai Losev-Light. Destriau bekerja di laboratorium Madame Marie Curie, yang juga merupakan perintis awal di bidang pendaran dengan penelitian tentang radium.

Zoltán Bay dari Hungaria bersama dengan György Szigeti mendahului pencahayaan LED di Hungaria pada tahun 1939 dengan mematenkan perangkat pencahayaan berdasarkan silikon karbida, dengan opsi boron karbida, yang memancarkan cahaya putih, putih kekuningan, atau putih kehijauan, tergantung pada kotoran yang ada. Kurt Lehovec, Carl Accardo, dan Edward Jamgochian menjelaskan LED pertama ini pada tahun 1951 menggunakan alat yang menggunakan kristal SiC dengan sumber arus dari baterai atau generator pulsa dan dengan perbandingan dengan varian, kristal murni, pada tahun 1953.

Rubin Braunstein dari Radio Corporation of America melaporkan emisi inframerah dari galium arsenida (GaAs) dan paduan semikonduktor lainnya pada tahun 1955. Braunstein mengamati emisi inframerah yang dihasilkan oleh struktur dioda sederhana yang menggunakan gallium antimonide (GaSb), GaAs, indium fosfida (InP), dan paduan silikon-germanium (SiGe) pada suhu kamar dan pada 77 kelvin. Pada tahun 1957, Braunstein lebih lanjut mendemonstrasikan bahwa perangkat yang belum sempurna tersebut dapat digunakan untuk komunikasi non-radio dalam jarak pendek. Seperti yang dicatat oleh Kroemer Braunstein " telah membuat hubungan komunikasi optik sederhana: Musik yang muncul dari pemutar rekaman digunakan melalui elektronik yang sesuai untuk memodulasi arus maju dioda GaAs. Cahaya yang dipancarkan dideteksi oleh dioda PbS yang berada agak jauh. Sinyal ini dimasukkan ke dalam penguat audio dan diputar ulang oleh pengeras suara. Mencegat sinar tersebut akan menghentikan musik. Kami sangat senang bermain dengan pengaturan ini." Pengaturan ini meramalkan penggunaan LED untuk aplikasi komunikasi optik.

Pada bulan September 1961, ketika bekerja di Texas Instruments di Dallas, Texas, James R. Biard dan Gary Pittman menemukan emisi cahaya inframerah-dekat (900 nm) dari dioda terowongan yang mereka buat di atas substrat GaAs. Pada bulan Oktober 1961, mereka telah mendemonstrasikan emisi cahaya yang efisien dan penggabungan sinyal antara pemancar cahaya persimpangan p-n GaAs dan fotodetektor semikonduktor yang terisolasi secara elektrik. Pada tanggal 8 Agustus 1962, Biard dan Pittman mengajukan paten berjudul "Semiconductor Radiant Diode" berdasarkan temuan mereka, yang menggambarkan LED sambungan p-n yang disebarkan dengan seng dengan kontak katoda berjarak untuk memungkinkan emisi cahaya inframerah yang efisien di bawah bias maju. Setelah menetapkan prioritas pekerjaan mereka berdasarkan buku catatan teknik yang mendahului pengajuan dari G.E. Labs, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs, dan Lincoln Lab di MIT, kantor paten A.S. menerbitkan paten untuk dioda pemancar cahaya inframerah GaAs (Paten A.S. US3293513) kepada kedua penemu tersebut, LED praktis pertama. Segera setelah mengajukan paten, Texas Instruments (TI) memulai proyek pembuatan dioda inframerah. Pada bulan Oktober 1962, TI mengumumkan produk LED komersial pertama (SNX-100), yang menggunakan kristal GaAs murni untuk memancarkan output cahaya 890 nm. Pada bulan Oktober 1963, TI mengumumkan LED hemispherical komersial pertama, SNX-110.

Pada tahun 1960-an, beberapa laboratorium berfokus pada LED yang akan memancarkan cahaya tampak. Perangkat yang sangat penting didemonstrasikan oleh Nick Holonyak pada tanggal 9 Oktober 1962, ketika ia bekerja untuk General Electric di Syracuse, New York. Perangkat ini menggunakan paduan semikonduktor galium fosfida arsenida (GaAsP). Itu adalah laser semikonduktor pertama yang memancarkan cahaya tampak, meskipun pada suhu rendah. Pada suhu kamar, laser ini masih berfungsi sebagai dioda pemancar cahaya merah. GaAsP adalah dasar untuk gelombang pertama LED komersial yang memancarkan cahaya tampak. Ini diproduksi secara massal oleh perusahaan Monsanto dan Hewlett-Packard dan digunakan secara luas untuk tampilan di kalkulator dan jam tangan.

M. George Craford, mantan mahasiswa pascasarjana Holonyak, menemukan LED kuning pertama dan meningkatkan kecerahan LED merah dan merah-oranye dengan faktor sepuluh pada tahun 1972. Pada tahun 1976, TP Pearsall mendesain LED dengan kecerahan tinggi dan efisiensi tinggi pertama untuk telekomunikasi serat optik dengan menciptakan bahan semikonduktor baru yang secara khusus disesuaikan dengan panjang gelombang transmisi serat optik.

Pengembangan komersial awal

Hingga tahun 1968, LED tampak dan inframerah sangat mahal, sekitar US$200 per unit, sehingga tidak banyak digunakan secara praktis. LED panjang gelombang tampak komersial pertama menggunakan semikonduktor GaAsP dan umumnya digunakan sebagai pengganti lampu indikator pijar dan neon, dan pada tampilan tujuh segmen, pertama pada peralatan mahal seperti peralatan uji laboratorium dan elektronik, kemudian pada peralatan seperti kalkulator, TV, radio, telepon, dan jam tangan.

Perusahaan Hewlett-Packard (HP) terlibat dalam penelitian dan pengembangan (R&D) pada LED praktis antara tahun 1962 dan 1968, oleh tim peneliti di bawah Howard C. Borden, Gerald P. Pighini di HP Associates dan HP Labs. Selama masa ini, HP berkolaborasi dengan Monsanto Company dalam mengembangkan produk LED pertama yang dapat digunakan. Produk LED pertama yang dapat digunakan adalah layar LED HP dan lampu indikator LED Monsanto, keduanya diluncurkan pada tahun 1968.

Monsanto adalah organisasi pertama yang memproduksi LED yang dapat dilihat secara massal, menggunakan Gallium arsenide phosphide (GaAsP) pada tahun 1968 untuk menghasilkan LED merah yang cocok untuk indikator. Monsanto sebelumnya telah menawarkan untuk memasok GaAsP ke HP, tetapi HP memutuskan untuk mengembangkan GaAsP sendiri. Pada bulan Februari 1969, Hewlett-Packard memperkenalkan HP Model 5082-7000 Numeric Indicator, perangkat LED pertama yang menggunakan teknologi sirkuit terintegrasi (sirkuit LED terintegrasi). Ini adalah tampilan LED cerdas pertama, dan merupakan revolusi dalam teknologi tampilan digital, menggantikan tabung Nixie dan menjadi dasar untuk tampilan LED selanjutnya.

Pada tahun 1970-an, perangkat LED yang sukses secara komersial dengan harga kurang dari lima sen, masing-masing diproduksi oleh Fairchild Optoelektronik. Perangkat ini menggunakan chip semikonduktor majemuk yang dibuat dengan proses planar (dikembangkan oleh Jean Hoerni). Kombinasi pemrosesan planar untuk fabrikasi chip dan metode pengemasan yang inovatif memungkinkan tim di Fairchild yang dipimpin oleh pelopor optoelektronika Thomas Brandt untuk mencapai pengurangan biaya yang dibutuhkan. Produsen LED terus menggunakan metode ini.

LED merah awal cukup terang untuk digunakan sebagai indikator, karena output cahaya tidak cukup untuk menerangi suatu area. Pembacaan pada kalkulator sangat kecil sehingga lensa plastik dipasang di atas setiap angka agar dapat terbaca. Kemudian, warna lain menjadi tersedia secara luas dan muncul dalam peralatan dan perlengkapan.

LED awal dikemas dalam wadah logam yang mirip dengan transistor, dengan jendela kaca atau lensa untuk membiarkan cahaya keluar. LED indikator modern dikemas dalam wadah plastik cetakan transparan, berbentuk tabung atau persegi panjang, dan sering kali diwarnai agar sesuai dengan warna perangkat. Perangkat inframerah dapat diwarnai, untuk memblokir cahaya tampak. Paket yang lebih kompleks telah diadaptasi untuk pembuangan panas yang efisien pada LED berdaya tinggi. LED yang dipasang di permukaan semakin mengurangi ukuran paket. LED yang dimaksudkan untuk digunakan dengan kabel serat optik dapat dilengkapi dengan konektor optik.

LED biru

LED biru-ungu pertama yang menggunakan gallium nitrida yang didoping magnesium dibuat di Universitas Stanford pada tahun 1972 oleh Herb Maruska dan Wally Rhines, mahasiswa doktoral di bidang ilmu dan teknik material. Pada saat itu Maruska sedang cuti dari RCA Laboratories, di mana ia berkolaborasi dengan Jacques Pankove dalam pekerjaan terkait. Pada tahun 1971, setahun setelah Maruska pergi ke Stanford, rekan-rekannya di RCA, Pankove dan Ed Miller mendemonstrasikan electroluminescence biru pertama dari gallium nitrida yang didoping dengan seng, meskipun perangkat berikutnya yang dibuat oleh Pankove dan Miller, yaitu dioda pemancar cahaya gallium nitrida yang sebenarnya, memancarkan cahaya hijau. Pada tahun 1974, Kantor Paten AS memberikan paten kepada Maruska, Rhines, dan profesor Stanford, David Stevenson, atas karya mereka pada tahun 1972 (Paten AS US3819974 A). Saat ini, doping magnesium galium nitrida tetap menjadi dasar untuk semua LED biru komersial dan dioda laser. Pada awal tahun 1970-an, perangkat ini terlalu redup untuk penggunaan praktis, dan penelitian terhadap perangkat galium nitrida melambat.

Pada bulan Agustus 1989, Cree memperkenalkan LED biru pertama yang tersedia secara komersial berdasarkan semikonduktor celah pita tidak langsung, silikon karbida (SiC). LED SiC memiliki efisiensi yang sangat rendah, tidak lebih dari sekitar 0,03%, tetapi memancarkan bagian biru dari spektrum cahaya tampak.

Pada akhir 1980-an, terobosan utama dalam pertumbuhan epitaxial GaN dan doping tipe-p mengantarkan era modern perangkat optoelektronik berbasis GaN. Berdasarkan fondasi ini, Theodore Moustakas dari Boston University mematenkan metode untuk memproduksi LED biru dengan kecerahan tinggi menggunakan proses dua langkah baru pada tahun 1991. Pada tahun 2015, pengadilan AS memutuskan bahwa tiga perusahaan Taiwan telah melanggar paten Moustakas sebelumnya, dan memerintahkan mereka untuk membayar biaya lisensi tidak kurang dari US $ 13 juta.

Dua tahun kemudian, pada tahun 1993, LED biru dengan kecerahan tinggi didemonstrasikan oleh Shuji Nakamura dari Nichia Corporation dengan menggunakan proses pertumbuhan gallium nitride (GaN). LED ini memiliki efisiensi 10%. Secara paralel, Isamu Akasaki dan Hiroshi Amano dari Universitas Nagoya sedang mengerjakan pengembangan deposisi GaN yang penting pada substrat safir dan demonstrasi doping tipe-p GaN. Perkembangan baru ini merevolusi pencahayaan LED, membuat sumber cahaya biru berdaya tinggi menjadi praktis, yang mengarah pada pengembangan teknologi seperti Blu-ray.

Nakamura dianugerahi Penghargaan Teknologi Milenium 2006 untuk penemuannya. Nakamura, Hiroshi Amano, dan Isamu Akasaki dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 2014 untuk "penemuan dioda pemancar cahaya biru yang efisien, yang memungkinkan sumber cahaya putih yang terang dan hemat energi."

Pada tahun 1995, Alberto Barbieri di Laboratorium Universitas Cardiff (GB) menyelidiki efisiensi dan keandalan LED dengan kecerahan tinggi dan mendemonstrasikan LED "kontak transparan" yang menggunakan indium timah oksida (ITO) pada (AlGaInP/GaAs).

Pada tahun 2001 dan 2002, proses untuk menumbuhkan LED gallium nitride (GaN) pada silikon berhasil didemonstrasikan. Pada bulan Januari 2012, Osram mendemonstrasikan LED InGaN berdaya tinggi yang ditumbuhkan pada substrat silikon secara komersial, dan LED GaN-on-silikon sedang diproduksi di Plessey Semiconductors. Pada tahun 2017, beberapa produsen menggunakan SiC sebagai substrat untuk produksi LED, tetapi safir lebih umum digunakan, karena memiliki sifat yang paling mirip dengan galium nitrida, sehingga mengurangi kebutuhan untuk memola wafer safir (wafer berpola dikenal sebagai wafer epi). Samsung, University of Cambridge, dan Toshiba sedang melakukan penelitian tentang GaN pada LED Si. Toshiba telah menghentikan penelitian, mungkin karena hasil yang rendah. Beberapa memilih epitaksi, yang sulit dilakukan pada silikon, sementara yang lain, seperti University of Cambridge, memilih struktur multi-lapisan, untuk mengurangi ketidakcocokan kisi (kristal) dan rasio ekspansi termal yang berbeda, untuk menghindari keretakan chip LED pada suhu tinggi (mis. Selama pembuatan), mengurangi pembentukan panas dan meningkatkan efisiensi bercahaya. Pemolaan substrat safir dapat dilakukan dengan litografi nanoimprint.

GaN-on-Si sulit tetapi diinginkan karena memanfaatkan infrastruktur manufaktur semikonduktor yang ada. Hal ini memungkinkan pengemasan tingkat wafer dari cetakan LED yang menghasilkan paket LED yang sangat kecil.

GaN sering diendapkan menggunakan Metalorganic vapor-phase epitaksi (MOCVD), dan juga menggunakan Lift-off.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Sensor piksel aktif (APS) adalah sensor gambar, yang ditemukan oleh Peter J.W. Noble pada tahun 1968, di mana setiap sel unit sensor piksel memiliki fotodetektor (biasanya fotodioda yang disematkan) dan satu atau beberapa transistor aktif. Dalam sensor piksel aktif metal-oksida-semikonduktor (MOS), transistor efek medan MOS (MOSFET) digunakan sebagai penguat. Ada berbagai jenis APS, termasuk APS NMOS awal dan APS MOS pelengkap (CMOS) yang sekarang jauh lebih umum, juga dikenal sebagai sensor CMOS. Sensor CMOS digunakan dalam teknologi kamera digital seperti kamera ponsel, kamera web, sebagian besar kamera saku digital modern, sebagian besar kamera refleks lensa tunggal digital (DSLR), kamera lensa yang dapat dipertukarkan (MILC), dan pencitraan tanpa lensa untuk sel.

Sensor CMOS muncul sebagai alternatif untuk sensor gambar charge-coupled device (CCD) dan pada akhirnya menjualnya pada pertengahan tahun 2000-an.

Istilah sensor piksel aktif juga digunakan untuk merujuk ke sensor piksel individual itu sendiri, dan bukan sensor gambar. Dalam hal ini, sensor gambar kadang-kadang disebut pencitra sensor piksel aktif, atau sensor gambar piksel aktif.

Sejarah

Latar belakang

Ketika meneliti teknologi metal-oxide-semiconductor (MOS), Willard Boyle dan George E. Smith menyadari bahwa muatan listrik dapat disimpan pada kapasitor MOS yang kecil, yang menjadi blok bangunan dasar perangkat charge-couple (CCD), yang mereka temukan pada tahun 1969. Masalah dengan teknologi CCD adalah kebutuhannya untuk transfer muatan yang hampir sempurna dalam pembacaan, yang, "membuat radiasi [toleransi?] 'lunak', sulit digunakan dalam kondisi cahaya rendah, sulit dibuat dalam ukuran array besar, sulit diintegrasikan dengan elektronik on-chip, sulit digunakan pada suhu rendah, sulit digunakan pada frekuensi gambar yang tinggi, dan sulit dibuat dalam bahan non-silikon yang memperpanjang respons panjang gelombang."

Di RCA Laboratories, sebuah tim peneliti yang terdiri dari Paul K. Weimer, W.S. Pike dan G. Sadasiv pada tahun 1969 mengusulkan sensor gambar solid-state dengan sirkuit pemindaian yang menggunakan transistor film tipis (TFT), dengan film fotokonduktif yang digunakan sebagai fotodetektor. Pencitraan N-channel MOSFET (NMOS) beresolusi rendah yang "sebagian besar digital" dengan amplifikasi intra-piksel, untuk aplikasi mouse optik, didemonstrasikan oleh Richard F. Lyon pada tahun 1981. Jenis teknologi sensor gambar lainnya yang terkait dengan APS adalah array bidang fokus inframerah hibrida (IRFPA), yang didesain untuk beroperasi pada suhu kriogenik dalam spektrum inframerah. Perangkat ini terdiri atas dua chip yang disatukan seperti roti lapis: satu chip berisi elemen detektor yang dibuat dalam InGaAs atau HgCdTe, dan chip lainnya biasanya terbuat dari silikon dan digunakan untuk membaca fotodetektor. Tanggal pasti asal mula perangkat ini dirahasiakan, tetapi perangkat ini sudah digunakan pada pertengahan tahun 1980-an.

Elemen kunci sensor CMOS modern adalah fotodioda yang disematkan (PPD). Ini ditemukan oleh Nobukazu Teranishi, Hiromitsu Shiraki dan Yasuo Ishihara di NEC pada tahun 1980, dan kemudian dilaporkan secara terbuka oleh Teranishi dan Ishihara bersama A. Kohono, E. Oda dan K. Arai pada tahun 1982, dengan penambahan struktur anti-mekar. Fotodioda yang disematkan adalah struktur fotodetektor dengan jeda rendah, noise rendah, efisiensi kuantum tinggi dan arus gelap rendah. Struktur fotodetektor baru yang ditemukan di NEC diberi nama "pinned photodiode" (PPD) oleh B.C. Burkey di Kodak pada tahun 1984. Pada tahun 1987, PPD mulai disatukan ke dalam sebagian besar sensor CCD, menjadi perlengkapan pada kamera video elektronik konsumen, dan kemudian kamera gambar diam digital. Sejak saat itu, PPD telah digunakan pada hampir semua sensor CCD dan kemudian sensor CMOS.

Sensor piksel pasif

Pendahulu APS adalah sensor piksel pasif (PPS), suatu jenis larik fotodioda (PDA). Sensor piksel pasif terdiri dari piksel pasif yang dibaca tanpa penguatan, dengan masing-masing piksel terdiri dari fotodioda dan sakelar MOSFET. Dalam larik fotodioda, piksel berisi sambungan p-n, kapasitor terintegrasi, dan MOSFET sebagai transistor pemilihan. Larik fotodioda diusulkan oleh G. Weckler pada tahun 1968, mendahului CCD. Ini adalah dasar untuk PPS, yang memiliki elemen sensor gambar dengan transistor pemilihan dalam piksel, yang diusulkan oleh Peter J.W. Noble pada tahun 1968, dan oleh Savvas G. Chamberlain pada tahun 1969.

Sensor piksel pasif diselidiki sebagai alternatif solid-state untuk perangkat pencitraan tabung vakum. Sensor piksel pasif MOS hanya menggunakan sakelar sederhana dalam piksel untuk membaca muatan terintegrasi fotodioda. Piksel disusun dalam struktur dua dimensi, dengan kabel pengaktifan akses yang digunakan bersama oleh piksel dalam baris yang sama, dan kabel keluaran yang digunakan bersama oleh kolom. Pada akhir setiap kolom terdapat sebuah transistor. Sensor piksel pasif memiliki banyak keterbatasan, seperti noise yang tinggi, pembacaan yang lambat, dan kurangnya skalabilitas. Array fotodioda awal (1960-an-1970-an) dengan transistor pilihan dalam setiap piksel, bersama dengan sirkuit multiplexer dalam chip, tidak praktis berukuran besar. Derau dari susunan fotodioda juga membatasi kinerja, karena kapasitansi bus pembacaan fotodioda mengakibatkan peningkatan tingkat derau pembacaan. Pengambilan sampel ganda berkorelasi (CDS) juga tidak dapat digunakan dengan susunan fotodioda tanpa memori eksternal. Pada tahun 1970-an, tidak memungkinkan untuk membuat sensor piksel aktif dengan ukuran piksel yang praktis, karena keterbatasan teknologi mikrolitografi pada saat itu. Karena proses MOS sangat bervariasi dan transistor MOS memiliki karakteristik yang berubah dari waktu ke waktu (ketidakstabilan V), operasi domain muatan CCD lebih dapat diproduksi dan memiliki kinerja yang lebih tinggi daripada sensor piksel pasif MOS.

Sensor piksel aktif

Sensor piksel aktif terdiri dari piksel aktif, masing-masing berisi satu atau lebih penguat MOSFET yang mengubah muatan yang dihasilkan foto menjadi tegangan, memperkuat tegangan sinyal, dan mengurangi noise. Konsep perangkat piksel aktif diusulkan oleh Peter Noble pada tahun 1968. Dia menciptakan susunan sensor dengan penguat pembacaan MOS aktif per piksel, yang pada dasarnya merupakan konfigurasi tiga transistor modern: struktur fotodioda yang terkubur, transistor pemilihan, dan penguat MOS.

Konsep piksel aktif MOS diimplementasikan sebagai perangkat modulasi muatan (CMD) oleh Olympus di Jepang pada pertengahan tahun 1980-an. Hal ini dimungkinkan oleh kemajuan dalam fabrikasi perangkat semikonduktor MOSFET, dengan penskalaan MOSFET mencapai tingkat mikron yang lebih kecil dan kemudian sub-mikron selama tahun 1980-an hingga awal 1990-an. MOS APS pertama dibuat oleh tim Tsutomu Nakamura di Olympus pada tahun 1985. Istilah sensor piksel aktif (APS) diciptakan oleh Nakamura sewaktu mengerjakan sensor piksel aktif CMD di Olympus. Pencitraan CMD memiliki struktur APS vertikal, yang meningkatkan faktor pengisian (atau mengurangi ukuran piksel) dengan menyimpan muatan sinyal di bawah transistor NMOS keluaran. Perusahaan semikonduktor Jepang lainnya segera mengikuti dengan sensor piksel aktif mereka sendiri selama akhir 1980-an hingga awal 1990-an. Antara tahun 1988 dan 1991, Toshiba mengembangkan sensor "transistor permukaan mengambang gerbang ganda", yang memiliki struktur APS lateral, dengan masing-masing piksel berisi fotogate MOS saluran terkubur dan penguat output PMOS. Antara tahun 1989 dan 1992, Canon mengembangkan sensor gambar yang tersimpan dalam basis (BASIS), yang menggunakan struktur APS vertikal, mirip dengan sensor Olympus, tetapi dengan transistor bipolar, bukan MOSFET.

Pada awal tahun 1990-an, perusahaan-perusahaan Amerika mulai mengembangkan sensor piksel aktif MOS yang praktis. Pada tahun 1991, Texas Instruments mengembangkan sensor CMD massal (BCMD), yang dibuat di cabang perusahaan di Jepang dan memiliki struktur APS vertikal yang mirip dengan sensor CMD Olympus, tetapi lebih kompleks dan menggunakan transistor PMOS, bukan NMOS.

Sensor CMOS

Pada akhir tahun 1980-an hingga awal 1990-an, proses CMOS sudah mapan sebagai proses manufaktur semikonduktor stabil yang terkendali dengan baik, dan merupakan proses dasar untuk hampir semua logika dan mikroprosesor. Ada kebangkitan dalam penggunaan sensor piksel pasif untuk aplikasi pencitraan kelas bawah, sementara sensor piksel aktif mulai digunakan untuk aplikasi fungsi tinggi beresolusi rendah seperti simulasi retina dan detektor partikel berenergi tinggi. Namun demikian, CCD tetap memiliki noise temporal dan noise pola tetap yang jauh lebih rendah dan merupakan teknologi yang dominan untuk aplikasi konsumen seperti camcorder serta kamera siaran, di mana CCD menggantikan tabung kamera video.

Pada tahun 1993, APS praktis pertama yang berhasil dibuat di luar Jepang, dikembangkan di Jet Propulsion Laboratory (JPL) NASA, yang membuat APS yang kompatibel dengan CMOS. Ini memiliki struktur APS lateral yang mirip dengan sensor Toshiba, tetapi dibuat dengan transistor CMOS, bukan PMOS. Ini adalah sensor CMOS pertama dengan transfer muatan intra-piksel.

Pada tahun 1999, Hyundai Electronics mengumumkan produksi komersial sensor gambar CMOS warna 800x600 piksel berdasarkan piksel 4T dengan fotodioda yang disematkan berkinerja tinggi dengan ADC terintegrasi dan dibuat dalam proses DRAM 0,5um dasar.

Sensor CMOS Photobit digunakan pada webcam yang diproduksi oleh Logitech dan Intel, sebelum Photobit dibeli oleh Micron Technology pada tahun 2001. Pasar sensor CMOS awal pada awalnya dipimpin oleh produsen Amerika, seperti Micron, dan Omnivision, yang memungkinkan Amerika Serikat untuk secara singkat merebut kembali sebagian pasar sensor gambar secara keseluruhan dari Jepang, sebelum akhirnya pasar sensor CMOS didominasi oleh Jepang, Korea Selatan, dan Tiongkok. Sensor CMOS dengan teknologi PPD semakin maju dan disempurnakan oleh RM Guidash pada tahun 1997, K. Yonemoto dan H. Sumi pada tahun 2000, dan I. Inoue pada tahun 2003. Hal ini menyebabkan sensor CMOS mencapai performa penggambaran yang setara dengan sensor CCD, dan kemudian melampaui sensor CCD.

Pada tahun 2000, sensor CMOS digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk kamera murah, kamera PC, faks, multimedia, keamanan, pengawasan, dan telepon video.

Industri video beralih ke kamera CMOS dengan munculnya video definisi tinggi (video HD), karena jumlah piksel yang besar akan memerlukan konsumsi daya yang jauh lebih tinggi dengan sensor CCD, yang akan membuat baterai menjadi panas dan menguras baterai. Sony pada tahun 2007 mengkomersialkan sensor CMOS dengan sirkuit konversi A/D kolom asli, untuk performa yang cepat dan rendah noise, diikuti pada tahun 2009 oleh sensor CMOS back-illuminated (sensor BI), dengan sensitivitas dua kali lipat sensor gambar konvensional.

Sensor CMOS kemudian memiliki dampak budaya yang signifikan, yang menyebabkan proliferasi massal kamera digital dan ponsel kamera, yang mendukung kebangkitan media sosial dan budaya selfie, serta berdampak pada pergerakan sosial dan politik di seluruh dunia. Pada tahun 2007, penjualan sensor piksel aktif CMOS telah melampaui sensor CCD, dengan sensor CMOS menguasai 54% pasar sensor gambar global pada waktu itu. Pada tahun 2012, sensor CMOS meningkatkan pangsa pasarnya menjadi 74%. Pada tahun 2017, sensor CMOS menguasai 89% penjualan sensor gambar global. Dalam beberapa tahun terakhir, [kapan?] teknologi sensor CMOS telah menyebar ke fotografi format menengah dengan Phase One menjadi yang pertama meluncurkan kamera digital format menengah dengan sensor CMOS buatan Sony.

Pada tahun 2012, Sony memperkenalkan sensor CMOS BI bertumpuk. Ada beberapa kegiatan penelitian yang sedang berlangsung di bidang sensor gambar. Salah satunya adalah quanta image sensor (QIS), yang mungkin merupakan pergeseran paradigma dalam cara kita mengumpulkan gambar dalam kamera. Dalam QIS, tujuannya adalah untuk menghitung setiap foton yang mengenai sensor gambar, dan memberikan resolusi kurang dari 1 juta hingga 1 miliar atau lebih elemen foto khusus (disebut jot) per sensor, dan membaca bidang bit jot ratusan atau ribuan kali per detik yang menghasilkan data terabit/detik. Ide QIS masih dalam tahap awal dan mungkin tidak akan pernah menjadi kenyataan karena kerumitan yang tidak diperlukan untuk menangkap gambar 

Boyd Fowler dari OmniVision dikenal atas karyanya dalam pengembangan sensor gambar CMOS. Kontribusinya meliputi sensor gambar CMOS piksel digital pertama pada tahun 1994; sensor gambar CMOS linier ilmiah pertama dengan noise pembacaan RMS elektron tunggal pada tahun 2003; sensor gambar CMOS area multi-megapiksel ilmiah pertama dengan rentang dinamis tinggi secara simultan (86 dB), pembacaan cepat (100 frame/detik) dan noise pembacaan sangat rendah (1,2e- RMS) (sCMOS) pada tahun 2010. Beliau juga mematenkan sensor gambar CMOS pertama untuk sinar-X gigi inter-oral dengan sudut terpotong untuk kenyamanan pasien yang lebih baik.

Pada akhir tahun 2010-an, sensor CMOS sebagian besar atau bahkan seluruhnya telah menggantikan sensor CCD, karena sensor CMOS tidak hanya dapat dibuat di lini produksi semikonduktor yang ada, sehingga mengurangi biaya, tetapi juga mengonsumsi lebih sedikit daya, hanya untuk menyebutkan beberapa keuntungan. 

HV-CMOS

Perangkat HV-CMOS adalah kasus khusus dari sensor CMOS biasa yang digunakan dalam aplikasi tegangan tinggi (untuk mendeteksi partikel berenergi tinggi) seperti CERN Large Hadron Collider yang membutuhkan tegangan tinggi hingga ~30-120V. Perangkat tersebut tidak digunakan untuk pengalihan tegangan tinggi. HV-CMOS biasanya diimplementasikan dengan zona deplesi n-doped sedalam ~ 10 μm (n-well) dari transistor pada substrat wafer tipe-p.

Perbandingan dengan CCD

Piksel APS memecahkan masalah kecepatan dan skalabilitas sensor piksel pasif. Sensor ini umumnya mengonsumsi daya lebih sedikit daripada CCD, memiliki jeda gambar yang lebih sedikit, dan memerlukan fasilitas produksi yang lebih sedikit. Tidak seperti CCD, sensor APS dapat menggabungkan fungsi sensor gambar dan fungsi pemrosesan gambar dalam sirkuit terpadu yang sama. Sensor APS telah menemukan pasar dalam banyak aplikasi konsumen, khususnya ponsel kamera. Sensor ini juga telah digunakan di bidang lain termasuk radiografi digital, akuisisi gambar militer berkecepatan sangat tinggi, kamera keamanan, dan mouse optik. Produsennya antara lain Aptina Imaging (spinout independen dari Micron Technology, yang membeli Photobit pada tahun 2001), Canon, Samsung, STMicroelectronics, Toshiba, OmniVision Technologies, Sony, dan Foveon. Sensor APS tipe CMOS biasanya sesuai untuk aplikasi yang mengutamakan pengemasan, manajemen daya, dan pemrosesan on-chip. Sensor tipe CMOS digunakan secara luas, dari fotografi digital kelas atas hingga kamera ponsel.

Keuntungan CMOS dibandingkan dengan CCD

Keuntungan utama sensor CMOS yaitu, biaya produksinya biasanya lebih murah daripada sensor CCD, karena elemen pengambilan gambar dan penginderaan gambar dapat dipadukan ke dalam IC yang sama, dan konstruksinya pun lebih sederhana.

Sensor CMOS juga biasanya memiliki kontrol yang lebih baik atas blooming (yaitu, pelepasan muatan foto dari piksel yang terlalu banyak cahaya ke piksel lain di dekatnya).

Dalam sistem kamera tiga sensor yang menggunakan sensor terpisah untuk menyelesaikan komponen merah, hijau, dan biru pada gambar bersama dengan prisma pembagi berkas, ketiga sensor CMOS bisa identik, sedangkan kebanyakan prisma pembagi mengharuskan salah satu sensor CCD harus gambar cermin dari dua sensor lainnya untuk membaca gambar dalam urutan yang kompatibel. Tidak seperti sensor CCD, sensor CMOS memiliki kemampuan untuk membalikkan pengalamatan elemen sensor. Sensor CMOS dengan kecepatan film ISO 4 juta sudah ada.

Kekurangan CMOS dibandingkan dengan CCD

Karena sensor CMOS biasanya menangkap satu baris pada satu waktu dalam waktu kira-kira 1/60 atau 1/50 detik (tergantung pada kecepatan penyegaran), maka, hal ini bisa menghasilkan efek "rana bergulir", di mana gambar menjadi miring (miring ke kiri atau ke kanan, tergantung pada arah pergerakan kamera atau subjek). Contohnya, apabila melacak mobil yang bergerak pada kecepatan tinggi, mobil tidak akan terdistorsi, tetapi latar belakangnya akan tampak miring. Sensor CCD transfer bingkai atau sensor CMOS "rana global" tidak memiliki masalah ini; sebaliknya, sensor ini menangkap seluruh gambar sekaligus ke dalam penyimpanan bingkai.

Keunggulan sensor CCD yang sudah lama ada yaitu, kemampuannya menangkap gambar dengan noise yang lebih rendah. Dengan perbaikan dalam teknologi CMOS, keunggulan ini sudah tidak ada lagi pada tahun 2020, dengan tersedianya sensor CMOS modern yang mampu mengungguli sensor CCD.

Sirkuit aktif dalam piksel CMOS mengambil sebagian area pada permukaan yang tidak peka cahaya, sehingga mengurangi efisiensi pendeteksian foton pada perangkat (lensa mikro dan sensor yang disinari cahaya latar bisa mengurangi masalah ini). Tetapi, CCD frame-transfer juga memiliki sekitar setengah area yang tidak peka untuk node penyimpan bingkai, sehingga keuntungan relatif bergantung pada jenis sensor yang dibandingkan. 

Disadur dari : en.wikipedia.org

 

Kementerian Perindustrian (Kemenperin) menindaklanjuti hasil dari penandatangan kerja sama dengan Sehat Sutardja dari Zerro Power System beberapa waktu lalu di Bali. Kerja sama ini dalam upaya pembangunan Pusat Integrated Circuits (IC) Desain untuk mendukung pertumbuhan industri semikonduktor di Indonesia.

Tindak lanjut tersebut direalisasikan dalam pertemuan antara kedua pihak bersama perwakilan perguruan tinggi di Indonesia. “Kemenperin berkomitmen untuk mendukung pembentukan ekosistem industri semikonduktor sesuai dengan tugas pokok dan fungsi serta sumber daya yang kami miliki,” ujar Direktur Jenderal Ketahanan, Perwilayahan, dan Akses Industri Internasional Eko SA. Cahyanto di dalam pertemuan yang diselenggarakan di Balai Besar Standarisasi dan Pelayanan Jasa Industri (BBSPJI) Logam dan Mesin, Bandung, Senin (21/11).

Industri semikonduktor merupakan sektor yang strategis karena saat ini produknya dibutuhkan banyak manufaktur dalam mendukung produktivitasnya. Saat ini sektor industri sedang menghadapi kelangkaan suplai semikonduktor. Eko menyampaikan, kondisi tersebut telah memasuki tahun ketiga. “Hal ini juga dipengaruhi oleh kondisi pandemi serta meningkatnya kebutuhan chip semikonduktor untuk bertambahkan peralatan elektronik,” jelasnya.

Masih menurut Dirjen KPAII Kemenperin, perusahaan-perusahaan semikonduktor yang telah menguasai pasar global tidak terlepas dari peran manajemen sumber daya manusia (SDM) yang terampil dan memiliki inovasi tinggi. “Perusahaan di Amerika Serikat yang hampir 50% terlibat dalam penjualan semikonduktor pasar global telah menghabiskan sebesar 18% dari pendapatan pada tahun 2019 untuk pengembangan dan penelitian IC Design,” kata Eko.

Upaya pembangunan Pusat IC Desain sejalan dengan program yang telah disusun Kemenperin untuk industri semikonduktor, yaitu mengembangkan industri tier-1 atau Outsourced Semiconductor Assembly and Test (OSAT), serta pengembangan Pusat IC Desain dan pengembangan SDM di bidang semikonduktor. Karenanya, Kemenperin menggandeng perguruan tinggi di Indonesia yang memiliki potensi SDM bagi ekosistem tersebut, terutama yang memiliki keahlian bidang teknik elektronikaatau menguasai analog/mixed signal integrated circuit fields.

Kepala Badan Standardisasi dan Kebijakan Jasa Industri (BSKJI) Kemenperin Doddy Rahadi menyampaikan, Kemenperin melalui balai-balai yang dimiliki juga siap memfasilitasi pembangunan ekosistem industri semikonduktor. Dalam kesempataan ini, rombongan juga mengunjungi fasilitas working space di BBSPJI Logam dan Mesin, Bandung yang selanjutnya akan dikembangkan menjadi Pusat IC Desain.

Ia pun menjelaskan, faktor lain yang mendukung keberhasilan ekosistem industri semikonduktor adalah insentif dari pemerintah karena sifat industri semikonduktor yang padat teknologi sekaligus padat modal. “Insentif merupakan pendorong keberhasilan dalam menciptakan inovasi semikonduktor di negara-negara maju sebagai pemimpin perkembangan teknologi di sektor industri semikonduktor. Hal ini dibuktikan dengan banyaknya paten semikonduktor dunia yang mereka hasilkan,” ujar Doddy.

Selanjutnya, akses infrastruktur yang memadai hingga ketersediaan tenaga ahli. Sehingga, melalui kerja sama ini, Sehat Sutardja akan mendatangkan tim expert yang berada di Singapura untuk membantu membangun Pusat IC Desain di Indonesia. “Kami mengapresiasi Kemenperin yang mendukung dalam kerja sama ini dengan memberikan subsidi serta memfasilitasi pembangunan pabrik semikonduktor,” ujar Sehat.

Ia mengatakan, industri semikonduktor selama ini cenderung ditinggalkan sehingga tidak ada antisipasi kelangkaan suplai, yang kemudian menjadi hambatan bagi manufaktur. Pengembangan industri semikonduktor di Indonesia juga perlu dilakukan dengan maksimal dan menargetkan pasar ekspor, selain memenuhi kebutuhan di dalam negeri.

“Mari kita kembali memberikan perhatian lagi kepada semikonduktor. Membangun industri yang ditargetkan menjadi yang terbaik akan memberikan lebih banyak peluang untuk memasuki bisnis semikonduktor dan menargetkan keberhasilan,” jelas Sehat.

Senada dengan Kemenperin, Sehat menegaskan bahwa perlu SDM unggul dalam pengembangan ekosistem industri semikonduktor. Ia menyarankan dukungan kepada perguruan tinggi dan mahasiswa melalui pemberian beasiswa untuk membangun SDM yang unggul dan memiliki kemampuan di bidang ini. “Pengembangan industri ini memang membutuhkan waktu sehingga harus dimulai dari sekarang, terlebih dalam menghadapi area bisnis baru yang memerlukan adapatasi. Namun ini adalah kesempatan untuk mentransformasi industri, yang tadinya tertutup menjadi lebih terbuka terhadap peluang-peluang,” pungkasnya.

Sumber: kemenperin.go.id