Cảm biến hình ảnh được yêu cầu trong máy ảnh, từ điện thoại đến kính thiên văn, thu ánh sáng và biến nó thành hình ảnh. Cảm biến CMOS (Front-Side Illuminated) và BSI (Backside-Illuminated) hoạt động theo các nguyên tắc tương tự nhau nhưng khác nhau về cấu trúc, ảnh hưởng đến việc thu ánh sáng, nhiễu và chất lượng màu sắc. Bài viết này giải thích chi tiết về thiết kế, hiệu suất, cách sử dụng và sự phát triển trong tương lai của chúng.
CC7. Từ BSI đến kiến trúc CMOS xếp chồng
Tổng quan về cảm biến CMOS và BSI
Mỗi máy ảnh, từ điện thoại thông minh trong túi của bạn đến kính viễn vọng khám phá các thiên hà xa xôi, phụ thuộc vào mức độ hiệu quả của cảm biến hình ảnh thu ánh sáng. Cả cảm biến CMOS và BSI đều tuân theo các nguyên tắc bán dẫn tương tự, nhưng sự khác biệt về cấu trúc của chúng dẫn đến sự thay đổi lớn về độ nhạy sáng, hiệu suất nhiễu và chất lượng hình ảnh. Trong cảm biến CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) truyền thống, dây kim loại và bóng bán dẫn nằm phía trên điốt quang, chặn một phần ánh sáng đến và giảm độ nhạy tổng thể. Thiết kế này làm cho cảm biến CMOS tiết kiệm chi phí và dễ sản xuất hơn, nhưng hạn chế hiệu suất ánh sáng yếu. Ngược lại, cảm biến BSI (Back-Side Illuminated) lật ngược cấu trúc, định vị điốt quang lên trên để ánh sáng chiếu trực tiếp vào nó mà không bị cản trở. Điều này cải thiện hiệu suất lượng tử, giảm nhiễu và nâng cao hiệu suất trong các hệ thống hình ảnh nhỏ gọn hoặc cao cấp, từ máy ảnh DSLR đến các thiết bị khoa học.
Kiến trúc cảm biến CMOS
Cảm biến CMOS chiếu sáng mặt trước (FSI) đại diện cho cấu trúc cảm biến hình ảnh cũ hơn và thông thường hơn được sử dụng trong máy ảnh kỹ thuật số và điện thoại thông minh. Trong kiến trúc này, ánh sáng đến phải đi qua nhiều lớp vật liệu trước khi đến điốt quang, vùng nhạy cảm với ánh sáng chịu trách nhiệm chuyển đổi photon thành tín hiệu điện.
Quy trình làm việc
Mỗi pixel trong màn hình hoạt động thông qua một quy trình phối hợp bao gồm thấu kính siêu nhỏ, bộ lọc màu, kết nối kim loại, bóng bán dẫn và lớp điốt quang. Đầu tiên, các thấu kính siêu nhỏ tập trung ánh sáng đến thông qua các bộ lọc màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam, đảm bảo rằng chỉ có bước sóng cụ thể đạt được từng điểm ảnh phụ. Phía trên điốt quang, các kết nối kim loại và bóng bán dẫn quản lý điều khiển điện và đọc tín hiệu của pixel, mặc dù vị trí của chúng có thể chặn một phần một số ánh sáng đến. Bên dưới các lớp này là điốt quang, thu ánh sáng còn lại và chuyển đổi nó thành điện tích, tạo thành tín hiệu hình ảnh cơ bản của pixel.
Hạn chế của thiết kế FSI
• Giảm độ nhạy sáng: Một phần ánh sáng bị phản xạ hoặc hấp thụ bởi các lớp dây dẫn và bóng bán dẫn trước khi nó có thể đến điốt quang.
• Hệ số lấp đầy thấp hơn: Khi kích thước điểm ảnh thu hẹp, tỷ lệ giữa vùng nhạy sáng so với tổng diện tích điểm ảnh giảm, dẫn đến nhiễu nhiều hơn.
• Hiệu suất ánh sáng yếu hơn: Cảm biến FSI gặp khó khăn trong môi trường thiếu sáng so với các lựa chọn thay thế hiện đại như cảm biến BSI.
Bên trong cảm biến BSI CMOS
Cảm biến CMOS chiếu sáng mặt sau (BSI) đã cách mạng hóa hình ảnh kỹ thuật số bằng cách giải quyết nhược điểm lớn của thiết kế chiếu sáng mặt trước (FSI) truyền thống, tắc nghẽn ánh sáng từ dây kim loại và bóng bán dẫn. Bằng cách đảo ngược cấu trúc của cảm biến, BSI cho phép ánh sáng đến trực tiếp với điốt quang, cải thiện đáng kể hiệu quả ánh sáng và chất lượng hình ảnh.
Chức năng công nghệ BSI
• Tấm silicon được làm mỏng xuống chỉ còn vài micromet để lộ lớp cảm quang
• Lớp điốt quang được đặt ở mặt trên, đối diện trực tiếp với ánh sáng đến
• Hệ thống dây kim loại và mạch bóng bán dẫn được di chuyển về phía sau, ngăn chúng cản trở đường dẫn ánh sáng
• Các ống kính siêu nhỏ tiên tiến được căn chỉnh chính xác trên từng điểm ảnh để đảm bảo lấy nét ánh sáng tối ưu
Ưu điểm của cảm biến BSI
• Hiệu quả hấp thụ ánh sáng cao hơn: Cải thiện tới 30–50% so với cảm biến FSI, mang lại hình ảnh sáng hơn và rõ ràng hơn.
• Hiệu suất ánh sáng yếu vượt trội: Giảm tổn thất photon giúp tăng cường độ nhạy và giảm thiểu nhiễu trong môi trường tối.
• Độ chính xác màu được cải thiện: Với đường dẫn ánh sáng không bị cản trở, bộ lọc màu tạo ra tông màu chính xác và sống động hơn.
• Thiết kế điểm ảnh nhỏ gọn: BSI hỗ trợ kích thước điểm ảnh nhỏ hơn trong khi vẫn duy trì chất lượng hình ảnh, lý tưởng cho cảm biến độ phân giải cao.
• Dải động nâng cao: Thu tín hiệu tốt hơn ở cả vùng sáng và mờ của cảnh.
So sánh hiệu quả ánh sáng và độ nhạy
| Tính năng | Cảm biến FSI CMOS | Cảm biến BSI |
|---|---|---|
| Con đường ánh sáng | Ánh sáng đi qua hệ thống dây điện → mất một phần | Trực tiếp đến điốt quang → tổn thất tối thiểu |
| Hiệu suất lượng tử (QE) | 60–70% | 90–100% |
| Hiệu suất ánh sáng yếu | Trung bình | Xuất sắc |
| Phản ánh & Crosstalk | Cao | Thấp |
| Độ rõ nét của hình ảnh | Trung bình | Sắc nét và sáng trong ánh sáng mờ |
Hệ số thu nhỏ và lấp đầy pixel
Trong cảm biến FSI CMOS
Khi kích thước điểm ảnh giảm xuống dưới 1,4 μm, các kết nối kim loại và bóng bán dẫn chiếm diện tích bề mặt lớn hơn. Hệ số lấp đầy giảm, dẫn đến ít ánh sáng được thu lại trên mỗi pixel và tăng nhiễu hình ảnh. Kết quả là hình ảnh tối hơn, giảm độ tương phản và hiệu suất yếu hơn trong điều kiện ánh sáng yếu.
Trong cảm biến CMOS BSI
Điốt quang được đặt phía trên hệ thống dây điện, cho phép ánh sáng chiếu trực tiếp vào nó. Cấu hình này đạt được hệ số lấp đầy gần như 100%, có nghĩa là gần như toàn bộ vùng pixel trở nên nhạy cảm với ánh sáng. Cảm biến BSI duy trì độ sáng đồng đều và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao hơn trên khung hình ảnh. Chúng cũng mang lại hiệu suất ánh sáng yếu vượt trội, ngay cả trong các mô-đun nhỏ gọn như điện thoại thông minh hoặc máy ảnh không người lái.
Nhiễu xuyên âm, tiếng ồn và khuếch tán mặt sau
| Khía cạnh | Các vấn đề tiềm ẩn trong cảm biến CMOS (FSI) | Các vấn đề tiềm ẩn trong cảm biến BSI | Giải pháp kỹ thuật | Tác động đến chất lượng hình ảnh |
|---|---|---|---|---|
| Nhiễu xuyên âm quang | Ánh sáng bị tán xạ hoặc chặn bởi dây kim loại trước khi đến điốt quang, gây ra ánh sáng không đều. | Ánh sáng rò rỉ vào các pixel lân cận do phơi sáng mặt sau. | Cách ly rãnh sâu (DTI): Tạo rào cản vật lý giữa các pixel để ngăn nhiễu quang học. | Hình ảnh sắc nét hơn, tách màu tốt hơn và giảm mờ. |
| Sạc lại kết hợp | Các hạt mang điện tích bị mất trong các lớp silicon hoặc kim loại dày, làm giảm độ nhạy. | Tái tổ hợp mặt sau: Các tàu sân bay kết hợp lại gần bề mặt tiếp xúc trước khi thu thập. | Lớp thụ động hóa & xử lý bề mặt: Giảm khuyết tật và cải thiện việc thu thập điện tích. | Tăng cường độ nhạy và giảm mất tín hiệu. |
| Hiệu ứng nở hoa | Phơi sáng quá mức trong một pixel khiến các pixel liền kề bão hòa do khuếch tán mặt trước. | Phơi sáng quá mức làm tràn điện tích bên dưới lớp silicon mỏng. | Rào cản Doping & Charge bề mặt: Chứa điện tích và ngăn tràn. | Giảm vệt trắng và làm nổi bật mượt mà hơn. |
| Tiếng ồn điện và nhiệt | Nhiệt từ bóng bán dẫn trên pixel tạo ra nhiễu trong đường dẫn tín hiệu. | Tiếng ồn bắn cao hơn do silicon mỏng và mạch dày đặc. | Bộ khuếch đại tiếng ồn thấp và thuật toán giảm tiếng ồn trên chip. | Hình ảnh rõ ràng hơn, cải thiện hiệu suất ánh sáng yếu. |
| Giới hạn hệ số điền | Các lớp kim loại và bóng bán dẫn bao phủ một diện tích pixel lớn, làm giảm độ nhạy sáng. | Gần như bị loại bỏ - điốt quang tiếp xúc hoàn toàn với ánh sáng. | Cấu trúc BSI & Tối ưu hóa Microlens. | Thu ánh sáng tối đa và độ sáng đồng đều. |
Từ BSI đến kiến trúc CMOS xếp chồng
Cấu trúc của cảm biến CMOS xếp chồng lên nhau
| Lớp | Chức năng | Mô tả |
|---|---|---|
| Lớp trên cùng | Pixel Array (Thiết kế BSI) | Chứa các điốt quang nhạy cảm với ánh sáng thu ánh sáng tới, sử dụng cấu trúc BSI để tối đa hóa độ nhạy. |
| Lớp giữa | Mạch tương tự / kỹ thuật số | Xử lý các tác vụ chuyển đổi tín hiệu, khuếch đại và xử lý hình ảnh riêng biệt với mảng pixel để có đầu ra rõ ràng hơn. |
| Lớp dưới cùng | Tích hợp bộ nhớ hoặc bộ xử lý | Có thể bao gồm DRAM nhúng hoặc lõi xử lý AI để đệm dữ liệu nhanh chóng và nâng cao hình ảnh theo thời gian thực. |
Ưu điểm của cảm biến CMOS xếp chồng lên nhau
• Đọc siêu nhanh: Cho phép chụp liên tục tốc độ cao và quay video thực tế lên đến độ phân giải 4K hoặc 8K với độ méo màn trập cuộn tối thiểu.
• Xử lý trên chip nâng cao: Tích hợp các mạch logic thực hiện hợp nhất HDR, hiệu chỉnh chuyển động và giảm nhiễu trực tiếp trên cảm biến.
• Hiệu quả năng lượng: Đường dẫn dữ liệu ngắn hơn và miền năng lượng độc lập cải thiện • Thông lượng đồng thời giảm mức tiêu thụ điện năng.
• Hệ số hình thức nhỏ hơn: Xếp chồng theo chiều dọc cho phép thiết kế mô-đun nhỏ gọn lý tưởng cho điện thoại thông minh, máy ảnh ô tô và máy bay không người lái.
• Hỗ trợ AI và hình ảnh tính toán: Một số cảm biến xếp chồng bao gồm bộ xử lý thần kinh chuyên dụng để lấy nét tự động thông minh, nhận dạng cảnh và tăng cường thời gian thực.
Dải động và hiệu suất màu trong cảm biến CMOS và BSI
Cảm biến BSI (Chiếu sáng mặt sau)
Bằng cách loại bỏ dây kim loại phía trên điốt quang, cảm biến BSI cho phép các photon tiếp cận trực tiếp khu vực nhạy cảm với ánh sáng. Cấu trúc này làm tăng công suất toàn giếng, cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm thiểu hiện tượng cắt sáng. Do đó, cảm biến BSI cung cấp hiệu suất HDR vượt trội, độ sâu màu tốt hơn và chuyển màu bóng mịn hơn, khiến chúng trở nên tốt nhất để chụp ảnh HDR, hình ảnh y tế và giám sát ánh sáng yếu.
Cảm biến FSI (Chiếu sáng mặt trước)
Ngược lại, cảm biến FSI yêu cầu ánh sáng đi qua nhiều lớp mạch trước khi đến điốt quang. Điều này gây ra phản xạ và tán xạ một phần, điều này hạn chế dải động và khả năng ánh xạ tông màu. Chúng dễ bị phơi sáng quá mức trong điều kiện sáng và thường tạo ra màu sắc kém chính xác hơn trong bóng tối.
Ứng dụng của cảm biến CMOS và BSI
Cảm biến CMOS (FSI)
• Thị giác máy
• Kiểm định công nghiệp
• Nội soi y tế
• Camera giám sát
Cảm biến BSI
• Điện thoại thông minh
• Máy ảnh kỹ thuật số
• ADAS ô tô
• Thiên văn học và hình ảnh khoa học
• Quay video 8K
Sự phát triển trong tương lai của cảm biến CMOS và BSI
• Thiết kế xếp chồng 3D kết hợp các lớp pixel, logic và bộ nhớ để đọc cực nhanh và hình ảnh dựa trên AI.
• Cảm biến BSI màn trập toàn cầu loại bỏ biến dạng chuyển động cho robot, máy bay không người lái và hệ thống ô tô.
• CMOS hữu cơ và cảm biến chấm lượng tử mang lại độ nhạy cao hơn, phản ứng quang phổ rộng hơn và màu sắc phong phú hơn.
• Xử lý AI trên cảm biến cho phép giảm nhiễu theo thời gian thực, phát hiện đối tượng và kiểm soát phơi sáng thích ứng.
• Nền tảng hình ảnh lai kết hợp các lợi thế của CMOS và BSI, cải thiện dải động và giảm sử dụng điện năng.
Kết luận
Cảm biến CMOS và BSI đã định hình lại hình ảnh hiện đại, với BSI cung cấp độ nhạy sáng cao hơn, ít nhiễu hơn và độ chính xác màu tốt hơn. Sự gia tăng của CMOS xếp chồng và cảm biến tích hợp AI giúp nâng cao hơn nữa tốc độ, độ rõ nét của hình ảnh và dải động. Cùng với nhau, các công nghệ này tiếp tục thúc đẩy nhiếp ảnh, giám sát và hình ảnh khoa học với độ chính xác và hiệu quả cao hơn.
Những câu hỏi thường gặp
Vật liệu nào được sử dụng trong cảm biến CMOS và BSI?
Cả hai đều sử dụng tấm silicon. Cảm biến BSI cũng bao gồm các lớp silicon mỏng, thấu kính siêu nhỏ và các kết nối kim loại để hấp thụ ánh sáng tốt hơn.
Loại cảm biến nào sử dụng nhiều năng lượng hơn?
Cảm biến BSI tiêu thụ nhiều điện năng hơn do thiết kế phức tạp và xử lý dữ liệu nhanh hơn, mặc dù các thiết kế hiện đại đang cải thiện hiệu quả.
Tại sao cảm biến BSI đắt hơn CMOS?
Cảm biến BSI yêu cầu các bước sản xuất bổ sung, chẳng hạn như làm mỏng tấm wafer và căn chỉnh lớp chính xác, điều này làm cho chúng đắt hơn để sản xuất.
Các cảm biến này xử lý nhiệt như thế nào?
Nhiệt độ cao làm tăng tiếng ồn trong cả hai cảm biến. Các thiết kế của BSI thường bao gồm kiểm soát nhiệt tốt hơn để giữ chất lượng hình ảnh ổn định.
Cảm biến CMOS và BSI có thể phát hiện ánh sáng hồng ngoại không?
Có. Khi được trang bị lớp phủ hoặc bộ lọc nhạy cảm với hồng ngoại được loại bỏ, cả hai đều có thể phát hiện tia hồng ngoại, với BSI cho thấy độ nhạy hồng ngoại tốt hơn.
Mục đích của ống kính siêu nhỏ trên cảm biến hình ảnh là gì?
Microlens dẫn ánh sáng trực tiếp vào điốt quang của mỗi pixel, cải thiện độ sáng và hiệu quả trong các cảm biến BSI nhỏ hơn.