CMOS 與 BSI 感測器：結構、效能與應用比較

從手機到望遠鏡的相機都需要圖像傳感器，捕捉光線並將其轉化為圖像。CMOS（正面照明）和 BSI（背面照明）感測器的工作原理相似，但結構不同，影響光捕獲、雜訊和色彩品質。本文詳細介紹了它們的設計、性能、用途和未來發展。

1.CMOS 與 BSI 感測器概述

2.CMOS 感測器架構

3.BSI CMOS 感測器內部

4.光效與靈敏度比較

5.像素收縮和填充係數

6.串擾、雜訊和背面擴散

CC7。從 BSI 到堆疊式 CMOS 架構

8.CMOS 與 BSI 感測器的動態範圍和色彩表現

9.CMOS 與 BSI 感測器的應用

10.CMOS 與 BSI 感測器的未來發展

11.結論

12.常見問題

Figure 1. CMOS vs BSI Sensor

CMOS 與 BSI 感測器概述

每台相機，從口袋裡的智慧型手機到探索遙遠星系的望遠鏡，都取決於其影像感測器捕捉光線的效率。CMOS 和 BSI 感測器都遵循相似的半導體原理，但它們的結構差異導致感光度、雜訊效能和影像品質存在重大差異。在傳統的 CMOS（前照式 FSI）感測器中，金屬佈線和電晶體位於光電二極體上方，部分阻擋入射光並降低整體靈敏度。這種設計使 CMOS 感測器具有成本效益且更易於製造，但限制了低光性能。相較之下，BSI（背面照明）感測器翻轉結構，將光電二極體放置在頂部，以便光線直接到達它而不會受到阻礙。這提高了量子效率，降低了雜訊，並增強了從數位單眼相機到科學儀器的緊湊型或高階成像系統的性能。

CMOS感測器架構

Figure 2. CMOS Sensor Architecture

前照式（FSI） CMOS 感測器代表數位相機和智慧型手機中使用的早期且更傳統的影像感測器結構。在這種架構中，入射光必須穿過多層材料才能到達光電二極體，光電二極體是負責將光子轉換為電訊號的光敏區域。

工作流程

顯示器中的每個像素都透過涉及微透鏡、彩色濾光片、金屬互連、電晶體和光電二極體層的協調過程進行操作。微透鏡首先透過紅色、綠色和藍色濾色器聚焦入射光，確保只有特定波長到達每個子像素。在光電二極管上方，金屬互連和晶體管管理像素的電氣控制和信號讀出，儘管它們的位置可能會部分阻擋一些入射光。這些層下方是光電二極體，它捕獲剩餘的光並將其轉換為電荷，形成像素的基本影像訊號。

FSI設計的局限性

• 光靈敏度降低：一部分光在到達光電二極體之前被佈線層和電晶體層反射或吸收。

• 較低的填充係數：隨著像素尺寸的縮小，感光區域與總像素面積的比率會降低，從而導致更多的雜訊。

• 弱的低光性能：與 BSI 感測器等現代替代品相比，FSI 感測器在昏暗的環境中表現不佳。

BSI CMOS 感測器內部

Figure 3. Inside the BSI CMOS Sensor

背照式（BSI） CMOS 感測器解決了傳統正面照式（FSI）設計的主要缺點，即金屬佈線和電晶體的光阻擋，徹底改變了數位成像。透過反轉感測器的結構，BSI 允許入射光直接到達光電二極體，從而顯著提高光效率和影像品質。

BSI技術功能

• 矽片被薄化到僅幾微米，以暴露感光層

• 光電二極體層位於頂部，直接面向入射光

• 金屬佈線和電晶體電路重新定位到背面，防止它們阻礙光路

• 先進的微透鏡在每個像素上精確對齊，以確保最佳的光線聚焦

BSI感測器的優點

• 更高的光吸收效率：與 FSI 感測器相比，效率提高了 30-50%，從而產生更明亮、更清晰的影像。

• 卓越的低光性能：減少光子損失可提高靈敏度並最大限度地減少黑暗環境中的雜訊。

• 提高色彩準確度：濾色器具有暢通無阻的光路，可產生更準確、更生動的色調。

• 緊湊的像素設計：BSI 支援較小的像素尺寸，同時保持影像質量，非常適合高解析度感測器。

• 增強的動態範圍：在場景的明亮和昏暗區域更好地捕捉訊號。

光效與靈敏度比較

專題	FSI CMOS 感測器	BSI 感測器
光路	光線通過佈線→部分損耗	直接連接到光電二極體→損耗最小
量子效率（QE）	60–70%	90-100%
低光性能	中等	極好
反射與串擾	高	低
影像清晰度	平均	在昏暗的光線下清晰明亮

像素收縮和填充係數

Figure 4. Pixel Shrink and Fill Factor

在 FSI CMOS 傳感器中

當像素尺寸降至 1.4 μm 以下時，金屬互連和電晶體佔據更大的表面積。填充係數降低，導致每個像素捕獲的光線減少，圖像噪點增加。結果是影像變暗、對比度降低以及低光源條件下的性能較弱。

在 BSI CMOS 傳感器中

光電二極體位於接線上方，允許光線直接照射到它。這種配置實現了幾乎 100% 的填充係數，這意味著幾乎整個像素區域都變得對光敏感。BSI 感測器在整個影像幀中保持均勻的亮度和更高的訊噪比（SNR）。它們還提供卓越的低光性能，即使在智慧型手機或無人機相機等緊湊型模組中也是如此。

串擾、噪音和背面擴散

方面	CMOS （FSI）感測器的潛在問題	BSI 感測器的潛在問題	工程解決方案	對影像品質的影響
光學串擾	光線在到達光電二極體之前被金屬線散射或阻擋，導致照明不均勻。	由於背面曝光，光線會洩漏到相鄰的像素中。	深溝隔離（DTI）：在像素之間建立物理屏障以防止光學幹擾。	更清晰的影像、更好的色彩分離和減少模糊。
電荷重組	電荷載流子在厚矽或金屬層內丟失，從而降低靈敏度。	背面重組：載體在收集前在暴露表面附近重組。	鈍化層和表面處理：減少缺陷並改善電荷收集。	提高靈敏度並減少訊號損失。
綻放效果	一個像素的過度曝光會導致相鄰像素因正面擴散而飽和。	過度曝光會使電荷擴散到變薄的矽層下方。	表面摻雜和電荷屏障：遏制電荷並防止溢出。	減少白色條紋，高光更平滑。
電氣和熱噪聲	來自像素上晶體管的熱量會在信號路徑中產生噪聲。	由於薄矽和密集電路導致的更高散粒噪聲。	低噪聲放大器和片上降噪算法。	更清晰的影像，改善的低光性能。
填充係數限制	金屬層和電晶體覆蓋了較大的像素面積，降低了對光的敏感性。	幾乎消除 - 光電二極管完全暴露在光線下。	BSI 結構和微透鏡優化。	最大的光捕捉和均勻的亮度。

從BSI到堆疊式CMOS架構

堆疊式CMOS感測器的結構

圖層	功能	產品描述
頂層	像素陣列（BSI 設計）	包含光敏光電二極管，可捕捉入射光，使用 BSI 結構最大限度地提高靈敏度。
中間層	類比/數位電路	與像素陣列分開處理訊號轉換、放大和影像處理任務，以獲得更清晰的輸出。
底層	記憶體或處理器整合	可能包括嵌入式 DRAM 或 AI 處理核心，用於快速數據緩衝和實時圖像增強。