整天都背照式 究竟什麼是背照式CMOS？

本文轉自太平洋電腦網

提到背照式CMOS，相信很多朋友首先會聯想到智能手機等小型影像記錄設備。在三星NX1、索尼A7R II等品登場之后，是時候重新審視背照式技術了。

名詞：背照式CMOS

全稱：背部照射式CMOS

英文：Back-Illuminated CMOS，縮寫為BI CMOS；或BackSide Illumination CMOS，縮寫為BSI CMOS

想要弄清楚背照式中“背”的含義，就必須要先了解傳統CMOS——前照式(FrontSide Illumination，縮寫為FSI)的結構。

一、前照式CMOS

CMOS是一個多層結構。在傳統FSI結構中，自上至下依次為微透鏡(Micro-lens)、彩色濾光鏡(Color Filter)、電路層(Wiring Layers)和光電二極管(Photodiodes)。

不難發現：CMOS總面積 光電二極管有效面積 + 電路層有效面積，光電二極管和配套電路需要爭搶感光元件上有限的空間。

電路佔據的面積大，光電二極管佔據的面積就小，CMOS實際收集的光線就少。對於智能手機、便攜數碼相機等小型影像記錄設備來，這就意味成像質量難以提升，最集中表現就是高ISO拍攝時的噪點大、雜訊多。

那麼，能否減少電路面積呢？首先，現代CMOS普遍採用整合模數轉換電路(ADC)的做法，1列光電二極管對應1個ADC和1套放大電路。想要提升像素數量、提高讀取速度就必須增加配套電路。

二、背照式CMOS

在BSI結構中，光電二極管和電路層的位置發生了調換，自上至下依次為微透鏡(Micro-lens)、彩色濾光鏡(Color Filter)、光電二極管(Photodiodes)和電路層(Wiring Layers)。

這帶來了兩個好處：

1.光電二極管可以接收到更多光線(開口率更大)，使CMOS具有更高靈敏度和信噪比，改善高ISO下的成像質量。2.配套電路無需再和光電二極管爭搶面積，更大規模的電路有助於提高速度，實現超高速連拍、超高清短片拍攝等功能。

值得一提的是，由於光電二極管層上移、卡口率更大，BSI CMOS可以更充分地吸收大角度入射光線。在使用傳統CMOS的A7R上，索尼通過微透鏡優化提升邊緣質量(晶片位置匹配技術)；而在使用BSI CMOS的A7R II上，索尼就不需要再做特殊優化——當然，如果加上微透鏡優化自然是極好的，但改善幅度不會有傳統CMOS來的明顯。

當然，任何事物都有兩面性，背照式CMOS也不例外。由於電路層變得密度更高，電路和電路之間不可避免地會生干擾。其結果就是低感光度下的信噪比可能會有所下降。

TIPS:為什麼沒有背照式CCD

CCD的成像原理與CMOS不同，不需要1列像素對應1個ADC和1套放大電路，所以受電路面積的影響小。

三、繼續延伸

背照式結構是堆疊式(Stacked)結構的基礎，所以第N代堆疊式CMOS也被稱作第N+1代背照式CMOS(如IMX214是索尼的第2代堆疊式CMOS，也被稱作第3代背照式CMOS)。

為了解決背照式結構中電路層的串擾問題，三星在2014年2月推出了ISOCELL技術。ISOCELL是普通BSI CMOS的進一步發展，其核心是在像素之間形成物理屏蔽。根據三星公佈的官方數據，ISOCELL的串擾比普通BSI CMOS低約30%。

四、重要時間點

1990年代，背照式概念被提出，但由於生加工要求很高，因此無法實現量化。

2007年，OmniVision對外展示了BSI CMOS樣品。

2009 年2月，索尼實現BSI CMOS量化並注冊了Exmor R商標。首批搭載Exmor R CMOS的品包括索尼HDR-XR520、HDR-XR500攝像機(2009-2)，索尼DSC-WX1、DSC-TX1便攜數碼相機 (2009-9)，索尼愛立信Cyber-shot S006拍照手機(2010-10)。

2011年10月，蘋果iPhone 4S的主攝像頭搭載了索尼生的BSI CMOS。

2013年6月，索尼推出搭載1英寸約2020萬像素BSI CMOS的數碼相機RX100 II。

2014年9月，三星推出搭載APS-C幅約2820萬像素BSI CMOS的無反相機NX1。

2015年6月，索尼推出搭載搭載35mm全幅約4240萬像素BSI CMOS的無反相機A7R II。

目前，有能力生BSI CMOS的廠商包括索尼、Omnivision、東芝、松下、三星、Aptina等。

TIPS:索尼CMOS商標

在索尼CMOS品中，Exmor表示普通CMOS，Exmor R表示背照式CMOS，Exmor RS表示堆疊式CMOS。