BSI CMOS snímač: popis technologie
10.1.2011, Michal Srna, článek
V současné době je v mnoha novinkách digitálních fotoaparátu představován "nový" typ CMOS snímače značený jako BSI CMOS. Dnes si stručně popíšeme obecný princip snímání obrazu, co se skrývá za BSI označením a jaký dopad má tato technologie na vlastnosti CMOS.
Kapitoly článku:
- BSI CMOS snímač: popis technologie
- Čelní (Front) vs. Zpětné (Back) osvětlení
- Minulost a budoucnost BSI technologie
Samsung, Casio, Fujifilm, Sony... dokonce i Apple využívají ve svých nových zařízeních backside-illuminated CMOS snímač známý pod zkratkou jako BSI CMOS. Abychom mohli přejít k vysvětlení této technologie, musíme si nejprve uvědomit, jak vlastně obrazový senzor funguje. Jen díky tomu pochopíme princip BSI CMOS snímacího senzoru a porozumíme mu.
Nejčastěji používanými typy snímacích senzorů jsou v současné době CCD (Charge Coupled Devices) nebo CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor).
Logické obvody typu CMOS jsou známy již od roku 1963, kdy byla tato technologie vyvinuta Frankem Wanlassem a následně roku 1967 patentována. Pro využití snímání obrazu však od 70. let 20. století převládala technologie CCD.
Oba typy snímačů jsou založeny na dvourozměrném poli pixelů, kde každý z nich obsahuje světlocitlivý prvek - fotodiodu schopný přeměňovat část optického záření na elektrický signál (pro zjednodušení si jej můžete představit jako malý solární panel).
Děje se tomu v důsledku tzv. fotovoltaické odezvy, ke které dojde, když je povrch křemíku vystaven světlu. Fotony viditelného spektra a blízkého IR záření mají dostatek energie k uvolnění elektronů z atomů tvořících křemíkovou strukturu a počet uvolněných elektronů je úměrný množství dopadajícího světla.
Vzniklý elektrický signál je následně digitalizován a převeden na jasovou hodnotu v obraze, kterou vnímáme jako digitální fotografii (pro jednoduchost popisu uvažujeme pouze šedotónovou fotografii).
Obě technologie (CCD/CMOS) se liší právě ve způsobu "sběru" elektrického náboje z jednotlivých pixelů.
CCD transportuje elektrický náboj přes celý snímač až ke kraji, kde je vyčítán. Většina současných CMOS snímačů funguje na principu použití tranzistoru u každého pixelu, který zesílí a odvede elektrický signál přímo od něj (pro představu, jako by od každého pixelu vedl elektrický vodič). Takovýmto CMOS snímačům se říká aktivní (APS - Active Pixel Sensors).
U CMOS snímače může být tedy každý pixel vyhodnocen individuálně, nezávisle na hodnotách elektrického náboje v okolních pixelech. Výroba takového CMOS obrazového snímače má velmi blízko k výrobnímu procesu klasických mikroprocesorů.
Struktura 2D pole APS CMOS snímače se znázorněním jednotlivých pixelů se zesilovači (PD = fotodioda)
zdroj: commons.wikimedia.org
Z výše uvedených teoretických poznatků se odvíjí i obecné vlastnosti obou snímačů. V tomto případě se zaměříme zejména na citlivost. Jelikož každý pixel CMOS snímače obsahuje několik tranzistorů, je jeho citlivost na světlo nižší, protože část fotonů (částic světla) namísto světlocitlivé vrstvy dopadne právě na tranzistory. Mezi další, nyní pro nás méně podstatné vlastnosti, patří nižší spotřeba energie CMOS snímače nebo jejich levnější výroba (možnost výroby v klasické křemíkové produkční linii jako mikroprocesory).
V následující podkapitole si vysvětlíme, jaký je rozdíl mezi klasickým konvenčním CMOS a BSI CMOS snímačem společně s popisem této technologie.
Nejčastěji používanými typy snímacích senzorů jsou v současné době CCD (Charge Coupled Devices) nebo CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor).
Logické obvody typu CMOS jsou známy již od roku 1963, kdy byla tato technologie vyvinuta Frankem Wanlassem a následně roku 1967 patentována. Pro využití snímání obrazu však od 70. let 20. století převládala technologie CCD.
Oba typy snímačů jsou založeny na dvourozměrném poli pixelů, kde každý z nich obsahuje světlocitlivý prvek - fotodiodu schopný přeměňovat část optického záření na elektrický signál (pro zjednodušení si jej můžete představit jako malý solární panel).
Děje se tomu v důsledku tzv. fotovoltaické odezvy, ke které dojde, když je povrch křemíku vystaven světlu. Fotony viditelného spektra a blízkého IR záření mají dostatek energie k uvolnění elektronů z atomů tvořících křemíkovou strukturu a počet uvolněných elektronů je úměrný množství dopadajícího světla.
Vzniklý elektrický signál je následně digitalizován a převeden na jasovou hodnotu v obraze, kterou vnímáme jako digitální fotografii (pro jednoduchost popisu uvažujeme pouze šedotónovou fotografii).
Obě technologie (CCD/CMOS) se liší právě ve způsobu "sběru" elektrického náboje z jednotlivých pixelů.
CCD transportuje elektrický náboj přes celý snímač až ke kraji, kde je vyčítán. Většina současných CMOS snímačů funguje na principu použití tranzistoru u každého pixelu, který zesílí a odvede elektrický signál přímo od něj (pro představu, jako by od každého pixelu vedl elektrický vodič). Takovýmto CMOS snímačům se říká aktivní (APS - Active Pixel Sensors).
U CMOS snímače může být tedy každý pixel vyhodnocen individuálně, nezávisle na hodnotách elektrického náboje v okolních pixelech. Výroba takového CMOS obrazového snímače má velmi blízko k výrobnímu procesu klasických mikroprocesorů.
Struktura 2D pole APS CMOS snímače se znázorněním jednotlivých pixelů se zesilovači (PD = fotodioda)
zdroj: commons.wikimedia.org
Z výše uvedených teoretických poznatků se odvíjí i obecné vlastnosti obou snímačů. V tomto případě se zaměříme zejména na citlivost. Jelikož každý pixel CMOS snímače obsahuje několik tranzistorů, je jeho citlivost na světlo nižší, protože část fotonů (částic světla) namísto světlocitlivé vrstvy dopadne právě na tranzistory. Mezi další, nyní pro nás méně podstatné vlastnosti, patří nižší spotřeba energie CMOS snímače nebo jejich levnější výroba (možnost výroby v klasické křemíkové produkční linii jako mikroprocesory).
V následující podkapitole si vysvětlíme, jaký je rozdíl mezi klasickým konvenčním CMOS a BSI CMOS snímačem společně s popisem této technologie.
