¿Cómo funciona el sensor de una cámara?

Todo fotógrafo con la suficiente experiencia es capaz de distinguir entre un sensor APS-C y un full-frame, tomando así una decisión profesional y objetiva en cuanto a las necesidades de este refiere. Aquellos con oportunidad de utilizar una cámara datada entre la década de los 70 y mediados de los 90 incluso pueden discernir entre un sensor CCD y un CMOS, pero, ¿Exactamente cómo funciona el sensor físicamente?

Funcionamiento de la película

Antes de adentrarnos en la física detrás de las cámaras digitales, exploraremos uno de los mayores logros químicos del siglo XIX, la película fotográfica, que funciona de una forma bastante cercana al procesamiento digital de hoy día.
La película consiste en una hoja de plástico o celulosa cubierta de una capa de cristales de haluro de plata suspendidos en una gelatina purificada. Cuando el obturador se abre, expone esta película a la luz. La energía de los fotones que han impactado contra los cristales es absorbida por el haluro, de manera que desestabiliza los cristales y rompe los enlaces entre la plata y el bromo, dando lugar a un electrón libre, un catión de plata y un átomo de bromo.
El electrón libre viaja por el cristal hasta un denominado punto de sensibilidad, el cual puede ser una deformidad o un trozo de sulfuro de plata u oro añadido durante la fabricación del cristal. En dicho punto el electrón libre se une a un ion positivo de plata, formando un átomo de plata libre. Mientras más intensa es la luz incidida en el cristal, más veces se produce esta reacción en cada uno de los cristales.

Tras la exposición inicial a la luz, los átomos de plata han almacenado la información referente a la imagen, pero son aún demasiado pequeños para ser visibles. Esto requiere de un proceso de revelación, para el cual son necesarios tan solo cuatro átomos de plata por cristal para hacer que este sea revelable y visible como una sombra de gris. Tras una serie de baños químicos, esta información se amplifica, creando una imagen negativa que puede ser invertida para lograr una impresión positiva.

El diodo fotográfico

El silicio es encargado de capturar las imágenes digitales, al igual que el haluro de plata de las analógicas.
El silicio es un semiconductor que forma cristales tetraédricos, de manera que de por sí mismo no es capaz de conducir la electricidad de forma eficiente, pues los electrones no pueden fluir de un lado a otro. Al mezclar estos átomos con los de otro elemento, se modifica también la capacidad de flujo de electrones en la capa de valencia, de manera que puede crear un cristal cargado positiva o negativamente. A este proceso se le llama dopado.
Si se añade fósforo al conjunto de cristales, que tiene 5 electrones en su capa más externa, a diferencia de los 4 del silicio, Se crea un semiconductor negativamente cargado, de tipo N.
Por otro lado, de añadir Boro a la red cristalina, que solo tiene 3 electrones en su capa de valencia, se crea un semiconductor de tipo P, positivamente cargado. Como falta un electrón para crear el octeto necesario, el nuevo semiconductor es propenso a atraer los electrones libres cercanos.

Estos cristales tienen carga neutra de por sí solos, pues tienen la misma cantidad de protones que de electrones, pero al colocar ambos tipos de semiconductor junto al otro, se crea uno de los componentes electrónicos más importantes, un diodo de unión P-N. Este diodo es capaz de transmitir el flujo energético en un sentido, pero no al contrario.
Al exponer el extremo N del diodo, los electrones de este se mueven para llenar los huecos del extremo P, creando una denominada capa de depleción. Ahora, el extremo tipo P se encuentra negativamente cargado por el exceso de electrones, mientras que el tipo N esta positivamente cargado por la falta de estos. Si conectamos este diodo con el ánodo tipo P al terminal positivo y el cátodo tipo N al terminal negativo, la capa de depleción se encoge, y deja a la corriente avanzar. Este proceso se denomina polarización directa.
Si invertimos la polaridad de los terminales, la capa de depleción aumentará y repelerá los electrones, impidiendo el flujo de energía por el diodo en un proceso llamado polarización inversa.
Cuando un diodo se encuentra en inversa, existe un fenómeno llamado efecto fotoeléctrico.

Al igual que el haluro de plata, el silicio reacciona al ser incidido con fotones de longitudes de onda entre 190 y 1100 nanómetros, entre los que se encuentra la luz visible. Cuando esto ocurre, se crea un par de electrón-hueco, cuyo electrón se moverá a la zona N del diodo, cargada positivamente. Aprovechando esto, se puede medir la intensidad de la luz midiendo el número de electrones, voltaje.

Sensores CCD(Charge-Coupled Device)

La forma más intuitiva de leer los fotodiodos para crear una imagen es colocar cableado en una malla xy y leer los datos columna a columna, pero esto resulta en un problema llamado acoplamiento capacitivo, causado por carga extra por pixel antes de ser leído por el procesador de imagen, y causante de ruido y artefactos.

Para solucionar este problema, un innovador proceso fue desarrollado en 1969 por Willard Boyle y George E. Smith, en el cual eliminaban por completo el cableado, llamado Dispositivo de Carga Acoplada.
Este dispositivo utiliza un único trozo de silicio que se divide por canales aislantes. La lámina es cubierta con una fina capa de óxido de silicio y le es depositada una serie de tiras de aluminio colocadas perpendicularmente a los canales aislantes. De esta forma, cada píxel se encuentra delimitado por cada canal aislante y tres tiras de aluminio atravesándolo por arriba, centro y debajo.

Cuando el obturador abre, el sensor es expuesto a la luz, y el efecto fotoeléctrico causa que los electrones emerjan a la parte superior del bloque de silicio, los cuales son atrapados por los canales de aluminio cargados. El obturador se cierra posteriormente, y el sensor mantiene la carga de exposición. Ahora la carga es transportada fila a fila alternando la corriente entre las tiras de aluminio, para ser enviada a un registro de desplazamiento en serie que amplificará la imagen y la guardará en la memoria de la cámara. Cuando este proceso ha terminado, el sensor estará listo para la siguiente captura.

Entre las ventajas del CCD se encuentra una imagen con muy poco ruido, y un muy buen rendimiento en condiciones de luz poco favorables, de manera que es utilizado hoy en día en tomas aéreas o espaciales.
Por otro lado, el proceso requiere mucha energía, no es excepcionalmente rápido y es bastante costoso.

El sensor CCD dominó el mercado entre los años 80 y 90.

Sensores CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)

El Semiconductor Complementario de Óxido Metálico es una técnica usada para fabricar circuitos integrados como la SRAM y DRAM. El CMOS APS(Active Pixel Sensor) se había descrito en estudios en un tiempo muy cercano su contraparte CCD, pero la limitaciones en los procesos de fabricación no permitieron el uso común de esta tecnología hasta mediados de los 90, cuando se hicieron comercialmente viables.

Al igual que los CCD, un CMOS APS esta también hecho de una sola pieza de silicio. Pero en vez de utilizar una malla transportadora, cada píxel tiene un condensador y amplificador de señal. De esta manera se omite el problema del acoplamiento capacitivo, y hace al sensor "activo", por amplificar el voltaje por cada píxel. Este voltaje es enviado a través de pequeños cables hacia un bus y es procesado en paralelo por la cámara.

Este principio hace que el CMOS sea mucho más eficiente energéticamente y sea más económico, además de poder permitir capturas de imagen consecutivas mucho más rápido.
En contraste, es más propenso a sufrir de problemas de ruido, y el artefacto de movimiento denominado como "rolling shutter", que es visualmente apreciable en un vídeo de alta velocidad grabado por Gavin Free,de The Slow Mo Guys

Las ventajas del CMOS, desde su fabricación a su eficiencia energética, son lo que lo hacen viable para estar presente en todas las cámaras de smartphones, de consumo y la mayoría de cámaras profesionales.