把光子變成電子
一張好照片的起點，是把入射的光子（photon）轉換成可量測的電子（electron）。CMOS 影像感測器（CIS，CMOS Image Sensor）正是執行這項光電轉換的晶片，它已全面取代早期的 CCD，成為手機、車載、安防、醫療影像的主流。CIS 的核心物理是光電效應：能量大於矽能隙（1.12 eV，對應約 1100 nm）的光子被矽吸收，激發出電子-電洞對，電子被光電二極體的空乏區收集，累積成正比於光強的電荷。
衡量一顆 CIS 的關鍵指標：
| 指標 | 意義 | 影響 |
|---|---|---|
| 量子效率 QE (%) | 入射光子轉成可收集電子的比例 | 靈敏度、暗光表現 |
| 滿井容量 FWC（$e^-$） | 像素能容納的最大電子數 | 動態範圍上限 |
| 讀出雜訊（$e^-$ rms） | 讀取電路引入的雜訊 | 暗部細節、低照度 |
| 動態範圍 DR (dB) | 最亮與最暗可分辨之比 | 高反差場景 |
| 暗電流（$e^-$/s） | 無光時的熱激發電荷 | 熱雜訊、長曝光 |
$$\text{動態範圍：} \mathrm{DR}\ (\mathrm{dB}) = 20 \cdot \log_{10} \left( \frac{\mathrm{FWC}}{\text{讀出雜訊}} \right)$$
若 FWC $= 6000\ e^-$、讀出雜訊 $= 1.5\ e^-$，DR $\approx 72$ dB。
像素結構：4T 主動像素與相關雙取樣
現代 CIS 採用 4T 主動像素（4-Transistor APS）架構，每個像素含一個釘扎光電二極體（pinned photodiode）與四顆電晶體：
- 傳輸閘 TG：把光電二極體累積的電荷轉移到浮動擴散節點（FD）。
- 重置電晶體 RST：把 FD 重置到參考電壓。
- 源極隨耦器 SF：把 FD 上的電荷轉成電壓並緩衝輸出。
- 列選擇 SEL：選通該列讀出。
釘扎光電二極體可實現全空乏轉移，使讀出雜訊降到極低。關鍵技術是相關雙取樣（CDS，Correlated Double Sampling）：先讀重置後的 FD 電位、再讀電荷轉移後的電位，兩者相減消除重置雜訊（kTC noise）與固定圖案雜訊（FPN），使讀出雜訊逼近 1 $e^-$ 級。轉換增益由 FD 電容決定（$CG = q/C_{FD}$），小電容換高增益、低雜訊，但犧牲滿井容量——又是一組典型取捨。
BSI 與堆疊式：把光路與電路分層
前照式 vs 背照式
傳統前照式（FSI，Front-Side Illuminated）像素的金屬走線位於光電二極體上方，會遮擋與散射入射光，填充因子低、QE 受限。背照式（BSI，Back-Side Illuminated）把晶圓翻面、從背面入光，金屬走線移到光路之後，使光子直達光電二極體：
- QE 在可見光波段可從 FSI 的 ~50% 提升到 > 80%。
- 低照度與斜入射表現大幅改善，是手機主鏡頭夜拍躍進的關鍵。
堆疊式（Stacked）CIS
更進一步的堆疊式 CIS 把「像素陣列晶圓」與「邏輯／類比讀出晶圓」分別以最適製程製造，再透過混合鍵合（hybrid bonding，Cu-Cu 直接鍵合，pitch 已進入次微米）或 TSV 垂直整合：
- 像素層用特化的光學製程最佳化 QE 與低雜訊。
- 邏輯層用先進 CMOS 塞進大量 ADC、影像處理、甚至 DRAM 暫存。
- 可實現每行甚至每像素並行 ADC，大幅提升讀出速度，支援高幀率與全域快門。
三層堆疊（像素 + DRAM + 邏輯）讓高速攝影把資料先緩存於 DRAM，消除果凍效應（rolling shutter distortion）。
色彩、微透鏡與光學堆疊
矽本身不分辨顏色，色彩靠像素上方的拜爾濾色陣列（Bayer CFA，R-G-G-B）取得，再經去馬賽克（demosaicing）插值還原全彩。每個像素頂端的微透鏡（microlens）把入射光聚焦到感光區，提升有效填充因子。先進手機 CIS 還整合：
- 雙像素自動對焦（Dual Pixel AF / PDAF）：把像素切成左右兩半比較相位差，實現快速對焦。
- 四拜爾（Quad Bayer / Tetrapixel）：四個同色像素合一，亮處輸出高解析、暗處 binning 換低雜訊高靈敏。
- 深溝渠隔離（DTI）：抑制像素間串擾，改善色彩與信噪。
雜訊、動態範圍與失效模式
CIS 的雜訊鏈包含：光子散粒雜訊（shot noise，$\propto \sqrt{\text{訊號}}$，物理不可消）、暗電流散粒雜訊、讀出雜訊、量化雜訊。亮處由散粒雜訊主導、暗處由讀出雜訊主導，故低照度競賽的本質是壓低讀出雜訊與暗電流。
擴展動態範圍的手段：
- 多重曝光 HDR：長短曝光合成，但動態場景易出鬼影。
- 雙轉換增益（DCG）：同一像素切換高/低轉換增益，兼顧低雜訊與高滿井。
- 橫向溢位積分電容（LOFIC）：額外電容承接溢出電荷，單次曝光達 > 100 dB。
失效與挑戰：暗電流隨溫度每升 8°C 約倍增，長曝光與車載高溫環境是大敵；熱像素、白點缺陷需校正映射；像素微縮至 0.6 µm 以下後，光學繞射與串擾使每像素進光量銳減，迫使 binning 與運算攝影介入。
前沿現況
像素尺寸已下探 0.56 µm，單顆手機感測器突破 2 億像素；混合鍵合 pitch 進入次微米使三層堆疊普及；事件相機（event-based / DVS）改採非同步、僅輸出亮度變化的像素，延遲低至微秒、動態範圍超 120 dB，用於高速與機器視覺；全域快門 BSI、有機光電轉換膜、SPAD（單光子雪崩二極體）陣列用於 LiDAR 直接飛時測距，都把 CIS 推向「不只是相機，而是感知前端」。CIS 是把類比光學、像素物理與先進封裝三者結合得最緊密的元件之一。
延伸閱讀：〈類比與射頻 IC〉、〈先進封裝：Chiplet、CoWoS 與 2.5D／3D IC〉。