Bildsensoren werden in Kameras benötigt, von Telefonen bis hin zu Teleskopen, die Licht einfangen und in Bilder umwandeln. CMOS- (Front-Side Illuminated) und BSI-Sensoren (Backside-Illuminated) arbeiten nach ähnlichen Prinzipien, unterscheiden sich jedoch in ihrer Struktur, was sich auf die Lichterfassung, das Rauschen und die Farbqualität auswirkt. In diesem Artikel werden deren Designs, Leistung, Einsatzmöglichkeiten und zukünftige Entwicklungen im Detail erläutert.
CC7. Von BSI zu gestackten CMOS-Architekturen
CMOS vs. BSI Sensor Übersicht
Jede Kamera, vom Smartphone in der Tasche bis hin zu den Teleskopen, die ferne Galaxien erkunden, hängt davon ab, wie effizient ihr Bildsensor Licht einfängt. Sowohl CMOS- als auch BSI-Sensoren folgen ähnlichen Halbleiterprinzipien, aber ihre strukturellen Unterschiede führen zu großen Unterschieden in der Lichtempfindlichkeit, dem Rauschverhalten und der Bildqualität. Bei herkömmlichen CMOS-Sensoren (Front-Side Illuminated, FSI) befinden sich Metallkabel und Transistoren über den Fotodioden, wodurch das einfallende Licht teilweise blockiert und die Gesamtempfindlichkeit verringert wird. Dieses Design macht CMOS-Sensoren kostengünstig und einfacher herzustellen, schränkt jedoch die Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen ein. Im Gegensatz dazu drehen BSI-Sensoren (Back-Side Illuminated) die Struktur um und positionieren die Fotodiode oben, so dass das Licht sie direkt und ungehindert erreicht. Dies verbessert die Quanteneffizienz, reduziert das Rauschen und steigert die Leistung in kompakten oder High-End-Bildgebungssystemen, von DSLR-Kameras bis hin zu wissenschaftlichen Instrumenten.
CMOS-Sensor-Architektur
Ein Front-Side Illuminated (FSI) CMOS-Sensor stellt die frühere und konventionellere Bildsensorstruktur dar, die in Digitalkameras und Smartphones verwendet wurde. Bei dieser Architektur muss einfallendes Licht mehrere Materialschichten passieren, bevor es die Fotodiode erreicht, den lichtempfindlichen Bereich, der für die Umwandlung von Photonen in elektrische Signale verantwortlich ist.
Arbeitsprozess
Jedes Pixel im Display durchläuft einen koordinierten Prozess, an dem Mikrolinsen, Farbfilter, Metallverbindungen, Transistoren und eine Fotodiodenschicht beteiligt sind. Die Mikrolinsen fokussieren zunächst das einfallende Licht durch die Farbfilter Rot, Grün und Blau und stellen so sicher, dass nur bestimmte Wellenlängen jedes Subpixel erreichen. Über der Fotodiode sorgen Metallverbindungen und Transistoren für die elektrische Steuerung des Pixels und die Signalauslesung, obwohl ihre Position einen Teil des einfallenden Lichts teilweise blockieren kann. Unter diesen Schichten befindet sich die Fotodiode, die das verbleibende Licht einfängt und in eine elektrische Ladung umwandelt, die das grundlegende Bildsignal des Pixels bildet.
Einschränkungen des FSI-Designs
• Reduzierte Lichtempfindlichkeit: Ein Teil des Lichts wird von den Verdrahtungs- und Transistorschichten reflektiert oder absorbiert, bevor es die Fotodiode erreichen kann.
• Niedrigerer Füllfaktor: Wenn die Pixelgröße schrumpft, nimmt das Verhältnis des lichtempfindlichen Bereichs zur gesamten Pixelfläche ab, was zu mehr Rauschen führt.
• Schwächere Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen: FSI-Sensoren haben im Vergleich zu modernen Alternativen wie BSI-Sensoren Probleme in dunklen Umgebungen.
Im Inneren des BSI CMOS-Sensors
Der Backside-Illuminated (BSI) CMOS-Sensor revolutionierte die digitale Bildgebung, indem er den größten Nachteil herkömmlicher Front-Side-Illuminated (FSI)-Designs behebt, nämlich die Lichtblockade durch Metallkabel und Transistoren. Durch die Umkehrung der Sensorstruktur lässt BSI das einfallende Licht direkt auf die Fotodiode treffen, was die Lichtausbeute und Bildqualität drastisch verbessert.
Funktion der BSI-Technologie
• Der Siliziumwafer wird auf wenige Mikrometer verdünnt, um die lichtempfindliche Schicht freizulegen
• Die Fotodiodenschicht befindet sich auf der Oberseite, direkt gegen einfallendes Licht
• Die Metallverkabelung und die Transistorschaltungen wurden auf die Rückseite verlegt, um zu verhindern, dass sie die Lichtwege behindern
• Fortschrittliche Mikrolinsen sind präzise über jedes Pixel ausgerichtet, um eine optimale Lichtfokussierung zu gewährleisten
Vorteile von BSI-Sensoren
• Höhere Lichtabsorptionseffizienz: Bis zu 30–50 % Verbesserung im Vergleich zu FSI-Sensoren, was zu helleren und saubereren Bildern führt.
• Überlegene Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen: Reduzierter Photonenverlust erhöht die Empfindlichkeit und minimiert das Rauschen in dunklen Umgebungen.
• Verbesserte Farbgenauigkeit: Mit ungehinderten Lichtwegen erzeugen Farbfilter genauere und lebendigere Töne.
• Kompaktes Pixeldesign: BSI unterstützt kleinere Pixelgrößen bei gleichbleibender Bildqualität, ideal für hochauflösende Sensoren.
• Erweiterter Dynamikbereich: Bessere Signalerfassung sowohl in hellen als auch in dunklen Bereichen einer Szene.
Vergleich von Lichtausbeute und Empfindlichkeit
| Funktion | FSI CMOS-Sensor | BSI Sensor |
|---|---|---|
| Lichtweg | Licht dringt → teilweisem Verlust durch die Verkabelung | Direkt zur Fotodiode → minimaler Verlust |
| Quanteneffizienz (QE) | 60–70 % | 90–100 % |
| Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen | Moderat | Sehr Gut |
| Reflexion & Übersprechen | Hoch | Niedrig |
| Bildschärfe | Durchschnitt | Scharf und hell bei schwachem Licht |
Pixelverkleinerung und Füllfaktor
In FSI CMOS-Sensoren
Wenn die Pixelgröße unter 1,4 μm sinkt, nehmen die Metallverbindungen und Transistoren eine größere Oberfläche ein. Der Füllfaktor nimmt ab, was dazu führt, dass weniger Licht pro Pixel erfasst wird und das Bildrauschen zunimmt. Das Ergebnis sind dunklere Bilder, weniger Kontrast und eine schwächere Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen.
In BSI CMOS-Sensoren
Die Fotodiode ist über der Verkabelung positioniert, so dass das Licht direkt auf sie trifft. Durch diese Konfiguration wird ein Füllfaktor von nahezu 100 % erreicht, was bedeutet, dass fast der gesamte Pixelbereich lichtempfindlich wird. BSI-Sensoren sorgen für eine gleichmäßige Helligkeit und ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) über den gesamten Bildrahmen. Sie bieten auch eine überragende Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen, selbst in kompakten Modulen wie Smartphones oder Drohnenkameras.
Übersprechen, Rauschen und Rückseitendiffusion
| Ausrichtung | Mögliche Probleme bei CMOS-Sensoren (FSI) | Mögliche Probleme bei BSI-Sensoren | Technische Lösungen | Auswirkungen auf die Bildqualität |
|---|---|---|---|---|
| Optisches Übersprechen | Das Licht wird gestreut oder durch Metallkabel blockiert, bevor es die Fotodiode erreicht, was zu einer ungleichmäßigen Beleuchtung führt. | Licht dringt aufgrund der Belichtung von der Rückseite in benachbarte Pixel ein. | Deep Trench Isolation (DTI): Schafft physische Barrieren zwischen Pixeln, um optische Interferenzen zu verhindern. | Schärfere Bilder, bessere Farbtrennung und weniger Unschärfe. |
| Rekombination der Ladung | Ladungsträger gehen in dicken Silizium- oder Metallschichten verloren, wodurch die Empfindlichkeit verringert wird. | Rekombination auf der Rückseite: Träger rekombinieren vor der Entnahme in der Nähe der freiliegenden Oberfläche. | Passivierungsschichten und Oberflächenbehandlung: Reduzieren Sie Defekte und verbessern Sie die Ladungssammlung. | Verbesserte Empfindlichkeit und reduzierter Signalverlust. |
| Blooming-Effekt | Eine Überbelichtung in einem Pixel führt dazu, dass benachbarte Pixel aufgrund der Diffusion auf der Vorderseite gesättigt werden. | Bei Überbelichtung verteilt sich die Ladung unter der verdünnten Siliziumschicht. | Oberflächendotierung und Ladungsbarrieren: Dämmen Sie die Ladung ein und verhindern Sie ein Überlaufen. | Reduzierte weiße Streifen und glattere Glanzlichter. |
| Elektrisches und thermisches Rauschen | Die Wärme von On-Pixel-Transistoren erzeugt Rauschen im Signalweg. | Höheres Schussrauschen durch dünnes Silizium und dichte Schaltkreise. | Rauscharme Verstärker und On-Chip-Algorithmen zur Rauschunterdrückung. | Sauberere Bilder, verbesserte Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen. |
| Begrenzung des Füllfaktors | Metallschichten und Transistoren decken einen großen Pixelbereich ab und verringern so die Lichtempfindlichkeit. | Fast eliminiert - Fotodiode vollständig dem Licht ausgesetzt. | BSI Struktur- und Mikrolinsenoptimierung. | Maximale Lichterfassung und gleichmäßige Helligkeit. |
Von BSI zu gestapelten CMOS-Architekturen
Aufbau eines gestapelten CMOS-Sensors
| Ebene | Funktion | Beschreibung |
|---|---|---|
| Deckschicht | Pixel-Array (BSI Design) | Enthält die lichtempfindlichen Fotodioden, die das einfallende Licht einfangen und eine BSI-Struktur verwenden, um die Empfindlichkeit zu maximieren. |
| Mittlere Schicht | Analoge/digitale Schaltungen | Verarbeitet Signalkonvertierungs-, Verstärkungs- und Bildverarbeitungsaufgaben getrennt vom Pixel-Array, um sauberere Ausgaben zu erzielen. |
| Untere Schicht | Speicher- oder Prozessorintegration | Kann eingebettete DRAM- oder KI-Prozessorkerne für schnelle Datenpufferung und Echtzeit-Bildverbesserung enthalten. |
Vorteile von gestapelten CMOS-Sensoren
• Ultraschnelle Auslesung: Ermöglicht Serienaufnahmen mit hoher Geschwindigkeit und tatsächliche Videoaufnahmen mit bis zu 4K- oder 8K-Auflösungen mit minimaler Rolling-Shutter-Verzerrung.
• Verbesserte On-Chip-Verarbeitung: Integriert Logikschaltungen, die HDR-Zusammenführung, Bewegungskorrektur und Rauschunterdrückung direkt auf dem Sensor durchführen.
• Energieeffizienz: Kürzere Datenwege und unabhängige Stromversorgungsbereiche verbessern den • Durchsatz bei gleichzeitiger Reduzierung des Stromverbrauchs.
• Kleinerer Formfaktor: Vertikales Stapeln ermöglicht ein kompaktes Moduldesign, das sich ideal für Smartphones, Automobilkameras und Drohnen eignet.
• Unterstützung von KI und Computational Imaging: Einige gestapelte Sensoren verfügen über dedizierte neuronale Prozessoren für intelligenten Autofokus, Szenenerkennung und Echtzeitverbesserung.
Dynamikbereich und Farbleistung bei CMOS- und BSI-Sensoren
BSI-Sensoren (Backside-Illuminated)
Durch den Wegfall von Metallkabeln über der Fotodiode ermöglichen BSI-Sensoren, dass Photonen direkt in den lichtempfindlichen Bereich gelangen. Diese Struktur erhöht die Full-Well-Kapazität, verbessert die Lichtabsorption und minimiert das Clipping von Spitzlichtern. Infolgedessen bieten BSI-Sensoren eine überlegene HDR-Leistung, eine bessere Farbtiefe und eine feinere Schattenabstufung, wodurch sie sich am besten für HDR-Fotografie, medizinische Bildgebung und Überwachung bei schlechten Lichtverhältnissen eignen.
FSI-Sensoren (Front-Side Illuminated)
Im Gegensatz dazu muss bei FSI-Sensoren das Licht mehrere Schaltungsschichten durchlaufen, bevor es die Fotodiode erreicht. Dies führt zu partieller Reflexion und Streuung, was den Dynamikbereich und die Tone-Mapping-Fähigkeit einschränkt. Sie sind anfälliger für Überbelichtung bei hellen Lichtverhältnissen und erzeugen oft weniger genaue Farben in tiefen Schatten.
Anwendungen von CMOS- vs. BSI-Sensoren
CMOS (FSI) Sensoren
• Maschinelles Sehen
• Industrielle Inspektion
• Medizinische Endoskopie
• Überwachungskameras
BSI-Sensoren
• Smartphones
•Digitalkameras
• ADAS für die Automobilindustrie
•Astronomie und wissenschaftliche Bildgebung
• 8K-Videoaufzeichnung
Zukünftige Entwicklungen bei CMOS- vs. BSI-Sensoren
• 3D-Stacked-Designs kombinieren Pixel-, Logik- und Speicherschichten für ultraschnelles Auslesen und KI-gesteuerte Bildgebung.
• Global-Shutter-BSI-Sensoren eliminieren Bewegungsverzerrungen für Robotik, Drohnen und Automobilsysteme.
• Organische CMOS- und Quantenpunktsensoren bieten eine höhere Empfindlichkeit, eine breitere spektrale Empfindlichkeit und sattere Farben.
• Die KI-Verarbeitung am Sensor ermöglicht die Rauschunterdrückung in Echtzeit, die Objekterkennung und die adaptive Belichtungssteuerung.
• Hybride Imaging-Plattformen vereinen die Vorteile von CMOS und BSI, verbessern den Dynamikbereich und reduzieren den Stromverbrauch.
Fazit
CMOS- und BSI-Sensoren haben die moderne Bildgebung neu gestaltet, wobei BSI eine höhere Lichtempfindlichkeit, weniger Rauschen und eine bessere Farbgenauigkeit bietet. Das Aufkommen von gestapelten CMOS- und KI-integrierten Sensoren verbessert die Geschwindigkeit, Bildschärfe und den Dynamikbereich weiter. Zusammen treiben diese Technologien die Fotografie, Überwachung und wissenschaftliche Bildgebung mit größerer Präzision und Effizienz voran.
Häufig gestellte Fragen
Welche Materialien werden in CMOS- und BSI-Sensoren verwendet?
Beide verwenden Siliziumwafer. BSI-Sensoren umfassen auch verdünnte Siliziumschichten, Mikrolinsen und Metallverbindungen für eine bessere Lichtabsorption.
Welcher Sensortyp verbraucht mehr Strom?
BSI-Sensoren verbrauchen aufgrund ihres komplexen Designs und der schnelleren Datenverarbeitung mehr Strom, obwohl moderne Designs die Effizienz verbessern.
Warum sind BSI-Sensoren teurer als CMOS?
BSI-Sensoren erfordern zusätzliche Fertigungsschritte wie Wafer-Thinning und präzise Lagenausrichtung, was ihre Herstellung teurer macht.
Wie gehen diese Sensoren mit Wärme um?
Hohe Temperaturen erhöhen das Rauschen in beiden Sensoren. BSI-Designs bieten oft eine bessere Wärmekontrolle, um die Bildqualität stabil zu halten.
Können CMOS- und BSI-Sensoren Infrarotlicht erkennen?
Ja. Wenn sie mit IR-empfindlichen Beschichtungen oder entfernten Filtern ausgestattet sind, können beide Infrarot erkennen, wobei BSI eine bessere IR-Empfindlichkeit aufweist.
Wozu dienen Mikrolinsen an Bildsensoren?
Mikrolinsen leiten das Licht direkt in die Fotodiode jedes Pixels und verbessern so die Helligkeit und Effizienz kleinerer BSI-Sensoren.