半導體專題

CMOS影像感測器技術解析:光電轉換原理、背照式與堆疊式架構,以及像素微縮至0.7μm的因應之道

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EffectStory 編輯部編輯部
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CMOS影像感測器以光電二極體完成光電轉換;OmniVision的BSI像素較前代感光度增40%、訊噪比增逾30%、省電40%,Sony堆疊式架構使飽和訊號量約增兩倍,三星半導體0.7μm像素靠Tetrapixel合併達到相當於1.4μm的感光度。

光訊號如何在CMOS影像感測器中轉換成電訊號?

Sony表示,光電二極體負責把光轉換成電訊號,像素電晶體則負責控制訊號CITE:E1。Sony Semiconductor Solutions指出,光電二極體與像素電晶體位於像素晶片內的同一層,彼此相鄰配置CITE:E1

背照式(BSI)像素相比傳統架構有哪些性能改善?

OmniVision的OS04D10背照式像素較前代感光度提升40%、訊噪比改善逾30%、省電40%CITE:E4。OmniVision指出,OS04D10採用高效能背照式(BSI)像素,在感光度、訊噪比與功耗三項指標上同時優於前一代產品CITE:E4

堆疊式CMOS感測器的架構設計如何實現動態範圍擴展?

Sony採用堆疊結構,將背照式像素晶片疊在邏輯晶片上CITE:E2。Sony Semiconductor Solutions說明,像素晶片由背照式像素構成,下方則是形成訊號處理電路的邏輯晶片CITE:E2。此設計使飽和訊號量較傳統影像感測器約增為兩倍,進而拓寬動態範圍CITE:E3

像素尺寸微縮到0.7μm時,如何維持足夠的感光度?

三星半導體以Tetrapixel技術合併像素,在低光下達到1.4μm像素感光度CITE:E6。三星半導體(Samsung Semiconductor)指出,旗下ISOCELL Slim GH1是業界首款採用0.7μm這一業界最小像素尺寸的行動影像感測器CITE:E5。在低光環境下,GH1透過Tetrapixel像素合併技術,感光度可等同於1.4μm像素感測器CITE:E6

三家技術路徑的關鍵數字對照

技術/產品指標數值證據
OmniVision OS04D10(BSI像素)感光度提升(較前代)40%E4
OmniVision OS04D10(BSI像素)訊噪比改善(較前代)逾30%E4
OmniVision OS04D10(BSI像素)功耗節省(較前代)40%E4
Sony 堆疊式CMOS感測器飽和訊號量(較傳統感測器)約2倍E3
Samsung ISOCELL Slim GH1像素尺寸0.7μmE5
Samsung ISOCELL Slim GH1(Tetrapixel合併後)等效感光度像素尺寸1.4μmE6

這代表什麼:從三筆一手技術揭露可以看出,CMOS影像感測器的光電轉換由光電二極體與像素電晶體共同完成CITE:E1,而後續性能提升則分別落在不同層面——OmniVision的背照式架構同時改善感光度、訊噪比與功耗三項指標CITE:E4;Sony的堆疊式架構把像素晶片與邏輯晶片分層堆疊,換來約兩倍的飽和訊號量與更寬的動態範圍CITE:E2CITE:E3;三星半導體則在像素縮小到0.7μm的同時,靠Tetrapixel合併技術把感光度補回到相當於1.4μm像素的水準CITE:E5CITE:E6。三者呈現的是同一組限制條件——像素尺寸、感光度與動態範圍彼此牽制——分別被三種不同的架構設計處理。

📊 證據與數據

常見問題

光訊號如何在CMOS影像感測器中轉換成電訊號?

Sony表示,光電二極體負責把光轉換成電訊號,像素電晶體則負責控制訊號CITE:E1。Sony Semiconductor Solutions指出,光電二極體與像素電晶體位於像素晶片內的同一層,彼此相鄰配置CITE:E1。

背照式(BSI)像素相比傳統架構有哪些性能改善?

OmniVision的OS04D10背照式像素較前代感光度提升40%、訊噪比改善逾30%、省電40%CITE:E4。OmniVision指出,OS04D10採用高效能背照式(BSI)像素,在感光度、訊噪比與功耗三項指標上同時優於前一代產品CITE:E4。

堆疊式CMOS感測器的架構設計如何實現動態範圍擴展?

Sony採用堆疊結構,將背照式像素晶片疊在邏輯晶片上CITE:E2。Sony Semiconductor Solutions說明,像素晶片由背照式像素構成,下方則是形成訊號處理電路的邏輯晶片CITE:E2。此設計使飽和訊號量較傳統影像感測器約增為兩倍,進而拓寬動態範圍CITE:E3。

像素尺寸微縮到0.7μm時,如何維持足夠的感光度?

三星半導體以Tetrapixel技術合併像素,在低光下達到1.4μm像素感光度CITE:E6。三星半導體(Samsung Semiconductor)指出,旗下ISOCELL Slim GH1是業界首款採用0.7μm這一業界最小像素尺寸的行動影像感測器CITE:E5。

📎 資料來源

  1. sony-semicon.com
  2. ovt.com
  3. semiconductor.samsung.com
作者觀點EffectStory 編輯部

OmniVision、Sony與三星半導體的技術路徑顯示,CMOS影像感測器性能提升被拆成三個獨立戰場:BSI架構把感光度、訊噪比、功耗同步改善40%、逾30%與40%;堆疊式架構把飽和訊號量拉高約兩倍;像素做到0.7μm後靠Tetrapixel合併補回相當於1.4μm的感光度。值得後續觀察的是,像素持續微縮時,Tetrapixel這類合併技術能否持續守住等效1.4μm的基準。

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EffectStory 編輯部編輯部

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