CMOS 与 BSI 传感器：结构、性能和应用比较

从手机到望远镜的相机都需要图像传感器，捕捉光线并将其转化为图像。CMOS（正面照式）和 BSI（背面照式）传感器的工作原理相似，但结构不同，影响光捕获、噪点和色彩质量。本文详细介绍了它们的设计、性能、用途和未来发展。

1.CMOS 与 BSI 传感器概述

2.CMOS传感器架构

3.BSI CMOS 传感器内部

4.光效和灵敏度比较

5.像素收缩和填充因子

6.串扰、噪声和背面扩散

CC7.从 BSI 到堆叠式 CMOS 架构

8.CMOS 与 BSI 传感器的动态范围和色彩性能

9.CMOS 与 BSI 传感器的应用

10.CMOS 与 BSI 传感器的未来发展

11.结论

12.常见问题解答

Figure 1. CMOS vs BSI Sensor

CMOS 与 BSI 传感器概述

每台相机，从口袋里的智能手机到探索遥远星系的望远镜，都取决于其图像传感器捕捉光线的效率。CMOS 和 BSI 传感器都遵循相似的半导体原理，但它们的结构差异导致感光度、噪声性能和图像质量存在重大差异。在传统的 CMOS（前照式 FSI）传感器中，金属线和晶体管位于光电二极管上方，部分阻挡入射光并降低整体灵敏度。这种设计使 CMOS 传感器具有成本效益且更易于制造，但限制了低光性能。相比之下，BSI（背照式）传感器翻转结构，将光电二极管放置在顶部，以便光线直接到达它而不会受到阻碍。这提高了量子效率，降低了噪声，并增强了从数码单反相机到科学仪器的紧凑型或高端成像系统的性能。

CMOS传感器架构

Figure 2. CMOS Sensor Architecture

前照式（FSI） CMOS 传感器代表了数码相机和智能手机中使用的早期和更传统的图像传感器结构。在这种结构中，入射光必须穿过多层材料才能到达光电二极管，光电二极管是负责将光子转换为电信号的光敏区域。

工作流程

显示器中的每个像素都通过一个协调过程运行，涉及微透镜、彩色滤光片、金属互连、晶体管和光电二极管层。微透镜首先通过红色、绿色和蓝色滤色片聚焦入射光，确保只有特定波长到达每个子像素。在光电二极管上方，金属互连和晶体管管理像素的电气控制和信号读出，尽管它们的位置会部分阻挡一些入射光。这些层下方是光电二极管，它捕获剩余的光并将其转换为电荷，形成像素的基本图像信号。

FSI设计的局限性

• 降低感光性：一部分光在到达光电二极管之前被接线层和晶体管层反射或吸收。

• 较低的填充系数：随着像素尺寸的缩小，感光区域与总像素面积的比率降低，从而导致噪点增加。

• 弱的低光性能：与 BSI 传感器等现代替代品相比，FSI 传感器在昏暗的环境中表现不佳。

BSI CMOS 传感器内部

Figure 3. Inside the BSI CMOS Sensor

背照式（BSI） CMOS 传感器解决了传统正面照式（FSI）设计的主要缺点，即金属布线和晶体管的光线阻挡，彻底改变了数字成像。通过反转传感器的结构，BSI 允许入射光直接到达光电二极管，从而显着提高光效率和图像质量。

BSI技术功能

• 硅片被薄化到只有几微米，以暴露感光层

• 光电二极管层位于顶部，直接面向入射光

• 金属线和晶体管电路重新定位到背面，防止它们阻碍光路

• 先进的微透镜在每个像素上精确对齐，以确保最佳的光聚焦

BSI传感器的优势

• 更高的光吸收效率：与 FSI 传感器相比，效率提高了 30-50%，从而产生更明亮、更清晰的图像。

• 卓越的低光性能：减少光子损失可提高灵敏度并最大限度地减少黑暗环境中的噪点。

• 提高色彩准确度：凭借畅通无阻的光路，滤色器可产生更准确、更生动的色调。

• 紧凑的像素设计：BSI 支持更小的像素尺寸，同时保持图像质量，非常适合高分辨率传感器。

• 增强的动态范围：在场景的明亮和昏暗区域更好地捕获信号。

光效和灵敏度比较

特征	FSI CMOS传感器	BSI 传感器
光路	光通过布线→部分损耗	直接连接到光电二极管→最小的损耗
量子效率（QE）	60–70%	90–100%
低光性能	中等	优秀
反射与串扰	高	低
图像清晰度	平均	在昏暗的光线下清晰明亮

像素收缩和填充系数

Figure 4. Pixel Shrink and Fill Factor

在FSI CMOS传感器中

当像素尺寸降至 1.4 μm 以下时，金属互连和晶体管占据更大的表面积。填充系数降低，导致每个像素捕获的光线减少，图像噪点增加。结果是图像变暗、对比度降低以及弱光条件下的性能较弱。

在 BSI CMOS 传感器中

光电二极管位于接线上方，允许光线直接照射到它。这种配置实现了几乎 100% 的填充因子，这意味着几乎整个像素区域都变得对光敏感。BSI 传感器在整个图像帧中保持均匀的亮度和更高的信噪比（SNR）。它们还提供卓越的低光性能，即使在智能手机或无人机相机等紧凑型模块中也是如此。

串扰、噪声和背面扩散

方面	CMOS （FSI）传感器的潜在问题	BSI 传感器的潜在问题	工程解决方案	对图像质量的影响
光学串扰	光在到达光电二极管之前被金属线散射或阻挡，导致照明不均匀。	由于背面曝光，光线会泄漏到相邻像素中。	深沟隔离（DTI）：在像素之间创建物理屏障以防止光学干扰。	更清晰的图像、更好的分色和更少的模糊。
电荷复合	电荷载流子在厚硅或金属层内丢失，从而降低灵敏度。	背面重组：载体在收集前在暴露表面附近重组。	钝化层和表面处理：减少缺陷并改善电荷收集。	提高灵敏度并减少信号损失。
绽放效果	一个像素的过度曝光会导致相邻像素由于正面扩散而饱和。	过度曝光会使电荷扩散到变薄的硅层下方。	表面掺杂和电荷屏障：遏制电荷并防止溢出。	减少白色条纹，高光更平滑。
电气噪声和热噪声	来自像素上晶体管的热量会在信号路径中产生噪声。	由于薄硅和密集电路导致的较高散粒噪声。	低噪声放大器和片上降噪算法。	图像更清晰，低光性能得到改善。
填充因子限制	金属层和晶体管覆盖了较大的像素面积，降低了对光的敏感性。	几乎消除 - 光电二极管完全暴露在光线下。	BSI 结构和微透镜优化。	最大的光捕获和均匀的亮度。

从 BSI 到堆叠 CMOS 架构

堆叠式CMOS传感器的结构

图层	功能	描述
顶层	像素阵列（BSI 设计）	包含光敏光电二极管，可捕获入射光，使用 BSI 结构最大限度地提高灵敏度。
中间层	模拟/数字电路	与像素阵列分开处理信号转换、放大和图像处理任务，以获得更清晰的输出。
底层	内存或处理器集成	可能包括嵌入式 DRAM 或 AI 处理核心，用于快速数据缓冲和实时图像增强。