CMOS לעומת BSI: מבנה וביצועים

חיישני תמונה נדרשים במצלמות, מטלפונים ועד טלסקופים, לוכדים אור והופכים אותו לתמונות. חיישני CMOS (Front-Side Illuminated) ו-BSI (Backside-Illuminated) פועלים על עקרונות דומים אך שונים במבנה, ומשפיעים על לכידת אור, רעש ואיכות צבע. מאמר זה מסביר בפירוט את העיצובים, הביצועים, השימושים והפיתוחים העתידיים שלהם.

ג1. חיישן CMOS לעומת BSI סקירה כללית

ג2. ארכיטקטורת חיישני CMOS

ג3. בתוך חיישן BSI CMOS

ג4. השוואת יעילות אור ורגישות

ג5. גורם כיווץ ומילוי פיקסלים

ג6. ערב-דיבור, רעש ודיפוזיה אחורית

CC7. מ- BSI ועד ארכיטקטורות CMOS מוערמות

ג8. טווח דינמי וביצועי צבע בחיישני CMOS לעומת BSI

ג9. יישומים של חיישני CMOS לעומת BSI

ג10. פיתוחים עתידיים בחיישני CMOS לעומת BSI

ג11. מסקנה

ג12. שאלות נפוצות 

חיישן CMOS לעומת BSI נגמרview 

כל מצלמה, מהסמארטפון בכיס ועד הטלסקופים החוקרים גלקסיות רחוקות, תלויה במידת היעילות שבה חיישן התמונה שלה לוכד אור. שני חיישני CMOS ו-BSI עוקבים אחר עקרונות מוליכים-למחצה דומים, אך ההבדלים המבניים ביניהם מובילים לשינויים גדולים ברגישות לאור, ביצועי רעש ואיכות תמונה. בחיישני CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) מסורתיים, חיווט מתכת וטרנזיסטורים יושבים מעל הפוטו-דיודות, חוסמים חלקית את האור הנכנס ומפחיתים את הרגישות הכוללת. תכן זה הופך את חיישני CMOS לחסכוניים וקלים יותר לייצור, אך מגביל את הביצועים בתאורה חלשה. לעומת זאת, חיישני BSI (Back-Side Illuminated) הופכים את המבנה, וממקמים את הפוטו-דיודה מלמעלה כך שהאור יגיע אליה ישירות ללא הפרעה. זה משפר את היעילות הקוונטית, מפחית רעש ומשפר את הביצועים במערכות הדמיה קומפקטיות או מתקדמות, ממצלמות DSLR ועד מכשירים מדעיים.

ארכיטקטורת חיישן CMOS 

חיישן CMOS מואר בצד הקדמי (FSI) מייצג את מבנה חיישן התמונה המוקדם והקונבנציונלי יותר המשמש במצלמות דיגיטליות ובסמארטפונים. בארכיטקטורה זו, האור הנכנס חייב לעבור דרך שכבות מרובות של חומרים לפני שהוא מגיע לפוטו-דיודה, האזור הרגיש לאור האחראי על המרת פוטונים לאותות חשמליים.

תהליך עבודה

כל פיקסל בתצוגה פועל בתהליך מתואם הכולל מיקרו-עדשות, מסנני צבע, חיבורי מתכת, טרנזיסטורים ושכבת פוטו-דיודה. המיקרו-עדשות ממקדות תחילה את האור הנכנס דרך מסנני הצבע האדום, הירוק והכחול, ומבטיחות שרק אורכי גל ספציפיים יגיעו לכל תת-פיקסל. מעל הפוטו-דיודה, חיבורי מתכת וטרנזיסטורים מנהלים את הבקרה החשמלית של הפיקסל ואת קריאת האותות, אם כי מיקומם יכול לחסום חלקית חלק מהאור הנכנס. מתחת לשכבות אלה שוכנת הפוטו-דיודה, הלוכדת את האור הנותר וממירה אותו למטען חשמלי, ויוצרת את אות התמונה הבסיסי של הפיקסל.

מגבלות עיצוב FSI

• רגישות מופחתת לאור: חלק מהאור מוחזר או נספג על ידי שכבות החיווט והטרנזיסטור לפני שהוא יכול להגיע לפוטו-דיודה.

• גורם מילוי נמוך יותר: ככל שגדלי הפיקסלים מתכווצים, היחס בין האזור הרגיש לאור לשטח הפיקסלים הכולל פוחת, מה שמוביל ליותר רעש.

• ביצועים חלשים יותר בתאורה חלשה: חיישני FSI נאבקים בסביבות עמומות בהשוואה לחלופות מודרניות כמו חיישני BSI.

בתוך חיישן BSI CMOS 

חיישן ה-CMOS עם תאורה אחורית (BSI) חולל מהפכה בהדמיה הדיגיטלית על ידי טיפול בחסרון העיקרי של עיצובים מסורתיים של תאורה קדמית (FSI), חסימת אור מחיווט מתכת וטרנזיסטורים. על ידי היפוך מבנה החיישן, BSI מאפשר לאור הנכנס להגיע ישירות לפוטו-דיודה, ומשפר באופן דרמטי את יעילות האור ואיכות התמונה.

פונקציית טכנולוגיית BSI

• פרוסת הסיליקון מדוללת לכמה מיקרומטרים בלבד כדי לחשוף את השכבה הרגישה לאור

• שכבת הפוטו-דיודה ממוקמת בצד העליון, ישירות מול האור הנכנס

• חיווט המתכת ומעגלי הטרנזיסטור מועברים לצד האחורי, ומונעים מהם לחסום נתיבי אור

• מיקרו-עדשות מתקדמות מיושרות במדויק מעל כל פיקסל כדי להבטיח מיקוד אור אופטימלי

היתרונות של חיישני BSI

• יעילות ספיגת אור גבוהה יותר: שיפור של עד 30-50% בהשוואה לחיישני FSI, וכתוצאה מכך תמונות בהירות ונקיות יותר.

• ביצועים מעולים בתאורה חלשה: אובדן פוטון מופחת משפר את הרגישות וממזער רעש בסביבות חשוכות.

• דיוק צבע משופר: עם נתיבי אור ללא הפרעה, מסנני צבע מייצרים גוונים מדויקים וחיים יותר.

• עיצוב פיקסלים קומפקטי: BSI תומך בגדלי פיקסלים קטנים יותר תוך שמירה על איכות התמונה, אידיאלי עבור חיישנים ברזולוציה גבוהה.

• טווח דינמי משופר: לכידת אותות טובה יותר באזורים בהירים ועמומים של סצנה.

השוואת יעילות אור ורגישות

גורם כיווץ ומילוי פיקסלים

בחיישני FSI CMOS

כאשר גודל הפיקסלים יורד מתחת ל-1.4 מיקרומטר, חיבורי המתכת והטרנזיסטורים תופסים שטח פנים גדול יותר. גורם המילוי פוחת, וכתוצאה מכך פחות אור נלכד לפיקסל ורעש תמונה מוגבר. התוצאה היא תמונות כהות יותר, ניגודיות מופחתת וביצועים חלשים יותר בתנאי תאורה חלשה.

בחיישני BSI CMOS

הפוטו-דיודה ממוקמת מעל החיווט, ומאפשרת לאור לפגוע בה ישירות. תצורה זו משיגה מקדם מילוי של כמעט 100%, כלומר כמעט כל שטח הפיקסלים הופך לרגיש לאור. חיישני BSI שומרים על בהירות אחידה ויחס אות לרעש (SNR) גבוה יותר על פני מסגרת התמונה. הם גם מספקים ביצועים מעולים בתאורה חלשה, אפילו במודולים קומפקטיים כמו מצלמות סמארטפון או רחפן.

דיבור צולב, רעש ודיפוזיה אחורית 

מ- BSI לארכיטקטורות CMOS מוערמות

מבנה של חיישן CMOS מוערם

היתרונות של חיישני CMOS מוערמים

• קריאה מהירה במיוחד: מאפשר צילום רציף במהירות גבוהה ולכידת וידאו ברזולוציות של עד 4K או 8K עם עיוות מינימלי של תריס מתגלגל.

• עיבוד משופר על השבב: משלב מעגלים לוגיים המבצעים מיזוג HDR, תיקון תנועה והפחתת רעש ישירות על החיישן.

• יעילות אנרגטית: נתיבי נתונים קצרים יותר ותחומי הספק עצמאיים משפרים את התפוקה תוך הפחתת צריכת החשמל.

• גורם צורה קטן יותר: ערימה אנכית מאפשרת עיצוב מודול קומפקטי אידיאלי עבור סמארטפונים, מצלמות רכב ומזל"טים.

• תמיכה בבינה מלאכותית והדמיה חישובית: חלק מהחיישנים המוערמים כוללים מעבדים עצביים ייעודיים למיקוד אוטומטי חכם, זיהוי סצנות ושיפור בזמן אמת.

טווח דינמי וביצועי צבע בחיישני CMOS לעומת BSI

חיישני BSI (מוארים אחורית).

על ידי ביטול חיווט מתכת מעל הפוטו-דיודה, חיישני BSI מאפשרים לפוטונים להגיע ישירות לאזור הרגיש לאור. מבנה זה מגדיל את קיבולת הבאר המלאה, משפר את ספיגת האור וממזער את גזירת ההדגשה. כתוצאה מכך, חיישני BSI מציעים ביצועי HDR מעולים, עומק צבע טוב יותר והדרגת צל עדינה יותר, מה שהופך אותם לטובים ביותר עבור צילום HDR, הדמיה רפואית ומעקב בתאורה חלשה.

חיישני FSI (מוארים קדמיים).

לעומת זאת, חיישני FSI דורשים שאור יעבור דרך מספר שכבות של מעגלים לפני שהוא מגיע לפוטו-דיודה. זה גורם להשתקפות ופיזור חלקיים, מה שמגביל את הטווח הדינמי ואת יכולת מיפוי הצלילים. הם נוטים יותר לחשיפת יתר בתנאים בהירים ולעתים קרובות מייצרים צבע פחות מדויק בצללים עמוקים.

יישומים של חיישני CMOS לעומת BSI

חיישני CMOS (FSI).

• ראיית מכונה

• פיקוח תעשייתי

• אנדוסקופיה רפואית

• מצלמות מעקב

חיישני BSI

• טלפונים חכמים

• מצלמות דיגיטליות

• ADAS לרכב

•אסטרונומיה והדמיה מדעית

• הקלטת וידאו 8K

פיתוחים עתידיים בחיישני CMOS לעומת BSI

• עיצובים מוערמים בתלת מימד משלבים שכבות פיקסל, לוגיקה וזיכרון לקריאה מהירה במיוחד והדמיה מונעת בינה מלאכותית.

• חיישני BSI תריס גלובליים מבטלים עיוות תנועה עבור רובוטיקה, מזל"טים ומערכות רכב.

• חיישני CMOS אורגניים ונקודות קוונטיות מספקים רגישות גבוהה יותר, תגובה ספקטרלית רחבה יותר וצבעים עשירים יותר.

• עיבוד AI על החיישן מאפשר הפחתת רעש בזמן אמת, זיהוי אובייקטים ובקרת חשיפה אדפטיבית.

• פלטפורמות הדמיה היברידיות ממזגות את יתרונות CMOS ו-BSI, משפרות את הטווח הדינמי ומפחיתות את צריכת החשמל.

סיכום

חיישני CMOS ו-BSI עיצבו מחדש את ההדמיה המודרנית, כאשר BSI מציעה רגישות גבוהה יותר לאור, פחות רעש ודיוק צבע טוב יותר. עלייתם של חיישני CMOS מוערמים וחיישנים משולבי בינה מלאכותית משפרת עוד יותר את המהירות, בהירות התמונה והטווח הדינמי. יחד, טכנולוגיות אלה ממשיכות לקדם את הצילום, המעקב וההדמיה המדעית בדיוק וביעילות רבה יותר.

שאלות נפוצות 

באילו חומרים משתמשים בחיישני CMOS ו-BSI?

שניהם משתמשים בפרוסות סיליקון. חיישני BSI כוללים גם שכבות סיליקון דקות, מיקרו-עדשות וחיבורי מתכת לספיגת אור טובה יותר.

איזה סוג חיישן צורך יותר חשמל?

חיישני BSI צורכים יותר חשמל בשל העיצוב המורכב ועיבוד הנתונים המהיר יותר שלהם, אם כי עיצובים מודרניים משפרים את היעילות.

מדוע חיישני BSI יקרים יותר מ-CMOS?

חיישני BSI דורשים שלבי ייצור נוספים, כגון דילול פרוסות ויישור שכבות מדויק, מה שהופך אותם ליקרים יותר לייצור.

כיצד חיישנים אלה מתמודדים עם חום?

טמפרטורות גבוהות מגבירות את הרעש בשני החיישנים. תכני BSI כוללים לרוב בקרה תרמית טובה יותר כדי לשמור על איכות תמונה יציבה.

האם חיישני CMOS ו-BSI יכולים לזהות אור אינפרא אדום?

כן. כאשר הם מצוידים בציפויים רגישים ל-IR או מסננים שהוסרו, שניהם יכולים לזהות אינפרא אדום, כאשר BSI מראה רגישות IR טובה יותר.

מה המטרה של מיקרו-עדשות בחיישני תמונה?

מיקרו-עדשות מנחות את האור ישירות לתוך הפוטו-דיודה של כל פיקסל, ומשפרות את הבהירות והיעילות בחיישני BSI קטנים יותר.