BSI CMOS snímač: popis technologie
10.1.2011, Michal Srna, článek
V současné době je v mnoha novinkách digitálních fotoaparátu představován "nový" typ CMOS snímače značený jako BSI CMOS. Dnes si stručně popíšeme obecný princip snímání obrazu, co se skrývá za BSI označením a jaký dopad má tato technologie na vlastnosti CMOS.
Kapitoly článku:
- BSI CMOS snímač: popis technologie
- Čelní (Front) vs. Zpětné (Back) osvětlení
- Minulost a budoucnost BSI technologie
Většina konvenčních CMOS snímačů využívá princip tzv. čelního osvětlení (front-illumination), kdy jsou kovové obvody a tranzistory CMOS snímače umístěny na povrchu křemíkového substrátu, který, jak jsme si již popsali, tvoří světlocitlivou oblast pixelu (nazývanou jako fotodioda).
Nejenomže kovové obvody a tranzistory zmenšují světlocitlivou plochu (zhruba až na 1/4 možné efektivní plochy) a část světla odráží zpět, ale zároveň brání sběru fotonů realizovaného pomocí sběrných čoček umístěných na povrchu snímače. Jedná se o velmi významný problém bránící miniaturizaci jednotlivých pixelů.
Porovnání mezi příčnými řezy konvenčním front-illumination a back-illumination snímačem CMOS
zdroj: sony.net
Z těchto důvodů byla představena několika firmami technologie zpětného osvětlení pojmenovaná jako BI/BSI (back-illumination či backside-illumination) částečně řešící tento neduh konvenčních CMOS snímačů.
Princip spočívá v přesunutí vrstvy s kovovými obvody a tranzistory na opačnou stranu křemíkového substrátu, tedy pod světlocitlivou vrstvu. Hlavní výhoda je asi již každému zřejmá – zvýšení množství světelného záření dopadajícího na světlocitlivou vrstvu -> vyšší citlivost snímače.
Další ukázka odlišného uspořádání struktur, konvenční CMOS (vlevo), BSI CMOS (vpravo)
zdroj: fujifilm.co.uk
Aby nebylo vše tak jednoduché, přináší tento přístup i své problémy. Zpětně osvětlené struktury mohou způsobovat vyšší šum, temný proud (proud, který protéká obvodem, aniž by docházelo k osvětlení snímače) nebo možnost míchání barev oddělených RGB maskou. Všechny tyto problémy vedou ke snížení poměru odstupu signálu od šumu (SNR).
V tomto bodě právě záleží na výrobcích BSI CMOS snímačů, jak se s danými nástrahami vypořádají a jestli výsledný efekt použití BSI technologie bude přínosný, či nikoliv. Velmi důležitou roli tedy sehrává samotný výrobní proces těchto snímačů. Podle současného vývoje byla však již většina těchto nástrah překonána a BSI CMOS snímače v mnoha parametrech překonávají své předchůdce.
Mezi hlavní výhody, které hovoří pro použití této technologie výroby CMOS snímačů, patří zejména větší rychlost, citlivost, menší rozměry celé matice, značně vyšší fill-factor (z důvodu přesunutí tranzistorů a kovových obvodu pod světlocitlivou plochu) a v současnosti již nižší náklady na výrobu.
Porovnání dvou snímků při nízkém osvětlení (30 lx) pořízených konvenčním CMOS snímačem (vlevo) a BSI CMOS snímačem (vpravo) se stejnou velikostí a počtem pixelů při stejných hodnotách expozice
zdroj: sony.net
V poslední podkapitole si povíme něco o minulosti této technologie a jejím rozmachu nejen do oblasti digitálních kompaktů.
Nejenomže kovové obvody a tranzistory zmenšují světlocitlivou plochu (zhruba až na 1/4 možné efektivní plochy) a část světla odráží zpět, ale zároveň brání sběru fotonů realizovaného pomocí sběrných čoček umístěných na povrchu snímače. Jedná se o velmi významný problém bránící miniaturizaci jednotlivých pixelů.
Porovnání mezi příčnými řezy konvenčním front-illumination a back-illumination snímačem CMOS
zdroj: sony.net
Z těchto důvodů byla představena několika firmami technologie zpětného osvětlení pojmenovaná jako BI/BSI (back-illumination či backside-illumination) částečně řešící tento neduh konvenčních CMOS snímačů.
Princip spočívá v přesunutí vrstvy s kovovými obvody a tranzistory na opačnou stranu křemíkového substrátu, tedy pod světlocitlivou vrstvu. Hlavní výhoda je asi již každému zřejmá – zvýšení množství světelného záření dopadajícího na světlocitlivou vrstvu -> vyšší citlivost snímače.
Další ukázka odlišného uspořádání struktur, konvenční CMOS (vlevo), BSI CMOS (vpravo)
zdroj: fujifilm.co.uk
Aby nebylo vše tak jednoduché, přináší tento přístup i své problémy. Zpětně osvětlené struktury mohou způsobovat vyšší šum, temný proud (proud, který protéká obvodem, aniž by docházelo k osvětlení snímače) nebo možnost míchání barev oddělených RGB maskou. Všechny tyto problémy vedou ke snížení poměru odstupu signálu od šumu (SNR).
V tomto bodě právě záleží na výrobcích BSI CMOS snímačů, jak se s danými nástrahami vypořádají a jestli výsledný efekt použití BSI technologie bude přínosný, či nikoliv. Velmi důležitou roli tedy sehrává samotný výrobní proces těchto snímačů. Podle současného vývoje byla však již většina těchto nástrah překonána a BSI CMOS snímače v mnoha parametrech překonávají své předchůdce.
Mezi hlavní výhody, které hovoří pro použití této technologie výroby CMOS snímačů, patří zejména větší rychlost, citlivost, menší rozměry celé matice, značně vyšší fill-factor (z důvodu přesunutí tranzistorů a kovových obvodu pod světlocitlivou plochu) a v současnosti již nižší náklady na výrobu.
Porovnání dvou snímků při nízkém osvětlení (30 lx) pořízených konvenčním CMOS snímačem (vlevo) a BSI CMOS snímačem (vpravo) se stejnou velikostí a počtem pixelů při stejných hodnotách expozice
zdroj: sony.net
V poslední podkapitole si povíme něco o minulosti této technologie a jejím rozmachu nejen do oblasti digitálních kompaktů.
