Het verschil tussen gestapelde CMOS, achter-verlichte CMOS en traditionele CMOS sensoren
August 23, 2021
Het verschil tussen gestapelde CMOS, achter-verlichte CMOS en traditionele CMOS sensoren
Foto-elektrisch effect
Het fenomeen van het foto-elektrische effect werd ontdekt door Hertz (de eenheid van frequentie wordt genoemd na hem), maar het werd correct verklaard door gezet Einstein.Simply, zullen de lichte of bepaalde elektromagnetische golven elektronen wanneer bestraald op bepaalde fotogevoelige materialen produceren, die het foto-elektrische effect is.
Dit wordt licht elektriciteit, en de verandering van optisch signaal zal de verandering van elektrosignaal bewerkstelligen. Daarom gebruiken de mensen dit principe om het fotogevoelige element uit te vinden.
Er zijn twee types van fotogevoelige elementen dat wij vertrouwd zijn met, is één CCD en andere is CMOS. Vroege CMOS was veel slechter dan CCD, maar met de ontwikkeling van technologie, heeft de kwaliteit van CMOS nu een kwalitatieve sprong genomen, en CMOS is goedkoop en heeft de goede prestaties van de machtsconsumptie.
de technologie van de sensorstructuur
Traditionele (voor-verlichte) achter-verlicht CMOS, (achter-Verlicht)
CMOS, gestapelde CMOS
Procesverschillen
Het grootste en meest basisverschil ligt in zijn structuur. Het is niet alleen CMOS die het definitieve weergaveeffect, maar ook het lens en cameraalgoritme beïnvloedt. In feite, is de geavanceerdere structuur niet noodzakelijk beter, hangt het van welk proces af (zoals 180nm-onderdompelingslithografie of 500nm droge ets) en technologie wordt gebruikt (zoals Sony „Exmor“ elk kolom parallel onafhankelijk analogon CDS + digitaal-analoge omzetting + Digitale CDS iconische het lezenlijn van de lawaaivermindering).
Het uitstekende proces en de technologie kunnen het maken betere quantumefficiency, inherent thermisch lawaai, aanwinst, heel goed last, breedte, gevoeligheid en andere zeer belangrijke indicatoren hebben zelfs zonder een nieuwere structuur van CMOS.Under te gebruiken dezelfde technologie en het vakmanschap, het laagste niveau inderdaad verplettert. De menselijke vooruitgang ontdekt en lost constant problemen op. De totstandkoming van achter-verlichte en gestapelde CMOS moet ook de diverse problemen van vorige CMOS oplossen.
Traditionele (voor-verlichte) CMOS
Vergelijk de voor-verlichte en achter-verlichte vergelijkingspictogrammen in dwarsdoorsnede:
Traditionele CMOS is de „voor-verlichte“ structuur op de linkerkant van het cijfer, en de algemene CMOS pixel zijn samengesteld uit de volgende delen: microlenses, de filters van de op-Spaanderkleur, Metaalkabel (kringslaag), Fotodiodes en het substraat. Wanneer het licht het pixel ingaat, na het overgaan door de op-spaanderlens en de kleurenfilter, gaat het eerst door de metaal bedradingslaag over, en definitief wordt het licht ontvangen door de fotodiode.
Micro- lens: Het is een zeer kleine convexe lens op elk fysiek pixel van CMOS om samen te komen licht.
Kleurenfilter: De kleur van inherent licht kan op RGB wijze worden ontbonden. De Bayer-regeling die wij soms is de regeling van deze filters hebben gehoord. Zoals de meest klassieke RGGB-regeling.
Metaalkabel: Er zijn gewoonlijk verscheidene lagen, hoofdzakelijk voor signaaltransmissie.
Fotodiode: Namelijk voor CMOS, het echte fotogevoelige deel waar het foto-elektrische effect voorkomt.
Iedereen weet dat het metaal ondoorzichtig is en op licht kan wijzen. Daarom zal het licht in de laag van de metaalkabel gedeeltelijk geblokkeerd worden en weerspiegeld. wegens proces bereikt de beperkingen, slechts 70% of minder van het licht de fotodiode na het overgaan door de laag van de metaalkring; En deze bezinning kan ook overspraak de pixel naast het, veroorzakend kleurenvervorming. (Momenteel, zijn het metaal in het midden wordt gebruikt en low-end CMOS de kabellaag vrij goedkoop aluminium (Al), wat fundamenteel een reflectievermogen van ongeveer 90% voor de volledige zichtbare lichte band handhaaft (380-780nm die)
Achter-verlichte CMOS
wegens deze tekortkomingen van voor-verlicht, kwam het achter-Verlichte CMOS ontwerp tot stand. Het zet de kringslaag achter de fotodiode, zodat het licht direct op de fotodiode kan glanzen, en het licht daalt naar de fotodiode met bijna geen obstakel of interferentie. De lichte bezettingsgraad is uiterst hoog, zodat kan de achter-verlichte CMOS sensor met het gebruik van het bestraalde licht beter zijn, is de beeldkwaliteit beter in een laag-verlichtingsmilieu.
Achter-verlichte CMOS kan hogere lichte gebruiksefficiency hebben, zodat het hogere gevoeligheid in laag-verlichtingsmilieu's heeft. Tegelijkertijd, omdat de kring niet de fotodiode beïnvloedt om licht te ontvangen, kan de kringslaag dikker worden gemaakt, zodat meer verwerkingskringen kunnen worden geplaatst, die helpt om de snelheid van de signaalverwerking te verhogen.
Vergeleken met gewone voor-verlichte die sensoren, kunnen de apparaten met achter-verlichte sensoren worden uitgerust de gevoeligheid van ongeveer 30%-50% in low-light milieu's verhogen, zodat kunnen zij foto's of de video's van betere kwaliteit in low-light milieu's schieten. , Is het lawaai kleiner. De rijkere verwerkingskring kan het originele beeldsignaal met een grotere hoeveelheid gegevens verwerken.
Gestapelde CMOS
Gestapelde CMOS verscheen eerst op CMOS van Sony voor mobiele terminals. De originele bedoeling om te stapelen was niet de grootte van de volledige lensmodule te verminderen. Dit is enkel een zijvoordeel.
De productie van CMOS is gelijkaardig aan de productie van cpu. Een speciale fotolithografiemachine wordt vereist om het siliciumwafeltje te etsen om een pixelsectie en een kringssectie te vormen. Het pixelgebied is waar de pixel worden geplant, en de verwerkingslijn is een andere algemene controlekring die deze groep pixel beheert.
1, is het pixelgebied
2, zijn de verwerkingskring
Wanneer het etsen, zal er een probleem zijn. Neem kleine die CMOS van Sony in mobiele telefoons als voorbeeld wordt gebruikt. Voor het productieproces van het pixelgebied, het kan een 65nm-proces (dat zich eenvoudig kan begrijpen zoals productienauwkeurigheid) gebruiken, maar voor het gebied waar de kring wordt verwerkt, is het 65nm-proces niet genoeg. Als het kan worden vervaardigd gebruikend het 45nm-proces, kan het aantal transistors op de verwerkingskring worden verdubbeld. Op deze wijze, kan het beeld sneller van de pixel worden verwerkt en de beeldkwaliteit kan beter zijn. Maar omdat de ets op hetzelfde stuk van silicium wordt uitgevoerd, kan het niet worden vervaardigd gebruikend twee processen.
Zo is het gemakkelijk om te denken dat als deze twee gebieden gescheiden zijn, het pixelgebied op een siliciumchip wordt geplaatst en met een 65nm-proces vervaardigd, en de verwerkingskring wordt geplaatst op een ander die siliciumchip, met een 45nm-proces wordt vervaardigd, en dan worden zij gestapeld en samengebracht. Deze tegenspraak wordt opgelost. Dit is gestapelde CMOS.
1, is het pixelgebied
2, zijn de verwerkingskring
3, zijn het geheime voorgeheugen
Met een gestapelde structuur, kunnen wij meer transistors in de verwerkingskring krijgen en een snellere snelheid hebben. Daarom worden HDR en de verbeteringen, dat niet gemakkelijk waren te bereiken, nu zeer gemeenschappelijk. De lezingssnelheid is ook sneller geworden, zodat is het geleieffect kleiner. Voorts aangezien het pixelgebied en het gebied van de verwerkingskring worden gestapeld, kan het pixelgebied groter worden gemaakt.
Voorts kan het gebruik van het stapelen sommige speciale technologieën brengen. Bijvoorbeeld, is onze gemeenschappelijke Bayer-regeling meestal RGGB, en de helderheid van het beeld wordt berekend vanaf de waarde van RGB kleurenlicht door de helderheidsvergelijking (Y=0.299R+0.587G+0.114B). Maar gebruikend gestapelde technologie, hebben de mensen een nieuwe Bayer-regeling RGBW, waar RGB aan gemeenschappelijke rood beantwoordt, groen en blauw, W beantwoorden aan wit ontwikkeld, en zijn gevoelig voor helderheid. Op deze wijze, is de low-light gevoeligheid van de sensor zeer beter.
Gestapeld, achter-verlicht, en voor-verlicht, zijn deze drie types afzonderlijk en er is geen ondergeschiktheidsverhouding. Wij kunnen de achter-verlichte technologie gebruiken, en dan de gestapelde structuur gebruiken om de voordelen te maximaliseren.
Het ontharden
om de efficiency van lichte inzameling door pixel te verbeteren, moeten de optische golfgeleiders worden geïntroduceerd. Tijdens het droge etsproces van de optische golfgeleider, zullen het siliciumwafeltje en het pixelgebied worden beschadigd. Op dit ogenblik, wordt een thermische behandelingsstap genoemd „onthardend proces“ vereist om het van het siliciumwafeltje en pixel gebied van de schade terug te krijgen. Het is noodzakelijk om het volledige blok van CMOS.Okay te verwarmen, komt hier het probleem. Na zulk een hitte, moet de verwerkingskring op hetzelfde wafeltje een bepaalde graad van schade hebben. De weerstandswaarde van de condensator die in het verleden „is gebouwd“ moet na het ontharden worden veranderd. Deze schade moet zij het zal hebben een bepaalde invloed op het lezen van elektrosignalen. Op deze wijze, wordt de verwerkingskring geschoten terwijl het liggen, en „het ontharden“ van het pixelgebied is noodzakelijk.
Er is een ander probleem. Het CMOS proces momenteel door Sony voor mobiele terminals wordt gebouwd is 65 nanometer droge gravure die. Dit 65 nanometerproces volstaat volledig voor „het planten“ van het CMOS pixelgebied.
Nochtans, is 65 nanometers niet genoeg het gebied van de verwerkingslijn „bouwen“. Als een 30 nanometer (eigenlijk promotie aan 45nm-proces) proces kan worden gebruikt om de kring te bouwen, dan zal het aantal transistors op de verwerkingslijn bijna verdubbelen, wat een significante invloed op het pixelgebied heeft. „Het onderwijzen zal“ ook een kwalitatieve sprong hebben, en de beeldkwaliteit zal absoluut dienovereenkomstig verbeteren. Maar omdat zij op hetzelfde wafeltje worden gemaakt, moeten de pixel en de lijngebieden onder hetzelfde proces worden gemaakt. Verwerkingskring: „Het is altijd me die!“ lijd Zulk een ding dat niet kan tegelijkertijd worden bereikt, als het wordt opgelost, zal het groot zijn! Zo Sony-kwamen de ingenieurs met het idee van wafeltjesubstraat op de proppen (CHEF- debuut). Bekijk eerst dit structuurdiagram. De originele verwerkingskring werd voortgebouwd op hetzelfde wafeltje zoals het pixelgebied.
Hoe daar ongeveer zettend de verwerkingskring?
Eerst, worden het verschil in warmtegeleidingsvermogen tussen SOI en het substraat gebruikt om twee te scheiden door te verwarmen. Het pixelgebied wordt gemaakt op een machine met een 65nm-proces, en de verwerkingslijn wordt gemaakt op een machine met een hoger proces (45nm). Dan samengebracht hen, en gestapelde CMOS was geboren. De twee hierboven ontmoete problemen:① Wanneer het pixel „wordt onthard“, ligt het lijngebied in het schot.
②Procesbeperkingen wanneer vervaardigd op hetzelfde wafeltje. Opgelost allen! Het gestapelde type niet alleen erft de voordelen van het achter-verlichte type (het pixelgebied is nog achter-verlicht), maar ook overwint zijn beperkingen en loopt in productie over.
wegens de verbetering en de vooruitgang van de verwerkingslijn, zal de camera ook meer functies, zoals hardware HDR kunnen verstrekken, langzame motie die etc. schieten. Wanneer de pixel en de verwerkingskringen worden gescheiden, zal de grootte van de camera kleiner worden, maar de functie en de prestaties zullen niet verminderen, maar het zal beter zijn. Het pixelgebied (de grootte van CMOS) kan worden vergroot dienovereenkomstig om meer of grotere pixel te kweken. De verwerkingslijn zal ook dienovereenkomstig geoptimaliseerd worden (het belangrijkste ding zal niet geschoten worden in „het ontharden“).