CMOS กับ BSI: โครงสร้างและประสิทธิภาพ

จําเป็นต้องใช้เซ็นเซอร์ภาพในกล้องตั้งแต่โทรศัพท์ไปจนถึงกล้องโทรทรรศน์จับแสงและเปลี่ยนเป็นภาพ เซ็นเซอร์ CMOS (Front-Side Illuminated) และ BSI (Backside-Illuminated) ทํางานบนหลักการที่คล้ายคลึงกัน แต่มีโครงสร้างที่แตกต่างกัน ซึ่งส่งผลต่อการจับแสง สัญญาณรบกวน และคุณภาพสี บทความนี้จะอธิบายการออกแบบ ประสิทธิภาพ การใช้งาน และการพัฒนาในอนาคตโดยละเอียด

ค 1. CMOS กับ BSI Sensor Overview

ค 2. สถาปัตยกรรมเซนเซอร์ CMOS

ค 3. ภายในเซ็นเซอร์ BSI CMOS

ค 4. การเปรียบเทียบประสิทธิภาพแสงและความไวแสง

ค 5. Pixel Shrink และ Fill Factor

ค 6. ครอสทอล์ค เสียงรบกวน และการแพร่กระจายด้านหลัง

ซีซี 7. จาก BSI สู่สถาปัตยกรรม CMOS แบบเรียงซ้อน

ค 8. ช่วงไดนามิกและประสิทธิภาพสีในเซ็นเซอร์ CMOS กับ BSI

ค 9. การประยุกต์ใช้เซ็นเซอร์ CMOS กับ BSI

ค 10. การพัฒนาในอนาคตของเซ็นเซอร์ CMOS กับ BSI

ค 11. บทสรุป

ค 12. คําถามที่พบบ่อย 

CMOS กับ BSI Sensor Overview 

กล้องทุกตัว ตั้งแต่สมาร์ทโฟนในกระเป๋าเสื้อไปจนถึงกล้องโทรทรรศน์ที่สํารวจกาแล็กซีอันไกลโพ้น ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ภาพในการจับแสง ทั้งเซ็นเซอร์ CMOS และ BSI ปฏิบัติตามหลักการเซมิคอนดักเตอร์ที่คล้ายคลึงกัน แต่ความแตกต่างของโครงสร้างนําไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่สําคัญในด้านความไวแสง ประสิทธิภาพสัญญาณรบกวน และคุณภาพของภาพ ในเซ็นเซอร์ CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) แบบดั้งเดิม สายไฟโลหะและทรานซิสเตอร์จะอยู่เหนือโฟโตไดโอด ซึ่งปิดกั้นแสงที่เข้ามาบางส่วนและลดความไวโดยรวม การออกแบบนี้ทําให้เซ็นเซอร์ CMOS คุ้มค่าและผลิตได้ง่ายขึ้น แต่จํากัดประสิทธิภาพในที่แสงน้อย ในทางตรงกันข้าม เซ็นเซอร์ BSI (Back-Side Illuminated) จะพลิกโครงสร้าง โดยวางตําแหน่งโฟโตไดโอดไว้ด้านบนเพื่อให้แสงส่องถึงโดยตรงโดยไม่มีสิ่งกีดขวาง สิ่งนี้ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพควอนตัม ลดสัญญาณรบกวน และเพิ่มประสิทธิภาพในระบบการถ่ายภาพขนาดกะทัดรัดหรือระดับไฮเอนด์ ตั้งแต่กล้อง DSLR ไปจนถึงเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์

สถาปัตยกรรมเซนเซอร์ CMOS 

เซนเซอร์ CMOS แบบเรืองแสงด้านหน้า (FSI) แสดงถึงโครงสร้างเซนเซอร์ภาพแบบเดิมและแบบเดิมที่ใช้ในกล้องดิจิตอลและสมาร์ทโฟน ในสถาปัตยกรรมนี้ แสงที่เข้ามาจะต้องผ่านวัสดุหลายชั้นก่อนที่จะไปถึงโฟโตไดโอด ซึ่งเป็นบริเวณที่ไวต่อแสงที่รับผิดชอบในการแปลงโฟตอนเป็นสัญญาณไฟฟ้า

กระบวนการทํางาน

แต่ละพิกเซลในจอแสดงผลทํางานผ่านกระบวนการประสานงานที่เกี่ยวข้องกับไมโครเลนส์ ฟิลเตอร์สี การเชื่อมต่อระหว่างโลหะ ทรานซิสเตอร์ และชั้นโฟโตไดโอด ไมโครเลนส์จะโฟกัสแสงที่เข้ามาผ่านฟิลเตอร์สีแดง เขียว และน้ําเงินก่อน เพื่อให้มั่นใจว่าเฉพาะความยาวคลื่นที่เฉพาะเจาะจงเท่านั้นที่เข้าถึงแต่ละพิกเซลย่อย เหนือโฟโตไดโอดการเชื่อมต่อระหว่างโลหะและทรานซิสเตอร์จะจัดการการควบคุมทางไฟฟ้าและการอ่านสัญญาณของพิกเซลแม้ว่าตําแหน่งของพวกมันสามารถปิดกั้นแสงที่เข้ามาบางส่วนได้ ใต้เลเยอร์เหล่านี้มีโฟโตไดโอดซึ่งจับแสงที่เหลือและแปลงเป็นประจุไฟฟ้าสร้างสัญญาณภาพพื้นฐานของพิกเซล

ข้อจํากัดของการออกแบบ FSI

• ลดความไวแสง: ส่วนหนึ่งของแสงถูกสะท้อนหรือดูดซับโดยชั้นสายไฟและทรานซิสเตอร์ก่อนที่จะไปถึงโฟโตไดโอด

• Lower Fill Factor: เมื่อขนาดพิกเซลหดตัว อัตราส่วนของพื้นที่ไวต่อแสงต่อพื้นที่พิกเซลทั้งหมดจะลดลง ซึ่งนําไปสู่สัญญาณรบกวนที่มากขึ้น

• ประสิทธิภาพในสภาวะแสงน้อยที่อ่อนแอลง: เซ็นเซอร์ FSI ประสบปัญหาในสภาพแวดล้อมที่มืดสลัวเมื่อเทียบกับทางเลือกที่ทันสมัย เช่น เซ็นเซอร์ BSI

ภายในเซ็นเซอร์ BSI CMOS 

เซ็นเซอร์ CMOS แบบ Backside-Illuminated (BSI) ปฏิวัติการถ่ายภาพดิจิทัลโดยจัดการกับข้อเสียเปรียบที่สําคัญของการออกแบบ Front-Side Illuminated (FSI) แบบดั้งเดิม การอุดตันของแสงจากการเดินสายโลหะและทรานซิสเตอร์ ด้วยการย้อนกลับโครงสร้างของเซ็นเซอร์ BSI ช่วยให้แสงที่เข้ามาเข้าถึงโฟโตไดโอดได้โดยตรง ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพแสงและคุณภาพของภาพได้อย่างมาก

ฟังก์ชันเทคโนโลยี BSI

•เวเฟอร์ซิลิกอนถูกทําให้บางลงเหลือเพียงไม่กี่ไมโครเมตรเพื่อให้เห็นชั้นไวแสง

• ชั้นโฟโตไดโอดอยู่ด้านบน หันหน้าเข้าหาแสงที่เข้ามาโดยตรง

•สายไฟโลหะและวงจรทรานซิสเตอร์ถูกย้ายไปที่ด้านหลังเพื่อป้องกันไม่ให้กีดขวางเส้นทางแสง

• ไมโครเลนส์ขั้นสูงถูกจัดตําแหน่งอย่างแม่นยําในแต่ละพิกเซลเพื่อให้แน่ใจว่ามีการโฟกัสแสงที่เหมาะสมที่สุด

ข้อดีของเซ็นเซอร์ BSI

• ประสิทธิภาพการดูดซับแสงที่สูงขึ้น: ปรับปรุงได้ถึง 30-50% เมื่อเทียบกับเซ็นเซอร์ FSI ส่งผลให้ภาพสว่างและสะอาดขึ้น

•ประสิทธิภาพแสงน้อยที่เหนือกว่า: การสูญเสียโฟตอนที่ลดลงช่วยเพิ่มความไวและลดสัญญาณรบกวนในสภาพแวดล้อมที่มืด

•ปรับปรุงความแม่นยําของสี: ด้วยเส้นทางแสงที่ไม่มีสิ่งกีดขวางฟิลเตอร์สีจะสร้างโทนสีที่แม่นยําและสดใสยิ่งขึ้น

• การออกแบบพิกเซลขนาดกะทัดรัด: BSI รองรับขนาดพิกเซลที่เล็กลงในขณะที่ยังคงคุณภาพของภาพ ซึ่งเหมาะสําหรับเซ็นเซอร์ความละเอียดสูง

• ช่วงไดนามิกที่ได้รับการปรับปรุง: การจับสัญญาณที่ดีขึ้นทั้งในบริเวณที่สว่างและสลัวของฉาก

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพแสงและความไวแสง

คุณสมบัติ	เซ็นเซอร์ FSI CMOS	FSI ประเทศไทย เซ็นเซอร์ BSI	BSI
เส้นทางแสง	แสงผ่านสายไฟ→สูญเสียบางส่วน	มิซูมิ ส่งตรงไปยังโฟโตไดโอด→การสูญเสียน้อยที่สุด
ประสิทธิภาพควอนตัม (QE)	60–70%	90–100%
ประสิทธิภาพในสภาวะแสงน้อย	ปานกลาง	ยอดเยี่ยม
การสะท้อนแสง & ครอสทอล์ค	สูง	ต่ํา
ความคมชัดของภาพ	เฉลี่ย	คมชัดและสว่างในที่แสงสลัว
เมื่อขนาดพิกเซลลดลงต่ํากว่า 1.4 μm โลหะจะเชื่อมต่อระหว่างกันและทรานซิสเตอร์จะใช้พื้นที่ผิวที่ใหญ่ขึ้น ปัจจัยการเติมลดลง ส่งผลให้จับแสงต่อพิกเซลน้อยลงและสัญญาณรบกวนของภาพเพิ่มขึ้น ผลลัพธ์ที่ได้คือภาพที่มืดลง คอนทราสต์ลดลง และประสิทธิภาพที่อ่อนลงในสภาพแสงน้อย
โฟโตไดโอดอยู่ในตําแหน่งเหนือสายไฟ เพื่อให้แสงกระทบโดยตรง การกําหนดค่านี้ให้ปัจจัยการเติมเกือบ 100% ซึ่งหมายความว่าพื้นที่พิกเซลเกือบทั้งหมดจะไวต่อแสง เซ็นเซอร์ BSI รักษาความสว่างที่สม่ําเสมอและอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ที่สูงขึ้นทั่วทั้งเฟรมภาพ นอกจากนี้ยังให้ประสิทธิภาพในสภาวะแสงน้อยที่เหนือกว่า แม้ในโมดูลขนาดกะทัดรัด เช่น กล้องสมาร์ทโฟนหรือโดรน
ด้าน	ปัญหาที่อาจเกิดขึ้นในเซ็นเซอร์ CMOS (FSI)	CMOS Inc. ปัญหาที่อาจเกิดขึ้นในเซ็นเซอร์ BSI	BSI AG โซลูชั่นทางวิศวกรรม	ผลกระทบต่อคุณภาพของภาพ	Traveloka
ออปติครอสทอล์ค	แสงกระจัดกระจายหรือถูกปิดกั้นโดยสายไฟโลหะก่อนที่จะไปถึงโฟโตไดโอด ทําให้เกิดการส่องสว่างไม่สม่ําเสมอ	แสงรั่วไหลไปยังพิกเซลข้างเคียงเนื่องจากการเปิดรับแสงด้านหลัง	Deep Trench Isolation (DTI): สร้างสิ่งกีดขวางทางกายภาพระหว่างพิกเซลเพื่อป้องกันการรบกวนทางแสง	ภาพที่คมชัดขึ้น การแยกสีที่ดีขึ้นและลดความเบลอ
การรวมประจุ	ตัวพาประจุจะหายไปภายในชั้นซิลิกอนหรือโลหะหนา ซึ่งช่วยลดความไว	การรวมตัวกันด้านหลัง: ผู้ให้บริการรวมตัวกันใหม่ใกล้กับพื้นผิวที่สัมผัสก่อนการรวบรวม	Passivation Layers & Surface Treatment: ลดข้อบกพร่องและปรับปรุงการเก็บประจุ	เพิ่มความไวและลดการสูญเสียสัญญาณ
เอฟเฟกต์บาน	การเปิดรับแสงมากเกินไปในพิกเซลหนึ่งพิกเซลทําให้พิกเซลที่อยู่ติดกันอิ่มตัวเนื่องจากการแพร่กระจายด้านหน้า	การเปิดรับแสงมากเกินไปจะกระจายประจุใต้ชั้นซิลิกอนที่บางลง	Surface Doping & Charge Barriers: มีประจุและป้องกันน้ําล้น	ลดริ้วสีขาวและไฮไลท์ที่นุ่มนวลยิ่งขึ้น
เสียงรบกวนทางไฟฟ้าและความร้อน	ความร้อนจากทรานซิสเตอร์แบบออนพิกเซลสร้างสัญญาณรบกวนในเส้นทางสัญญาณ	เสียงรบกวนที่สูงขึ้นเนื่องจากซิลิกอนบางและวงจรหนาแน่น	แอมพลิฟายเออร์เสียงรบกวนต่ําและอัลกอริธึมการลดเสียงรบกวนบนชิป	ภาพที่สะอาดขึ้น ประสิทธิภาพในสภาวะแสงน้อยที่ดีขึ้น
ข้อจํากัดของปัจจัยการเติม	ชั้นโลหะและทรานซิสเตอร์ครอบคลุมพื้นที่พิกเซลขนาดใหญ่ ช่วยลดความไวแสง	เกือบถูกกําจัด - โฟโตไดโอดสัมผัสกับแสงอย่างเต็มที่	โครงสร้าง BSI และการเพิ่มประสิทธิภาพไมโครเลนส์	การจับแสงสูงสุดและความสว่างสม่ําเสมอ

จาก BSI สู่สถาปัตยกรรม CMOS แบบเรียงซ้อน

โครงสร้างของเซ็นเซอร์ CMOS แบบเรียงซ้อน

ข้อดีของเซ็นเซอร์ CMOS แบบเรียงซ้อน

• การอ่านข้อมูลที่รวดเร็วเป็นพิเศษ: ช่วยให้สามารถถ่ายภาพต่อเนื่องความเร็วสูงและจับภาพวิดีโอจริงได้ถึงความละเอียด 4K หรือ 8K โดยมีการบิดเบือนชัตเตอร์น้อยที่สุด

• การประมวลผลบนชิปที่ได้รับการปรับปรุง: รวมวงจรลอจิกที่ทําการรวม HDR การแก้ไขการเคลื่อนไหว และการลดสัญญาณรบกวนโดยตรงบนเซ็นเซอร์

• ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน: เส้นทางข้อมูลที่สั้นลงและโดเมนพลังงานอิสระช่วยปรับปรุง • ปริมาณงานในขณะที่ลดการใช้พลังงาน

• ฟอร์มแฟคเตอร์ที่เล็กลง: การซ้อนแนวตั้งช่วยให้สามารถออกแบบโมดูลขนาดกะทัดรัดที่เหมาะสําหรับสมาร์ทโฟน กล้องรถยนต์ และโดรน

• รองรับ AI และ Computational Imaging : เซ็นเซอร์แบบเรียงซ้อนบางตัวมีโปรเซสเซอร์ประสาทเฉพาะสําหรับโฟกัสอัตโนมัติอัจฉริยะ การจดจําฉาก และการปรับปรุงแบบเรียลไทม์

ช่วงไดนามิกและประสิทธิภาพของสีในเซ็นเซอร์ CMOS กับ BSI

เซ็นเซอร์ BSI (เรืองแสงด้านหลัง)

ด้วยการกําจัดสายไฟโลหะเหนือโฟโตไดโอด เซ็นเซอร์ BSI ช่วยให้โฟตอนเข้าถึงพื้นที่ที่ไวต่อแสงได้โดยตรง โครงสร้างนี้ช่วยเพิ่มความจุเต็มหลุมปรับปรุงการดูดซับแสงและลดการตัดไฮไลท์ ด้วยเหตุนี้ เซ็นเซอร์ BSI จึงให้ประสิทธิภาพ HDR ที่เหนือกว่า ความลึกของสีที่ดีขึ้นและการไล่ระดับเงาที่ละเอียดยิ่งขึ้น จึงเหมาะที่สุดสําหรับการถ่ายภาพ HDR การถ่ายภาพทางการแพทย์ และการเฝ้าระวังในที่แสงน้อย

เซ็นเซอร์ FSI (เรืองแสงด้านหน้า)

ในทางตรงกันข้าม เซ็นเซอร์ FSI ต้องการแสงเพื่อผ่านวงจรหลายชั้นก่อนที่จะไปถึงโฟโตไดโอด สิ่งนี้ทําให้เกิดการสะท้อนและการกระเจิงบางส่วน ซึ่งจํากัดช่วงไดนามิกและความสามารถในการแมปโทนเสียง มีแนวโน้มที่จะเปิดรับแสงมากเกินไปในสภาพสว่าง และมักจะให้สีที่แม่นยําน้อยกว่าในเงามืด

การประยุกต์ใช้เซ็นเซอร์ CMOS กับ BSI

เซ็นเซอร์ CMOS (FSI)

• วิสัยทัศน์ของเครื่อง

•การตรวจสอบอุตสาหกรรม

• การส่องกล้องทางการแพทย์

• กล้องวงจรปิด

เซ็นเซอร์ BSI

• สมาร์ทโฟน

• กล้องดิจิตอล

• ยานยนต์ ADAS

•ดาราศาสตร์และการถ่ายภาพทางวิทยาศาสตร์

• การบันทึกวิดีโอ 8K

การพัฒนาในอนาคตของเซ็นเซอร์ CMOS กับ BSI

• การออกแบบแบบซ้อน 3 มิติรวมเลเยอร์พิกเซล ลอจิก และหน่วยความจําเพื่อการอ่านข้อมูลที่รวดเร็วเป็นพิเศษและการถ่ายภาพที่ขับเคลื่อนด้วย AI

• เซ็นเซอร์ BSI ชัตเตอร์ทั่วโลกช่วยขจัดความผิดเพี้ยนของการเคลื่อนไหวสําหรับหุ่นยนต์ โดรน และระบบยานยนต์

•เซ็นเซอร์ CMOS และควอนตัมดอทแบบออร์แกนิกให้ความไวที่สูงขึ้นการตอบสนองสเปกตรัมที่กว้างขึ้นและสีที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น

• การประมวลผล AI บนเซ็นเซอร์ช่วยให้สามารถลดสัญญาณรบกวนแบบเรียลไทม์ การตรวจจับวัตถุ และการควบคุมการรับแสงแบบปรับได้

•แพลตฟอร์มการถ่ายภาพแบบไฮบริดรวมข้อดีของ CMOS และ BSI ปรับปรุงช่วงไดนามิกและลดการใช้พลังงาน

สรุป

เซ็นเซอร์ CMOS และ BSI ได้พลิกโฉมการถ่ายภาพสมัยใหม่ โดย BSI ให้ความไวแสงที่สูงขึ้น สัญญาณรบกวนน้อยลง และความแม่นยําของสีที่ดีขึ้น การเพิ่มขึ้นของ CMOS แบบเรียงซ้อนและเซ็นเซอร์ที่รวม AI ช่วยเพิ่มความเร็ว ความคมชัดของภาพ และช่วงไดนามิกให้ดียิ่งขึ้น เทคโนโลยีเหล่านี้ยังคงพัฒนาการถ่ายภาพ การเฝ้าระวัง และการถ่ายภาพทางวิทยาศาสตร์ด้วยความแม่นยําและประสิทธิภาพที่มากขึ้น

คําถามที่พบบ่อย 

วัสดุอะไรที่ใช้ในเซ็นเซอร์ CMOS และ BSI

ทั้งสองใช้เวเฟอร์ซิลิกอน เซ็นเซอร์ BSI ยังรวมถึงชั้นซิลิกอนที่บางลง ไมโครเลนส์ และการเชื่อมต่อระหว่างโลหะเพื่อการดูดซับแสงที่ดีขึ้น

เซ็นเซอร์ประเภทใดใช้พลังงานมากกว่ากัน?

เซ็นเซอร์ BSI ใช้พลังงานมากขึ้นเนื่องจากการออกแบบที่ซับซ้อนและการประมวลผลข้อมูลที่เร็วขึ้นแม้ว่าการออกแบบที่ทันสมัยจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพ

เหตุใดเซ็นเซอร์ BSI จึงมีราคาแพงกว่า CMOS

เซ็นเซอร์ BSI ต้องการขั้นตอนการผลิตเพิ่มเติม เช่น การทําให้เวเฟอร์บางลงและการจัดตําแหน่งชั้นที่แม่นยํา ซึ่งทําให้มีราคาแพงกว่าในการผลิต

เซ็นเซอร์เหล่านี้จัดการกับความร้อนอย่างไร?

อุณหภูมิสูงจะเพิ่มสัญญาณรบกวนในเซ็นเซอร์ทั้งสอง การออกแบบของ BSI มักจะมีการควบคุมความร้อนที่ดีขึ้นเพื่อรักษาคุณภาพของภาพให้คงที่

เซ็นเซอร์ CMOS และ BSI สามารถตรวจจับแสงอินฟราเรดได้หรือไม่?

ใช่ เมื่อติดตั้งการเคลือบหรือฟิลเตอร์ที่ไวต่อ IR ทั้งสองสามารถตรวจจับอินฟราเรดได้ โดย BSI แสดงความไวต่อ IR ที่ดีขึ้น

จุดประสงค์ของไมโครเลนส์บนเซ็นเซอร์ภาพคืออะไร?

ไมโครเลนส์นําแสงเข้าสู่โฟโตไดโอดของแต่ละพิกเซลโดยตรง ซึ่งช่วยเพิ่มความสว่างและประสิทธิภาพในเซ็นเซอร์ BSI ที่มีขนาดเล็กลง