Telefonlardan teleskoplara kadar kameralarda ışığı yakalayıp görüntüye dönüştüren görüntü sensörlerine ihtiyaç vardır. CMOS (Ön Taraf Aydınlatmalı) ve BSI (Arka Taraf Aydınlatmalı) sensörler benzer prensiplerle çalışır ancak yapı olarak farklılık gösterir ve ışık yakalamayı, gürültüyü ve renk kalitesini etkiler. Bu makale tasarımlarını, performanslarını, kullanımlarını ve gelecekteki gelişmelerini ayrıntılı olarak açıklamaktadır.
CC7. BSI'dan Yığılmış CMOS Mimarilerine
CMOS ve BSI Sensörüne Genel Bakış
Cebinizdeki akıllı telefondan uzak galaksileri araştıran teleskoplara kadar her kamera, görüntü sensörünün ışığı ne kadar verimli yakaladığına bağlıdır. Hem CMOS hem de BSI sensörleri benzer yarı iletken prensiplerini takip eder ancak yapısal farklılıkları ışık hassasiyeti, gürültü performansı ve görüntü kalitesinde büyük farklılıklara yol açar. Geleneksel CMOS (Ön Taraf Aydınlatmalı, FSI) sensörlerde, metal kablolar ve transistörler fotodiyotların üzerinde bulunur, gelen ışığı kısmen engeller ve genel hassasiyeti azaltır. Bu tasarım, CMOS sensörlerini uygun maliyetli ve üretimi daha kolay hale getirir, ancak düşük ışık performansını sınırlar. Buna karşılık, BSI (Arka Taraf Aydınlatmalı) sensörler yapıyı ters çevirerek fotodiyotu üstte konumlandırır, böylece ışık engellenmeden doğrudan ona ulaşır. Bu, kuantum verimliliğini artırır, gürültüyü azaltır ve DSLR fotoğraf makinelerinden bilimsel cihazlara kadar kompakt veya üst düzey görüntüleme sistemlerinde performansı artırır.
CMOS Sensör Mimarisi
Ön Taraf Aydınlatmalı (FSI) CMOS sensör, dijital kameralarda ve akıllı telefonlarda kullanılan daha eski ve daha geleneksel görüntü sensörü yapısını temsil eder. Bu mimaride, gelen ışığın, fotonları elektrik sinyallerine dönüştürmekten sorumlu ışığa duyarlı bölge olan fotodiyota ulaşmadan önce birden fazla malzeme katmanından geçmesi gerekir.
Çalışma süreci
Ekrandaki her piksel, mikro lensler, renk filtreleri, metal ara bağlantılar, transistörler ve bir fotodiyot katmanını içeren koordineli bir süreçle çalışır. Mikrolensler önce gelen ışığı kırmızı, yeşil ve mavi renk filtrelerinden odaklayarak her alt piksele yalnızca belirli dalga boylarının ulaşmasını sağlar. Fotodiyotun üzerinde, metal ara bağlantılar ve transistörler pikselin elektrik kontrolünü ve sinyal okumasını yönetir, ancak konumları gelen ışığın bir kısmını kısmen engelleyebilir. Bu katmanların altında, kalan ışığı yakalayan ve onu elektrik yüküne dönüştürerek pikselin temel görüntü sinyalini oluşturan fotodiyot bulunur.
FSI Tasarımının Sınırlamaları
• Azaltılmış Işık Hassasiyeti: Işığın bir kısmı, fotodiyota ulaşmadan önce kablolama ve transistör katmanları tarafından yansıtılır veya emilir.
• Daha Düşük Doldurma Faktörü: Piksel boyutları küçüldükçe ışığa duyarlı alanın toplam piksel alanına oranı azalır ve bu da daha fazla gürültüye yol açar.
• Daha Zayıf Düşük Işık Performansı: FSI sensörleri, BSI sensörleri gibi modern alternatiflerle karşılaştırıldığında loş ortamlarda zorluk çeker.
BSI CMOS Sensörünün İçinde
Arkadan Aydınlatmalı (BSI) CMOS sensör, geleneksel Önden Aydınlatmalı (FSI) tasarımların en büyük dezavantajını, metal kablolardan ve transistörlerden kaynaklanan ışık blokajını ele alarak dijital görüntülemede devrim yarattı. BSI, sensörün yapısını tersine çevirerek gelen ışığın doğrudan fotodiyota ulaşmasını sağlayarak ışık verimliliğini ve görüntü kalitesini önemli ölçüde artırır.
BSI Teknoloji İşlevi
• Işığa duyarlı tabakayı ortaya çıkarmak için silikon levha sadece birkaç mikrometreye kadar inceltilir
• Fotodiyot katmanı, doğrudan gelen ışığa bakacak şekilde üst tarafa yerleştirilmiştir.
• Metal kablolar ve transistör devreleri arka tarafa taşınarak ışık yollarını engellemeleri önlenir
• Gelişmiş mikrolensler, optimum ışık odaklamasını sağlamak için her pikselin üzerine hassas bir şekilde hizalanmıştır
BSI Sensörlerinin Avantajları
• Daha Yüksek Işık Emme Verimliliği: FSI sensörlerine kıyasla %30-50'ye varan iyileşme, daha parlak ve temiz görüntüler sağlar.
• Üstün Düşük Işık Performansı: Azaltılmış foton kaybı, karanlık ortamlarda hassasiyeti artırır ve gürültüyü en aza indirir.
• Geliştirilmiş Renk Doğruluğu: Engelsiz ışık yolları sayesinde renk filtreleri daha doğru ve canlı tonlar üretir.
• Kompakt Piksel Tasarımı: BSI, yüksek çözünürlüklü sensörler için ideal olan görüntü kalitesini korurken daha küçük piksel boyutlarını destekler.
• Gelişmiş Dinamik Aralık: Bir sahnenin hem parlak hem de loş bölgelerinde daha iyi sinyal yakalama.
Işık Verimliliği ve Hassasiyet Karşılaştırması
| Özellik | FSI CMOS Sensör | BSI Sensörü |
|---|---|---|
| Işık Yolu | Işık kablolardan geçer → kısmi kayıp | Minimum kayıp → doğrudan fotodiyota |
| Kuantum Verimliliği (QE) | %60-70 | %90–100 |
| Düşük Işık Performansı | Orta | Mükemmel |
| Yansıma & Çapraz Konuşma | Yüksek | Düşük |
| Görüntü Netliği | Ortalama | Loş ışıkta keskin ve parlak |
Piksel Küçültme ve Doldurma Faktörü
FSI CMOS Sensörlerinde
Piksel boyutu 1.4 μm'nin altına düştükçe metal ara bağlantılar ve transistörler daha geniş bir yüzey alanı kaplar. Doldurma faktörü azalır, bu da piksel başına daha az ışık yakalanmasına ve görüntü parazitinin artmasına neden olur. Sonuç, daha koyu görüntüler, azaltılmış kontrast ve düşük ışık koşullarında daha zayıf performanstır.
BSI CMOS Sensörlerinde
Fotodiyot, kabloların üzerine yerleştirilmiştir ve ışığın doğrudan ona çarpmasına izin verir. Bu konfigürasyon neredeyse %100 doldurma faktörüne ulaşır, bu da neredeyse tüm piksel alanının ışığa duyarlı hale geldiği anlamına gelir. BSI sensörleri, görüntü çerçevesi boyunca eşit parlaklık ve daha yüksek sinyal-gürültü oranı (SNR) sağlar. Ayrıca akıllı telefon veya drone kameraları gibi kompakt modüllerde bile üstün düşük ışık performansı sunarlar.
Karışma, Gürültü ve Arka Taraf Difüzyonu
| Görünüş | CMOS (FSI) Sensörlerdeki Olası Sorunlar | BSI Sensörlerinde Olası Sorunlar | Mühendislik Çözümleri | Görüntü Kalitesi Üzerindeki Etkisi |
|---|---|---|---|---|
| Optik Karışma | Işık, fotodiyota ulaşmadan önce metal kablolar tarafından saçılır veya engellenir, bu da eşit olmayan aydınlatmaya neden olur. | Arka tarafa maruz kalma nedeniyle ışık komşu piksellere sızar. | Derin Hendek İzolasyonu (DTI): Optik paraziti önlemek için pikseller arasında fiziksel bariyerler oluşturur. | Daha keskin görüntüler, daha iyi renk ayrımı ve daha az bulanıklık. |
| Şarj Rekombinasyonu | Yük taşıyıcıları kalın silikon veya metal katmanlar içinde kaybolarak hassasiyeti azaltır. | Arka Taraf Rekombinasyonu: Taşıyıcılar, toplanmadan önce açıkta kalan yüzeyin yakınında yeniden birleşir. | Pasivasyon Katmanları & Yüzey İşlemi: Kusurları azaltır ve yük toplamayı iyileştirir. | Gelişmiş hassasiyet ve azaltılmış sinyal kaybı. |
| Çiçeklenme Etkisi | Bir pikselde aşırı pozlama, ön taraf difüzyonu nedeniyle bitişik piksellerin doygunluğa ulaşmasına neden olur. | Aşırı maruz kalma, inceltilmiş silikon tabakanın altına yük yayar. | Yüzey Doping & Şarj Bariyerleri: Şarjı kontrol altına alır ve taşmayı önler. | Azaltılmış beyaz çizgiler ve daha yumuşak vurgular. |
| Elektrik & Termal Gürültü | Piksel üzerindeki transistörlerden gelen ısı, sinyal yolunda gürültü üretir. | İnce silikon ve yoğun devre nedeniyle daha yüksek atış gürültüsü. | Düşük Gürültülü Amplifikatörler & Çip Üzerinde Gürültü Azaltma Algoritmaları. | Daha temiz görüntüler, gelişmiş düşük ışık performansı. |
| Dolgu Faktörü Sınırlaması | Metal katmanlar ve transistörler geniş bir piksel alanını kaplayarak ışık hassasiyetini azaltır. | Neredeyse ortadan kaldırıldı - tamamen ışığa maruz kalan fotodiyot. | BSI Yapısı & Mikrolens Optimizasyonu. | Maksimum ışık yakalama ve eşit parlaklık. |
BSI'dan Yığılmış CMOS Mimarilerine
Yığılmış CMOS Sensörün Yapısı
| Katman | İşlev | Açıklama |
|---|---|---|
| Üst Katman | Piksel Dizisi (BSI Tasarımı) | Hassasiyeti en üst düzeye çıkarmak için bir BSI yapısı kullanarak gelen ışığı yakalayan ışığa duyarlı fotodiyotları içerir. |
| Orta Katman | Analog/Dijital Devre | Daha temiz çıktılar için sinyal dönüştürme, amplifikasyon ve görüntü işleme görevlerini piksel dizisinden ayrı olarak gerçekleştirir. |
| Alt Katman | Bellek veya İşlemci Entegrasyonu | Hızlı veri ara belleğe alma ve gerçek zamanlı görüntü iyileştirme için gömülü DRAM veya AI işleme çekirdekleri içerebilir. |
Yığılmış CMOS Sensörlerin Avantajları
• Ultra Hızlı Okuma: Minimum deklanşör bozulmasıyla yüksek hızlı sürekli çekim ve 4K veya 8K çözünürlüklere kadar gerçek video çekimi sağlar.
• Gelişmiş Çip Üzerinde İşleme: HDR birleştirme, hareket düzeltme ve gürültü azaltma işlemlerini gerçekleştiren mantık devrelerini doğrudan sensör üzerinde entegre eder.
• Enerji Verimliliği: Daha kısa veri yolları ve bağımsız güç alanları, güç tüketimini azaltırken verimi artırır.
• Daha Küçük Form Faktörü: Dikey istifleme, akıllı telefonlar, otomotiv kameraları ve drone'lar için ideal olan kompakt modül tasarımına olanak tanır.
• Yapay Zeka ve Hesaplamalı Görüntüleme Desteği: Bazı yığılmış sensörler, akıllı otomatik odaklama, sahne tanıma ve gerçek zamanlı iyileştirme için özel sinir işlemcileri içerir.
CMOS ve BSI Sensörlerinde Dinamik Aralık ve Renk Performansı
BSI (Arkadan Aydınlatmalı) Sensörler
BSI sensörleri, fotodiyotun üzerindeki metal kabloları ortadan kaldırarak fotonların ışığa duyarlı alana doğrudan ulaşmasını sağlar. Bu yapı tam kuyu kapasitesini artırır, ışık emilimini artırır ve vurgu kırpılmasını en aza indirir. Sonuç olarak, BSI sensörleri üstün HDR performansı, daha iyi renk derinliği ve daha ince gölge tonlaması sunarak onları HDR fotoğrafçılığı, tıbbi görüntüleme ve düşük ışıkta gözetim için en iyi seçenek haline getirir.
FSI (Ön Taraf Aydınlatmalı) Sensörler
Buna karşılık, FSI sensörleri, ışığın fotodiyota ulaşmadan önce birkaç devre katmanından geçmesini gerektirir. Bu, dinamik aralığı ve ton eşleme yeteneğini sınırlayan kısmi yansıma ve saçılmaya neden olur. Parlak koşullarda aşırı pozlamaya daha yatkındırlar ve genellikle derin gölgelerde daha az doğru renk üretirler.
CMOS ve BSI Sensörlerinin Uygulamaları
CMOS (FSI) Sensörler
• Makine görüşü
• Endüstriyel denetim
• Tıbbi endoskopi
• Güvenlik kameraları
BSI Sensörleri
• Akıllı telefonlar
• Dijital kameralar
• Otomotiv ADASI
•Astronomi ve bilimsel görüntüleme
• 8K video kaydı
CMOS ve BSI Sensörlerinde Gelecekteki Gelişmeler
• 3D yığılmış tasarımlar, ultra hızlı okuma ve yapay zeka destekli görüntüleme için piksel, mantık ve bellek katmanlarını birleştirir.
• Global deklanşör BSI sensörleri, robotik, dronlar ve otomotiv sistemleri için hareket bozulmasını ortadan kaldırır.
• Organik CMOS ve kuantum nokta sensörleri daha yüksek hassasiyet, daha geniş spektral tepki ve daha zengin renkler sunar.
• Sensör üzerinde yapay zeka işleme, gerçek zamanlı gürültü azaltma, nesne algılama ve uyarlanabilir pozlama kontrolü sağlar.
• Hibrit görüntüleme platformları CMOS ve BSI avantajlarını birleştirerek dinamik aralığı iyileştirir ve güç kullanımını azaltır.
Sonuç
CMOS ve BSI sensörleri, BSI'nın daha yüksek ışık hassasiyeti, daha az gürültü ve daha iyi renk doğruluğu sunmasıyla modern görüntülemeyi yeniden şekillendirdi. Yığılmış CMOS ve yapay zeka entegreli sensörlerin yükselişi hızı, görüntü netliğini ve dinamik aralığı daha da artırıyor. Bu teknolojiler birlikte fotoğrafçılığı, gözetlemeyi ve bilimsel görüntülemeyi daha yüksek hassasiyet ve verimlilikle geliştirmeye devam ediyor.
Sıkça Sorulan Sorular
CMOS ve BSI sensörlerinde hangi malzemeler kullanılır?
Her ikisi de silikon gofret kullanır. BSI sensörleri ayrıca daha iyi ışık emilimi için inceltilmiş silikon katmanlar, mikro lensler ve metal ara bağlantılar içerir.
Hangi sensör tipi daha fazla güç kullanır?
BSI sensörleri, karmaşık tasarımları ve daha hızlı veri işlemeleri nedeniyle daha fazla güç tüketir, ancak modern tasarımlar verimliliği artırır.
BSI sensörleri neden CMOS'tan daha pahalıdır?
BSI sensörleri, levha inceltme ve hassas katman hizalama gibi ek üretim adımları gerektirir ve bu da onların üretimini daha pahalı hale getirir.
Bu sensörler ısıyı nasıl ele alıyor?
Yüksek sıcaklıklar her iki sensörde de gürültüyü artırır. BSI tasarımları genellikle görüntü kalitesini sabit tutmak için daha iyi termal kontrol içerir.
CMOS ve BSI sensörleri kızılötesi ışığı algılayabilir mi?
Evet. IR'ye duyarlı kaplamalar veya filtreler çıkarılmış olarak donatıldığında, her ikisi de kızılötesini algılayabilir ve BSI daha iyi IR hassasiyeti gösterir.
Görüntü sensörlerindeki mikrolenslerin amacı nedir?
Mikrolensler ışığı doğrudan her pikselin fotodiyotuna yönlendirerek daha küçük BSI sensörlerinde parlaklığı ve verimliliği artırır.