CMOS vs BSI-anturit: rakenne, suorituskyky ja sovellukset verrattuna

Kuva-antureita tarvitaan kameroissa puhelimista kaukoputkiin, jotka vangitsevat valoa ja muuttavat sen kuviksi. CMOS (Front-Side Valaistu) ja BSI (Backside-Valaistu) -anturit toimivat samoilla periaatteilla, mutta eroavat rakenteeltaan ja vaikuttavat valon sieppaamiseen, kohinaan ja värien laatuun. Tässä artikkelissa selitetään yksityiskohtaisesti niiden suunnittelu, suorituskyky, käyttötarkoitukset ja tuleva kehitys.

1. CMOS vs BSI -anturin yleiskatsaus

2. CMOS-anturin arkkitehtuuri

3. BSI CMOS -anturin sisällä

4. Valon tehokkuuden ja herkkyyden vertailu

5. Pikselin kutistuminen ja täyttökerroin

6. Ylikuuluminen, melu ja takapuolen diffuusio

CC7. BSI:stä pinottuihin CMOS-arkkitehtuureihin

8. Dynaaminen alue ja värisuorituskyky CMOS- ja BSI-antureissa

9. CMOS- ja BSI-antureiden sovellukset

10. CMOS- ja BSI-antureiden tuleva kehitys

11. Johtopäätös

12. Usein kysytyt kysymykset

Figure 1. CMOS vs BSI Sensor

CMOS vs BSI -anturin yleiskatsaus

Jokainen kamera, taskussasi olevasta älypuhelimesta kaukaisia galakseja tutkiviin teleskooppeihin, riippuu siitä, kuinka tehokkaasti sen kuvakenno vangitsee valoa. Sekä CMOS- että BSI-anturit noudattavat samanlaisia puolijohdeperiaatteita, mutta niiden rakenteelliset erot johtavat suuriin vaihteluihin valoherkkyydessä, kohinan suorituskyvyssä ja kuvanlaadussa. Perinteisissä CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) -antureissa metallijohdot ja transistorit sijaitsevat valodiodien yläpuolella, mikä estää osittain tulevan valon ja vähentää yleistä herkkyyttä. Tämä rakenne tekee CMOS-antureista kustannustehokkaita ja helpompia valmistaa, mutta rajoittaa suorituskykyä heikossa valaistuksessa. Sitä vastoin BSI-anturit (Back-Side Illuminated) kääntävät rakenteen ja sijoittavat valodiodin päälle niin, että valo saavuttaa sen suoraan ilman esteitä. Tämä parantaa kvanttitehokkuutta, vähentää kohinaa ja parantaa suorituskykyä kompakteissa tai huippuluokan kuvantamisjärjestelmissä DSLR-kameroista tieteellisiin instrumentteihin.

CMOS-anturin arkkitehtuuri

Figure 2. CMOS Sensor Architecture

Front-Side Illuminated (FSI) CMOS-kenno edustaa aikaisempaa ja perinteisempää digitaalikameroissa ja älypuhelimissa käytettyä kuvakennorakennetta. Tässä arkkitehtuurissa tulevan valon on kuljettava useiden materiaalikerrosten läpi ennen kuin se saavuttaa valodiodin, valoherkän alueen, joka vastaa fotonien muuntamisesta sähköisiksi signaaleiksi.

Työprosessi

Jokainen näytön pikseli toimii koordinoidulla prosessilla, johon kuuluu mikrolinssejä, värisuodattimia, metalliliitäntöjä, transistoreita ja valodiodikerros. Mikrolinssit tarkentavat ensin tulevan valon punaisen, vihreän ja sinisen värisuodattimien läpi varmistaen, että vain tietyt aallonpituudet saavuttavat kunkin alipikselin. Valodiodin yläpuolella metalliliitännät ja transistorit hallitsevat pikselin sähköistä ohjausta ja signaalin lukemista, vaikka niiden sijainti voi osittain estää osan tulevasta valosta. Näiden kerrosten alla on valodiodi, joka vangitsee jäljellä olevan valon ja muuntaa sen sähkövaraukseksi muodostaen pikselin peruskuvasignaalin.

FSI-suunnittelun rajoitukset

• Vähentynyt valoherkkyys: Osa valosta heijastuu tai absorboituu johto- ja transistorikerroksiin ennen kuin se pääsee valodiodiin.

• Pienempi täyttökerroin: Kun pikselikoot pienenevät, valoherkän alueen suhde koko pikselipinta-alaan pienenee, mikä lisää kohinaa.

• Heikompi suorituskyky hämärässä: FSI-anturit kamppailevat hämärissä ympäristöissä verrattuna nykyaikaisiin vaihtoehtoihin, kuten BSI-antureihin.

BSI CMOS -anturin sisällä

Figure 3. Inside the BSI CMOS Sensor

Backside-Illuminated (BSI) CMOS-kenno mullisti digitaalisen kuvantamisen puuttumalla perinteisten etupuolen valaistujen (FSI) mallien suuriin haittoihin, metallijohtojen ja transistorien aiheuttamaan valon tukkeutumiseen. Kääntämällä anturin rakenteen BSI mahdollistaa tulevan valon pääsyn suoraan valodiodiin, mikä parantaa dramaattisesti valon tehokkuutta ja kuvanlaatua.

BSI-tekniikan toiminto

• Piikiekko ohennetaan vain muutamaan mikrometriin valoherkän kerroksen paljastamiseksi

• Valodiodikerros on sijoitettu yläpuolelle, suoraan tulevaa valoa kohti

• Metallijohdot ja transistoripiirit on siirretty takapuolelle, mikä estää niitä estämästä valoreittejä

• Edistykselliset mikrolinssit on kohdistettu tarkasti jokaisen pikselin päälle optimaalisen valon tarkennuksen varmistamiseksi

BSI-antureiden edut

• Parempi valonvaimennustehokkuus: Jopa 30–50 % parempi kuin FSI-kennoissa, mikä johtaa kirkkaampiin ja puhtaampiin kuviin.

• Erinomainen suorituskyky hämärässä: Pienempi fotonihäviö parantaa herkkyyttä ja minimoi kohinaa pimeässä ympäristössä.

• Parannettu väritarkkuus: Esteettömien valopolkujen ansiosta värisuodattimet tuottavat tarkempia ja elävämpiä sävyjä.

• Kompakti pikselisuunnittelu: BSI tukee pienempiä pikselikokoja säilyttäen samalla kuvanlaadun, ihanteellinen korkearesoluutioisille antureille.

• Parannettu dynaaminen alue: Parempi signaalin sieppaus sekä näkymän kirkkailla että himmeillä alueilla.

Valon tehokkuuden ja herkkyyden vertailu

Ominaisuus	FSI CMOS -anturi	BSI-anturi
Valon polku	Valo kulkee johdotuksen läpi → osittaisen häviön	Suoraan valodiodiin → minimaalinen häviö
Kvanttitehokkuus (QE)	60–70 %	90–100 %
Suorituskyky heikossa valaistuksessa	Kohtalainen	Erinomainen
Pohdinta ja ylikuuluminen	Korkea	Matala
Kuvan selkeys	Keskiverto	Terävä ja kirkas hämärässä

Pikselin kutistuminen ja täyttökerroin

Figure 4. Pixel Shrink and Fill Factor

FSI CMOS -antureissa

Kun pikselikoko laskee alle 1,4 μm:n, metalliliitännät ja transistorit vievät suuremman pinta-alan. Täyttökerroin pienenee, mikä johtaa siihen, että valoa siepataan vähemmän pikseliä kohden ja kuvan kohina lisääntyy. Tuloksena on tummemmat kuvat, pienempi kontrasti ja heikompi suorituskyky heikossa valaistuksessa.

BSI CMOS -antureissa

Valodiodi on sijoitettu johdotuksen yläpuolelle, jolloin valo pääsee osumaan siihen suoraan. Tämä kokoonpano saavuttaa lähes 100 %:n täyttökertoimen, mikä tarkoittaa, että lähes koko pikselialue muuttuu valoherkäksi. BSI-anturit säilyttävät tasaisen kirkkauden ja korkeamman signaali-kohinasuhteen (SNR) koko kuvakehyksessä. Ne tarjoavat myös erinomaisen suorituskyvyn heikossa valaistuksessa jopa kompakteissa moduuleissa, kuten älypuhelin- tai drone-kameroissa.

Kuuluminen, melu ja takapuolen diffuusio

Näkökulma	Mahdolliset ongelmat CMOS (FSI) -antureissa	Mahdolliset ongelmat BSI-antureissa	Tekniset ratkaisut	Vaikutus kuvanlaatuun
Optinen ylikuuluminen	Metallijohdot sirontavat tai estävät valon ennen valodiodin saavuttamista, mikä aiheuttaa epätasaista valaistusta.	Valo vuotaa vierekkäisiin pikseleihin takapuolen valotuksen vuoksi.	Syvä kaivannon eristys (DTI): Luo fyysisiä esteitä pikselien välille optisten häiriöiden estämiseksi.	Terävämmät kuvat, parempi värierottelu ja vähemmän epätarkkuutta.
Latauksen rekombinaatio	Varauksenkantajat katoavat paksuihin pii- tai metallikerroksiin, mikä vähentää herkkyyttä.	Backside rekombinaatio: Kantajat yhdistyvät uudelleen lähellä paljasta pintaa ennen keräämistä.	Passivointikerrokset ja pintakäsittely: Vähennä vikoja ja paranna varauksen keräämistä.	Parempi herkkyys ja pienempi signaalihäviö.
Kukkiva vaikutus	Yhden pikselin ylivalotus aiheuttaa vierekkäisten pikselien kyllästymisen etupuolen diffuusion vuoksi.	Ylivalotus levittää varausta ohennetun piikerroksen alle.	Pintadoping- ja varausesteet: Hillitsevät varausta ja estävät ylivuotoa.	Vähemmän valkoisia raitoja ja tasaisempia kohokohtia.
Sähkö- ja lämpömelu	Pikselitransistorien lämpö aiheuttaa kohinaa signaalitielle.	Suurempi laukauskohina ohuen piin ja tiheiden piirien ansiosta.	Hiljaiset vahvistimet ja sirun sisäiset kohinanvaimennusalgoritmit.	Selkeämmät kuvat, parempi suorituskyky heikossa valaistuksessa.
Täyttökertoimen rajoitus	Metallikerrokset ja transistorit peittävät suuren pikselialueen, mikä vähentää valoherkkyyttä.	Lähes eliminoitu - valodiodi on täysin alttiina valolle.	BSI:n rakenne ja mikrolinssien optimointi.	Maksimaalinen valonsieppaus ja tasainen kirkkaus.

BSI:stä pinottuihin CMOS-arkkitehtuureihin

Pinotun CMOS-anturin rakenne

Kerros	Toiminto	Kuvaus
Pintakerros	Pikseliryhmä (BSI-suunnittelu)	Sisältää valoherkät valodiodit, jotka vangitsevat tulevan valon käyttämällä BSI-rakennetta herkkyyden maksimoimiseksi.
Keskikerros	Analoginen/digitaalinen piiri	Hoitaa signaalin muunnos-, vahvistus- ja kuvankäsittelytehtävät erillään pikseliryhmästä puhtaampien lähtöjen saavuttamiseksi.
Pohjakerros	Muistin tai prosessorin integrointi	Voi sisältää sulautettuja DRAM- tai AI-prosessointiytimiä nopeaa tietojen puskurointia ja reaaliaikaista kuvanparannusta varten.

Pinottujen CMOS-antureiden edut

• Erittäin nopea luku: Mahdollistaa nopean jatkuvan kuvauksen ja todellisen videokaappauksen jopa 4K- tai 8K-resoluutiolla minimaalisella rullasulkimen vääristymällä.

• Parannettu sirun sisäinen käsittely: Integroi logiikkapiirit, jotka suorittavat HDR-yhdistämisen, liikkeen korjauksen ja kohinanvaimennuksen suoraan kennossa.

• Energiatehokkuus: Lyhyemmät datapolut ja itsenäiset tehoalueet parantavat suorituskykyä ja vähentävät virrankulutusta.

• Pienempi muotokerroin: Pystysuora pinoaminen mahdollistaa kompaktin moduulisuunnittelun, joka on ihanteellinen älypuhelimille, autokameroille ja droneille.

• Tekoälyn ja laskennallisen kuvantamisen tuki: Joissakin pinotuissa antureissa on erilliset hermoprosessorit älykästä automaattitarkennusta, kohtauksen tunnistusta ja reaaliaikaista parannusta varten.

Dynaaminen alue ja värisuorituskyky CMOS- ja BSI-antureissa

BSI (takavalaistu) anturit

Figure 5. BSI (Backside-Illuminated) Sensors

Poistamalla metallijohdot valodiodin yläpuolelta BSI-anturit mahdollistavat fotonien pääsyn suoraan valoherkälle alueelle. Tämä rakenne lisää koko kaivon kapasiteettia, parantaa valon absorptiota ja minimoi kirkkaiden leikkausten leikkaamisen. Tämän seurauksena BSI-anturit tarjoavat erinomaisen HDR-suorituskyvyn, paremman värisyvyyden ja hienommat varjosävyt, mikä tekee niistä parhaita HDR-valokuvaukseen, lääketieteelliseen kuvantamiseen ja hämärässä tapahtuvaan valvontaan.

FSI (etupuolen valaistu) anturit

Figure 6. FSI (Front-Side Illuminated) Sensors

Sitä vastoin FSI-anturit vaativat valon kulkevan useiden piirikerrosten läpi ennen kuin se saavuttaa valodiodin. Tämä aiheuttaa osittaista heijastusta ja sirontaa, mikä rajoittaa dynaamista aluetta ja sävykartoituskykyä. Ne ovat alttiimpia ylivalottumiselle kirkkaissa olosuhteissa ja tuottavat usein vähemmän tarkkoja värejä syvissä varjoissa.

CMOS- ja BSI-antureiden sovellukset

CMOS (FSI) -anturit

• Konenäkö

• Teollinen tarkastus

• Lääketieteellinen endoskopia

•Valvontakamerat

BSI-anturit

• Älypuhelimet

•Digitaalikamerat

• Autojen ADAS-järjestelmät

•Tähtitiede ja tieteellinen kuvantaminen

• 8K-videotallennus

CMOS- ja BSI-antureiden tuleva kehitys

• 3D-pinotut mallit yhdistävät pikseli-, logiikka- ja muistikerrokset erittäin nopeaan lukemiseen ja tekoälypohjaiseen kuvantamiseen.

• Globaalit suljin-BSI-anturit eliminoivat liikkeen vääristymät robotiikassa, drooneissa ja autojärjestelmissä.

• Orgaaniset CMOS- ja kvanttipisteanturit tarjoavat suuremman herkkyyden, laajemman spektrivasteen ja täyteläisemmät värit.

• Anturin tekoälyprosessointi mahdollistaa reaaliaikaisen kohinanvaimennuksen, kohteen tunnistuksen ja mukautuvan valotuksen hallinnan.

• Hybridikuvankäsittelyalustat yhdistävät CMOS- ja BSI-edut, mikä parantaa dynaamista aluetta ja vähentää virrankulutusta.

Päätelmä

CMOS- ja BSI-anturit ovat muokanneet nykyaikaista kuvantamista, ja BSI tarjoaa korkeamman valoherkkyyden, vähemmän kohinaa ja paremman väritarkkuuden. Pinottujen CMOS- ja tekoälyyn integroitujen antureiden yleistyminen parantaa entisestään nopeutta, kuvan selkeyttä ja dynaamista aluetta. Yhdessä nämä tekniikat edistävät edelleen valokuvausta, valvontaa ja tieteellistä kuvantamista entistä tarkemmin ja tehokkaammin.

Usein kysytyt kysymykset

Mitä materiaaleja käytetään CMOS- ja BSI-antureissa?

Molemmissa käytetään piikiekkoja. BSI-anturit sisältävät myös ohennettuja piikerroksia, mikrolinssejä ja metalliliitäntöjä valon imeytymisen parantamiseksi.

Mikä anturityyppi kuluttaa enemmän virtaa?

BSI-anturit kuluttavat enemmän virtaa monimutkaisen rakenteensa ja nopeamman tietojenkäsittelynsä ansiosta, vaikka nykyaikaiset mallit parantavat tehokkuutta.

Miksi BSI-anturit ovat kalliimpia kuin CMOS?

BSI-anturit vaativat ylimääräisiä valmistusvaiheita, kuten kiekkojen ohentamista ja tarkkaa kerrosten kohdistusta, mikä tekee niiden valmistuksesta kalliimpaa.