Penderia imej diperlukan dalam kamera, daripada telefon kepada teleskop, menangkap cahaya dan mengubahnya menjadi imej. Penderia CMOS (Front-Side Illuminated) dan BSI (Backside-Illuminated) berfungsi pada prinsip yang serupa tetapi berbeza dalam struktur, menjejaskan tangkapan cahaya, bunyi dan kualiti warna. Artikel ini menerangkan reka bentuk, prestasi, kegunaan dan perkembangan masa depan mereka secara terperinci.
CC7. Daripada BSI kepada Senibina CMOS Bertindan
Gambaran Keseluruhan Sensor CMOS vs BSI
Setiap kamera, daripada telefon pintar di dalam poket anda kepada teleskop yang meneroka galaksi yang jauh, bergantung pada seberapa cekap penderia imejnya menangkap cahaya. Kedua-dua penderia CMOS dan BSI mengikut prinsip semikonduktor yang serupa, tetapi perbezaan strukturnya membawa kepada variasi besar dalam kepekaan cahaya, prestasi hingar dan kualiti imej. Dalam penderia CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) tradisional, pendawaian logam dan transistor terletak di atas fotodiod, sebahagiannya menyekat cahaya masuk dan mengurangkan kepekaan keseluruhan. Reka bentuk ini menjadikan penderia CMOS kos efektif dan lebih mudah dihasilkan, tetapi mengehadkan prestasi cahaya malap. Sebaliknya, penderia BSI (Back-Side Illuminated) membalikkan struktur, meletakkan fotodiod di atas supaya cahaya mencapainya terus tanpa halangan. Ini meningkatkan kecekapan kuantum, mengurangkan bunyi dan meningkatkan prestasi dalam sistem pengimejan padat atau mewah, daripada kamera DSLR kepada instrumen saintifik.
Senibina Sensor CMOS
Penderia CMOS Front-Side Illuminated (FSI) mewakili struktur penderia imej yang lebih awal dan lebih konvensional yang digunakan dalam kamera digital dan telefon pintar. Dalam seni bina ini, cahaya masuk mesti melalui berbilang lapisan bahan sebelum mencapai fotodiod, kawasan sensitif cahaya yang bertanggungjawab untuk menukar foton kepada isyarat elektrik.
Proses kerja
Setiap piksel dalam paparan beroperasi melalui proses yang diselaraskan yang melibatkan kanta mikro, penapis warna, sambungan logam, transistor dan lapisan fotodiod. Kanta mikro mula-mula memfokuskan cahaya masuk melalui penapis warna merah, hijau dan biru, memastikan hanya panjang gelombang tertentu mencapai setiap subpiksel. Di atas fotodiod, sambungan logam dan transistor menguruskan kawalan elektrik piksel dan bacaan isyarat, walaupun kedudukannya boleh menyekat sebahagian daripada cahaya masuk. Di bawah lapisan ini terletak fotodiod, yang menangkap baki cahaya dan menukarnya kepada cas elektrik, membentuk isyarat imej asas piksel.
Batasan Reka Bentuk FSI
• Kepekaan Cahaya Berkurangan: Sebahagian daripada cahaya dipantulkan atau diserap oleh lapisan pendawaian dan transistor sebelum ia boleh mencapai fotodiod.
• Faktor Pengisian Lebih Rendah: Apabila saiz piksel mengecut, nisbah kawasan sensitif cahaya kepada jumlah luas piksel berkurangan, membawa kepada lebih banyak bunyi.
• Prestasi Cahaya Malap yang Lemah: Penderia FSI bergelut dalam persekitaran yang malap berbanding alternatif moden seperti penderia BSI.
Di dalam Sensor CMOS BSI
Penderia CMOS Backside-Illuminated (BSI) merevolusikan pengimejan digital dengan menangani kelemahan utama reka bentuk Front-Side Illuminated (FSI) tradisional, penyumbatan cahaya daripada pendawaian logam dan transistor. Dengan membalikkan struktur penderia, BSI membolehkan cahaya masuk mencapai fotodiod secara langsung, meningkatkan kecekapan cahaya dan kualiti imej secara mendadak.
Fungsi Teknologi BSI
• Wafer silikon ditipiskan kepada hanya beberapa mikrometer untuk mendedahkan lapisan fotosensitif
• Lapisan fotodiod diletakkan di bahagian atas, terus menghadap cahaya masuk
• Pendawaian logam dan litar transistor dipindahkan ke bahagian belakang, menghalangnya daripada menghalang laluan cahaya
• Kanta mikro lanjutan diselaraskan dengan tepat pada setiap piksel untuk memastikan pemfokusan cahaya yang optimum
Kelebihan Penderia BSI
• Kecekapan Penyerapan Cahaya yang Lebih Tinggi: Peningkatan sehingga 30–50% berbanding penderia FSI, menghasilkan imej yang lebih terang dan bersih.
• Prestasi Cahaya Malap Unggul: Kehilangan foton yang dikurangkan meningkatkan kepekaan dan meminimumkan hingar dalam persekitaran gelap.
• Ketepatan Warna yang Dipertingkatkan: Dengan laluan cahaya yang tidak terhalang, penapis warna menghasilkan nada yang lebih tepat dan jelas.
• Reka Bentuk Piksel Kompak: BSI menyokong saiz piksel yang lebih kecil sambil mengekalkan kualiti imej, sesuai untuk penderia resolusi tinggi.
• Julat Dinamik yang Dipertingkatkan: Tangkapan isyarat yang lebih baik di kedua-dua kawasan terang dan malap pemandangan.
Perbandingan Kecekapan dan Kepekaan Cahaya
| Ciri-ciri | Sensor CMOS FSI | Penderia BSI |
|---|---|---|
| Laluan Cahaya | Cahaya melalui pendawaian → kehilangan separa | Terus ke fotodiod → kerugian minimum |
| Kecekapan Kuantum (QE) | 60–70% | 90–100% |
| Prestasi Cahaya Malap | Sederhana | Cemerlang |
| Refleksi & Crosstalk | Tinggi | Rendah |
| Kejelasan Imej | Purata | Tajam dan terang dalam cahaya malap |
Faktor Pengecutan dan Isi Piksel
Dalam Penderia CMOS FSI
Apabila saiz piksel turun di bawah 1.4 μm, sambungan logam dan transistor menduduki kawasan permukaan yang lebih besar. Faktor pengisian berkurangan, mengakibatkan kurang cahaya ditangkap setiap piksel dan peningkatan hingar imej. Hasilnya ialah imej yang lebih gelap, kontras yang berkurangan dan prestasi yang lebih lemah dalam keadaan cahaya malap.
Dalam Penderia CMOS BSI
Fotodiod diletakkan di atas pendawaian, membolehkan cahaya memukulnya secara langsung. Konfigurasi ini mencapai faktor pengisian hampir 100%, bermakna hampir keseluruhan kawasan piksel menjadi sensitif terhadap cahaya. Penderia BSI mengekalkan kecerahan seragam dan nisbah isyarat kepada hingar (SNR) yang lebih tinggi merentasi bingkai imej. Mereka juga memberikan prestasi cahaya malap yang unggul, walaupun dalam modul kompak seperti telefon pintar atau kamera dron.
Crosstalk, Bunyi dan Resapan Bahagian Belakang
| Aspek | Isu Berpotensi dalam Penderia CMOS (FSI) | Isu Berpotensi dalam Penderia BSI | Penyelesaian Kejuruteraan | Kesan ke atas Kualiti Imej |
|---|---|---|---|---|
| Crosstalk Optik | Cahaya bertaburan atau disekat oleh pendawaian logam sebelum mencapai fotodiod, menyebabkan pencahayaan yang tidak sekata. | Cahaya bocor ke piksel jiran kerana pendedahan bahagian belakang. | Pengasingan Parit Dalam (DTI): Mewujudkan halangan fizikal antara piksel untuk mengelakkan gangguan optik. | Imej yang lebih tajam, pemisahan warna yang lebih baik dan mengurangkan kekaburan. |
| Penggabungan Semula Caj | Pembawa cas hilang dalam lapisan silikon atau logam tebal, mengurangkan kepekaan. | Penggabungan Semula Bahagian Belakang: Pembawa bergabung semula berhampiran permukaan yang terdedah sebelum pengumpulan. | Lapisan Pasif & Rawatan Permukaan: Mengurangkan kecacatan dan meningkatkan pengumpulan cas. | Sensitiviti yang dipertingkatkan dan kehilangan isyarat yang dikurangkan. |
| Kesan Mekar | Pendedahan berlebihan dalam satu piksel menyebabkan piksel bersebelahan tepu disebabkan oleh resapan bahagian hadapan. | Pendedahan berlebihan menyebarkan cas di bawah lapisan silikon yang nipis. | Halangan Doping & Caj Permukaan: Mengandungi cas dan mencegah limpahan. | Garis-garis putih yang dikurangkan dan sorotan yang lebih licin. |
| Bunyi Elektrik & Haba | Haba daripada transistor pada piksel menghasilkan bunyi dalam laluan isyarat. | Bunyi pukulan yang lebih tinggi disebabkan oleh silikon nipis dan litar padat. | Penguat Bunyi Rendah & Algoritma Pengurangan Hingar On-Chip. | Imej yang lebih bersih, prestasi cahaya malap yang lebih baik. |
| Had Faktor Pengisian | Lapisan logam dan transistor meliputi kawasan piksel yang besar, mengurangkan kepekaan cahaya. | Hampir dihapuskan - fotodiod terdedah sepenuhnya kepada cahaya. | Struktur BSI & Pengoptimuman Lensa Mikro. | Tangkapan cahaya maksimum dan kecerahan seragam. |
Daripada BSI kepada Senibina CMOS Bertindan
Struktur Penderia CMOS Bertindan
| Lapisan | Fungsi | Penerangan |
|---|---|---|
| Lapisan Atas | Tatasusunan Piksel (Reka Bentuk BSI) | Mengandungi fotodiod sensitif cahaya yang menangkap cahaya masuk, menggunakan struktur BSI untuk memaksimumkan kepekaan. |
| Lapisan Tengah | Litar Analog/Digital | Mengendalikan penukaran isyarat, penguatan dan tugas pemprosesan imej secara berasingan daripada tatasusunan piksel untuk output yang lebih bersih. |
| Lapisan Bawah | Penyepaduan Memori atau Pemproses | Mungkin termasuk teras pemprosesan DRAM atau AI terbenam untuk penimbal data pantas dan peningkatan imej masa nyata. |
Kelebihan Penderia CMOS Bertindan
• Bacaan Ultra Pantas: Membolehkan penggambaran berterusan berkelajuan tinggi dan tangkapan video sebenar sehingga resolusi 4K atau 8K dengan herotan pengatup bergolek yang minimum.
• Pemprosesan Pada Cip yang Dipertingkatkan: Mengintegrasikan litar logik yang melakukan penggabungan HDR, pembetulan gerakan dan pengurangan hingar secara langsung pada penderia.
• Kecekapan Tenaga: Laluan data yang lebih pendek dan domain kuasa bebas meningkatkan • pemprosesan sambil mengurangkan penggunaan kuasa.
• Faktor Bentuk Lebih Kecil: Susunan menegak membolehkan reka bentuk modul padat sesuai untuk telefon pintar, kamera automotif dan dron.
• Sokongan Pengimejan AI dan Pengiraan: Sesetengah penderia bertindan termasuk pemproses saraf khusus untuk autofokus pintar, pengecaman pemandangan dan peningkatan masa nyata.
Julat Dinamik dan Prestasi Warna dalam Penderia CMOS vs BSI
Penderia BSI (Backside-Illuminated)
Dengan menghapuskan pendawaian logam di atas fotodiod, penderia BSI membolehkan foton mencapai kawasan sensitif cahaya secara langsung. Struktur ini meningkatkan kapasiti telaga penuh, meningkatkan penyerapan cahaya dan meminimumkan keratan sorotan. Akibatnya, penderia BSI menawarkan prestasi HDR yang unggul, kedalaman warna yang lebih baik dan penggredan bayang-bayang yang lebih halus, menjadikannya terbaik untuk fotografi HDR, pengimejan perubatan dan pengawasan cahaya malap.
Penderia FSI (Bercahaya Bahagian Hadapan)
Sebaliknya, penderia FSI memerlukan cahaya untuk melalui beberapa lapisan litar sebelum mencapai fotodiod. Ini menyebabkan pantulan dan penyebaran separa, yang mengehadkan julat dinamik dan keupayaan pemetaan nada. Mereka lebih terdedah kepada pendedahan berlebihan dalam keadaan terang dan selalunya menghasilkan warna yang kurang tepat dalam bayang-bayang yang dalam.
Aplikasi CMOS vs Penderia BSI
Penderia CMOS (FSI)
• Penglihatan mesin
• Pemeriksaan industri
• Endoskopi perubatan
• Kamera pengawasan
Penderia BSI
•Telefon pintar
• Kamera digital
• ADAS Automotif
• Astronomi dan pengimejan saintifik
• Rakaman video 8K
Perkembangan Masa Depan dalam CMOS vs Penderia BSI
• Reka bentuk bertindan 3D menggabungkan lapisan piksel, logik dan memori untuk bacaan ultra pantas dan pengimejan dipacu AI.
• Penderia BSI pengatup global menghapuskan herotan gerakan untuk robotik, dron dan sistem automotif.
• CMOS organik dan penderia titik kuantum memberikan kepekaan yang lebih tinggi, tindak balas spektrum yang lebih luas dan warna yang lebih kaya.
• Pemprosesan AI pada penderia membolehkan pengurangan hingar masa nyata, pengesanan objek dan kawalan pendedahan adaptif.
• Platform pengimejan hibrid menggabungkan kelebihan CMOS dan BSI, meningkatkan julat dinamik dan mengurangkan penggunaan kuasa.
Kesimpulannya
Penderia CMOS dan BSI telah membentuk semula pengimejan moden, dengan BSI menawarkan kepekaan cahaya yang lebih tinggi, kurang bunyi dan ketepatan warna yang lebih baik. Kebangkitan CMOS bertindan dan penderia bersepadu AI meningkatkan lagi kelajuan, kejelasan imej dan julat dinamik. Bersama-sama, teknologi ini terus memajukan fotografi, pengawasan dan pengimejan saintifik dengan ketepatan dan kecekapan yang lebih tinggi.
Soalan Lazim
Apakah bahan yang digunakan dalam penderia CMOS dan BSI?
Kedua-duanya menggunakan wafer silikon. Penderia BSI juga termasuk lapisan silikon nipis, kanta mikro dan sambungan logam untuk penyerapan cahaya yang lebih baik.
Jenis penderia manakah yang menggunakan lebih kuasa?
Penderia BSI menggunakan lebih banyak kuasa kerana reka bentuknya yang kompleks dan pemprosesan data yang lebih pantas, walaupun reka bentuk moden meningkatkan kecekapan.
Mengapakah penderia BSI lebih mahal daripada CMOS?
Penderia BSI memerlukan langkah pembuatan tambahan, seperti penipisan wafer dan penjajaran lapisan yang tepat, yang menjadikannya lebih mahal untuk dihasilkan.
Bagaimanakah penderia ini mengendalikan haba?
Suhu tinggi meningkatkan bunyi dalam kedua-dua sensor. Reka bentuk BSI selalunya termasuk kawalan haba yang lebih baik untuk memastikan kualiti imej stabil.
Bolehkah penderia CMOS dan BSI mengesan cahaya inframerah?
Ya. Apabila dilengkapi dengan salutan sensitif IR atau penapis yang dikeluarkan, kedua-duanya boleh mengesan inframerah, dengan BSI menunjukkan kepekaan IR yang lebih baik.
Apakah tujuan kanta mikro pada penderia imej?
Kanta mikro membimbing cahaya terus ke fotodiod setiap piksel, meningkatkan kecerahan dan kecekapan dalam penderia BSI yang lebih kecil.