Los sensores de imagen son necesarios en las cámaras, desde teléfonos hasta telescopios, capturando la luz y convirtiéndola en imágenes. Los sensores CMOS (Front-Side Illuminated) y BSI (Backside-Illuminated) funcionan con principios similares, pero difieren en estructura, lo que afecta la captura de luz, el ruido y la calidad del color. Este artículo explica en detalle sus diseños, rendimiento, usos y desarrollos futuros.
CC7. De BSI a arquitecturas CMOS apiladas
Descripción general del sensor CMOS vs BSI
Cada cámara, desde el teléfono inteligente en su bolsillo hasta los telescopios que exploran galaxias distantes, depende de la eficiencia con la que su sensor de imagen captura la luz. Tanto los sensores CMOS como los BSI siguen principios de semiconductores similares, pero sus diferencias estructurales conducen a variaciones importantes en la sensibilidad a la luz, el rendimiento del ruido y la calidad de la imagen. En los sensores CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) tradicionales, el cableado metálico y los transistores se colocan sobre los fotodiodos, bloqueando parcialmente la luz entrante y reduciendo la sensibilidad general. Este diseño hace que los sensores CMOS sean rentables y más fáciles de fabricar, pero limita el rendimiento con poca luz. Por el contrario, los sensores BSI (Back-Side Illuminated) voltean la estructura, colocando el fotodiodo en la parte superior para que la luz llegue directamente sin obstrucciones. Esto mejora la eficiencia cuántica, reduce el ruido y mejora el rendimiento en sistemas de imágenes compactos o de alta gama, desde cámaras DSLR hasta instrumentos científicos.
Arquitectura del sensor CMOS
Un sensor CMOS iluminado frontalmente (FSI) representa la estructura de sensor de imagen anterior y más convencional utilizada en cámaras digitales y teléfonos inteligentes. En esta arquitectura, la luz entrante debe pasar a través de múltiples capas de materiales antes de llegar al fotodiodo, la región sensible a la luz responsable de convertir los fotones en señales eléctricas.
Proceso de trabajo
Cada píxel de la pantalla funciona a través de un proceso coordinado que involucra microlentes, filtros de color, interconexiones metálicas, transistores y una capa de fotodiodo. Las microlentes primero enfocan la luz entrante a través de los filtros de color rojo, verde y azul, asegurando que solo las longitudes de onda específicas lleguen a cada subpíxel. Sobre el fotodiodo, las interconexiones metálicas y los transistores administran el control eléctrico del píxel y la lectura de la señal, aunque su posición puede bloquear parcialmente parte de la luz entrante. Debajo de estas capas se encuentra el fotodiodo, que captura la luz restante y la convierte en una carga eléctrica, formando la señal de imagen básica del píxel.
Limitaciones del diseño FSI
• Sensibilidad a la luz reducida: una parte de la luz es reflejada o absorbida por el cableado y las capas del transistor antes de que pueda llegar al fotodiodo.
• Factor de relleno más bajo: a medida que se reducen los tamaños de píxel, la relación entre el área sensible a la luz y el área total de píxeles disminuye, lo que genera más ruido.
• Rendimiento más débil con poca luz: los sensores FSI luchan en entornos oscuros en comparación con alternativas modernas como los sensores BSI.
Dentro del sensor CMOS de BSI
El sensor CMOS retroiluminado (BSI) revolucionó la imagen digital al abordar el principal inconveniente de los diseños tradicionales de iluminación frontal (FSI), el bloqueo de luz del cableado metálico y los transistores. Al invertir la estructura del sensor, BSI permite que la luz entrante llegue directamente al fotodiodo, mejorando drásticamente la eficiencia lumínica y la calidad de la imagen.
Función de la tecnología BSI
• La oblea de silicio se reduce a solo unos pocos micrómetros para exponer la capa fotosensible
• La capa de fotodiodo se coloca en la parte superior, directamente frente a la luz entrante
• El cableado metálico y los circuitos de transistores se reubican en la parte posterior, evitando que obstruyan las trayectorias de luz
• Las microlentes avanzadas están alineadas con precisión sobre cada píxel para garantizar un enfoque óptimo de la luz
Ventajas de los sensores BSI
• Mayor eficiencia de absorción de luz: hasta un 30-50% de mejora en comparación con los sensores FSI, lo que da como resultado imágenes más brillantes y limpias.
• Rendimiento superior con poca luz: la reducción de la pérdida de fotones mejora la sensibilidad y minimiza el ruido en entornos oscuros.
• Precisión de color mejorada: con trayectorias de luz sin obstrucciones, los filtros de color producen tonos más precisos y vívidos.
• Diseño de píxeles compactos: BSI admite tamaños de píxeles más pequeños mientras mantiene la calidad de imagen, ideal para sensores de alta resolución.
• Rango dinámico mejorado: mejor captura de señal tanto en regiones brillantes como tenues de una escena.
Comparación de la eficiencia y la sensibilidad de la luz
| Característica | Sensor CMOS FSI | Sensor BSI |
|---|---|---|
| Camino de luz | La luz pasa a través del cableado → pérdida parcial | Directo al fotodiodo → una pérdida mínima |
| Eficiencia Cuántica (QE) | 60-70% | 90–100% |
| Rendimiento con poca luz | Moderado | Excelente |
| Reflexión y diafonía | Alto | Bajo |
| Claridad de imagen | Promedio | Nítida y brillante en condiciones de poca luz |
Factor de reducción y relleno de píxeles
En sensores CMOS FSI
A medida que el tamaño de píxel cae por debajo de 1,4 μm, las interconexiones metálicas y los transistores ocupan una superficie mayor. El factor de relleno disminuye, lo que resulta en menos luz capturada por píxel y un mayor ruido de imagen. El resultado son imágenes más oscuras, contraste reducido y un rendimiento más débil en condiciones de poca luz.
En sensores CMOS de BSI
El fotodiodo se coloca sobre el cableado, lo que permite que la luz lo golpee directamente. Esta configuración logra un factor de relleno de casi el 100%, lo que significa que casi toda el área de píxeles se vuelve sensible a la luz. Los sensores BSI mantienen un brillo uniforme y una mayor relación señal-ruido (SNR) en todo el marco de la imagen. También ofrecen un rendimiento superior con poca luz, incluso en módulos compactos como cámaras de teléfonos inteligentes o drones.
Diafonía, ruido y difusión trasera
| Aspecto | Posibles problemas en los sensores CMOS (FSI) | Posibles problemas en los sensores BSI | Soluciones de ingeniería | Impacto en la calidad de la imagen |
|---|---|---|---|---|
| Diafonía óptica | La luz se dispersa o bloquea mediante cableado metálico antes de llegar al fotodiodo, lo que provoca una iluminación desigual. | La luz se filtra hacia los píxeles vecinos debido a la exposición trasera. | Aislamiento de zanja profunda (DTI): crea barreras físicas entre píxeles para evitar interferencias ópticas. | Imágenes más nítidas, mejor separación de colores y menor desenfoque. |
| Recombinación de carga | Los portadores de carga se pierden dentro de gruesas capas de silicio o metal, lo que reduce la sensibilidad. | Recombinación trasera: Los portadores se recombinan cerca de la superficie expuesta antes de la recolección. | Capas de pasivación y tratamiento de superficies: Reduzca los defectos y mejore la recolección de cargas. | Sensibilidad mejorada y pérdida de señal reducida. |
| Efecto Blooming | La sobreexposición en un píxel hace que los píxeles adyacentes se saturen debido a la difusión frontal. | La sobreexposición propaga la carga debajo de la capa de silicio adelgazada. | Barreras de dopaje y carga superficial: contienen la carga y evitan el desbordamiento. | Rayas blancas reducidas y reflejos más suaves. |
| Ruido eléctrico y térmico | El calor de los transistores en píxeles genera ruido en la ruta de la señal. | Mayor ruido de disparo debido al silicio delgado y los circuitos densos. | Amplificadores de bajo ruido y algoritmos de reducción de ruido en chip. | Imágenes más limpias, rendimiento mejorado con poca luz. |
| Limitación del factor de llenado | Las capas metálicas y los transistores cubren una gran área de píxeles, lo que reduce la sensibilidad a la luz. | Casi eliminado: fotodiodo completamente expuesto a la luz. | Optimización de la estructura y microlente de BSI. | Máxima captación de luz y brillo uniforme. |
De BSI a arquitecturas CMOS apiladas
Estructura de un sensor CMOS apilado
| Capa | Función | Descripción |
|---|---|---|
| Capa superior | Matriz de píxeles (diseño BSI) | Contiene los fotodiodos sensibles a la luz que capturan la luz entrante, utilizando una estructura BSI para maximizar la sensibilidad. |
| Capa intermedia | Circuitos analógicos/digitales | Maneja las tareas de conversión de señales, amplificación y procesamiento de imágenes por separado de la matriz de píxeles para obtener resultados más limpios. |
| Capa inferior | Integración de memoria o procesador | Puede incluir núcleos de procesamiento DRAM o AI integrados para un almacenamiento rápido de datos y mejora de imágenes en tiempo real. |
Ventajas de los sensores CMOS apilados
• Lectura ultrarrápida: permite disparos continuos de alta velocidad y captura de video real con resoluciones de hasta 4K u 8K con una distorsión mínima del obturador rodante.
• Procesamiento mejorado en chip: integra circuitos lógicos que realizan fusión HDR, corrección de movimiento y reducción de ruido directamente en el sensor.
• Eficiencia energética: las rutas de datos más cortas y los dominios de potencia independientes mejoran el rendimiento al tiempo que reducen el consumo de energía.
• Factor de forma más pequeño: el apilamiento vertical permite un diseño de módulo compacto ideal para teléfonos inteligentes, cámaras automotrices y drones.
• Soporte de IA e imágenes computacionales: algunos sensores apilados incluyen procesadores neuronales dedicados para enfoque automático inteligente, reconocimiento de escenas y mejora en tiempo real.
Rango dinámico y rendimiento del color en sensores CMOS vs BSI
Sensores BSI (retroiluminados)
Al eliminar el cableado metálico sobre el fotodiodo, los sensores BSI permiten que los fotones lleguen directamente al área sensible a la luz. Esta estructura aumenta la capacidad de pozo completo, mejorando la absorción de luz y minimizando el recorte de luces. Como resultado, los sensores BSI ofrecen un rendimiento HDR superior, una mejor profundidad de color y una gradación de sombras más fina, lo que los hace mejores para la fotografía HDR, las imágenes médicas y la vigilancia con poca luz.
Sensores FSI (Frontal-Side Iluminado)
Por el contrario, los sensores FSI requieren que la luz pase a través de varias capas de circuitos antes de llegar al fotodiodo. Esto provoca una reflexión y dispersión parciales, lo que limita el rango dinámico y la capacidad de mapeo de tonos. Son más propensos a la sobreexposición en condiciones de mucha luz y, a menudo, producen un color menos preciso en las sombras profundas.
Aplicaciones de los sensores CMOS vs BSI
Sensores CMOS (FSI)
• Visión artificial
• Inspección industrial
• Endoscopia médica
• Cámaras de vigilancia
Sensores BSI
• Teléfonos inteligentes
• Cámaras digitales
• ADAS automotrices
• Astronomía e imágenes científicas
• Grabación de video 8K
Desarrollos futuros en sensores CMOS vs BSI
• Los diseños apilados en 3D combinan capas de píxeles, lógica y memoria para una lectura ultrarrápida e imágenes impulsadas por IA.
• Los sensores BSI de obturador global eliminan la distorsión de movimiento para robótica, drones y sistemas automotrices.
• Los sensores CMOS orgánicos y de puntos cuánticos ofrecen una mayor sensibilidad, una respuesta espectral más amplia y colores más ricos.
• El procesamiento de IA en el sensor permite la reducción de ruido en tiempo real, la detección de objetos y el control de exposición adaptativo.
• Las plataformas de imágenes híbridas fusionan las ventajas de CMOS y BSI, mejorando el rango dinámico y reduciendo el uso de energía.
Conclusión
Los sensores CMOS y BSI han remodelado las imágenes modernas, con BSI ofreciendo una mayor sensibilidad a la luz, menos ruido y una mejor precisión de color. El aumento de los CMOS apilados y los sensores integrados en IA mejora aún más la velocidad, la claridad de la imagen y el rango dinámico. Juntas, estas tecnologías continúan avanzando en la fotografía, la vigilancia y las imágenes científicas con mayor precisión y eficiencia.
Preguntas frecuentes
¿Qué materiales se utilizan en los sensores CMOS y BSI?
Ambos usan obleas de silicio. Los sensores BSI también incluyen capas de silicio adelgazadas, microlentes e interconexiones metálicas para una mejor absorción de la luz.
¿Qué tipo de sensor consume más energía?
Los sensores BSI consumen más energía debido a su diseño complejo y procesamiento de datos más rápido, aunque los diseños modernos están mejorando la eficiencia.
¿Por qué los sensores BSI son más caros que los CMOS?
Los sensores BSI requieren pasos de fabricación adicionales, como el adelgazamiento de las obleas y la alineación precisa de las capas, lo que hace que su producción sea más costosa.
¿Cómo manejan el calor estos sensores?
Las altas temperaturas aumentan el ruido en ambos sensores. Los diseños BSI a menudo incluyen un mejor control térmico para mantener estable la calidad de la imagen.
¿Pueden los sensores CMOS y BSI detectar la luz infrarroja?
Sí. Cuando se equipan con recubrimientos sensibles a IR o filtros eliminados, ambos pueden detectar infrarrojos, y BSI muestra una mejor sensibilidad IR.
¿Cuál es el propósito de las microlentes en los sensores de imagen?
Las microlentes guían la luz directamente hacia el fotodiodo de cada píxel, mejorando el brillo y la eficiencia en los sensores BSI más pequeños.