今年的 iPhone 15 標(biāo)準(zhǔn)款可以說是近年來最沒存在感的 iPhone 了，已經(jīng)發(fā)布有兩個月，網(wǎng)上大家討論的都是 15 Pro 和 15 Pro Max，極少能夠看到有關(guān) 15 標(biāo)準(zhǔn)款的內(nèi)容。不過在前不久，根據(jù)國外 Techinsight 的拆解發(fā)現(xiàn)，iPhone 15 標(biāo)準(zhǔn)款居然用上了一項(xiàng)連?Pro 款都沒有的先進(jìn)技術(shù)，那就是其廣角主攝圖像傳感器所采用的雙層晶體管像素。

這里的雙層晶體管像素是由索尼于 2021 年 12 月 16 日在 IEEE 國際電子設(shè)備會議上發(fā)布的突破性技術(shù)，也就是將像素的感光層和電壓讀出層分別制造并堆疊，其首款量產(chǎn)圖像傳感器 LYT-T808 首發(fā)于今年索尼自家的 Xperia 1 V。包括前不久的 OPPO Find N3 也是采用了同款圖像傳感器，OPPO 將其宣傳為新世代折疊像素，聲稱同尺寸下感光能力提升至 2 倍，動態(tài)范圍提升更是達(dá)到 3.55 倍。那么這又是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

我們知道手機(jī)上現(xiàn)在使用的都是 CMOS 圖像傳感器，它不僅要感光，還要進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)換、 電壓讀出等功能。傳統(tǒng)的像素設(shè)計(jì)是將用于感光的光電二極管和傳輸門、行選擇、源跟隨器、復(fù)位晶體管等設(shè)計(jì)在同一平面上。 它們都做在同一片晶圓上在制造上會比較容易，但問題就是光電二極管本身的面積和體積會受限于周邊晶體管，導(dǎo)致量子效率和滿阱容量有所損失。而用來驅(qū)動像素運(yùn)行的晶體管本身并不能無限縮小，例如驅(qū)動像素讀出電壓的源跟隨器，也就是像素內(nèi)部放大器晶體管的尺寸如果再縮小，會使得暗電流、隨機(jī)電報(bào)噪聲等讀出噪聲增大，這也就限制了感光區(qū)域的性能提升。

這個情況其實(shí)和十年前背照式圖像傳感器的情況有所類似，當(dāng)時背照式像素區(qū)域與信號處理電路也是置于同一晶圓上，而索尼通過使用構(gòu)建有信號處理電路的芯片（電路單元）來替代背照式 CMOS 圖像傳感器的基礎(chǔ)電路板，并在其上堆疊像素單元（堆棧結(jié)構(gòu)），這樣，微小的芯片尺寸也能夠搭載大規(guī)模的電路。

那么既然光電二極管與像素晶體管制造在同一晶圓上會限制圖像傳感器的性能，索尼自然想到借鑒過去堆棧式 CMOS 圖像傳感器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，利用自身領(lǐng)先的堆棧技術(shù)，將過去分布在像素芯片上、將光轉(zhuǎn)換成電信號的光電二極管與控制信號的像素晶體管層分開制造在兩個晶圓上，再通過先進(jìn)的互聯(lián)技術(shù)堆疊在一起，構(gòu)建新的堆棧結(jié)構(gòu)。

這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在哪呢？首先由于感光層獨(dú)立設(shè)計(jì)，光電二極管的體積進(jìn)一步增大，擴(kuò)大了光電二極管的容量，提升了單個像素最多能容納的電子數(shù)量，即滿阱容。索尼宣稱飽和信號量可提升至原來的約 2 倍左右。最終，成功擴(kuò)大了代表可成像的明暗差范圍的動態(tài)范圍。 其次由于將傳輸控制晶體管（TRG）以外的復(fù)位晶體管（RST）、選擇晶體管（SEL）和放大晶體管（AMP）等像素晶體管分布在沒有光電二極管的基片層上，因此，可以增加放大晶體管的尺寸，而放大晶體管的尺寸越大對前端讀出噪聲的壓制就越好。由此，使得在拍攝夜景等昏暗場景時容易產(chǎn)生的噪點(diǎn)顯著減少。

所以說這次的雙層晶體管像素技術(shù)著重優(yōu)化的就是移動影像下小像素設(shè)計(jì)的難題，通過縱向堆疊突破了過往小像素的空間限制，其主要的提升在于滿阱容量和讀出噪聲上。 其中滿阱容量對應(yīng)充足光照下的動態(tài)范圍和信噪比。對于尺寸遠(yuǎn)小于相機(jī)的手機(jī)用圖像傳感器而言，其可捕獲的進(jìn)光量有限，因此，可成像的亮度范圍較窄。例如，在拍攝明暗差較大的逆光場景時，容易發(fā)生明亮部位過度曝光，昏暗部位發(fā)黑模糊，成像效果與肉眼所見截然不同的情況。而雙層晶體管像素技術(shù)通過提升滿阱容量，也就是將飽和信號量提升至原來的約 2 倍，成功擴(kuò)大了代表可成像的明暗差范圍的動態(tài)范圍。

而讀出噪聲對應(yīng)弱光拍攝時的噪點(diǎn)表現(xiàn)。在拍攝夜景或昏暗的房間等暗處時，如果沒有外部補(bǔ)光增加場景亮度，對于手機(jī)拍攝而言一般只能通過提升 ISO 來提升畫面亮度。高 ISO 意味著更高的信號放大，會同步放大前端的讀出噪聲。而雙層晶體管像素技術(shù)通過增加放大晶體管尺寸，帶來更好的對讀出噪聲的抑制，成功使拍攝暗處時容易產(chǎn)生的噪點(diǎn)顯著減少。在拍攝室內(nèi)或夜景等昏暗場景時，不增加圖像傳感器尺寸，也能實(shí)現(xiàn)噪點(diǎn)少的高畫質(zhì)成像效果。

當(dāng)然即使是用上了雙層晶體管像素技術(shù)，目前 LYT-T808 這款實(shí)際成像 1/1.43 英寸的圖像傳感器還是無法與一英寸傳感器相媲美的。畢竟一英寸傳感器的面積幾乎是它的兩倍，在同等條件下一英寸傳感器在光信號的收集上有著先天的優(yōu)勢，而更多更有效的光信號也就意味著畫質(zhì)上限更高。 不過一英寸傳感器在畫質(zhì)更好的同時，其整個相機(jī)模組的尺寸對于手機(jī)而言也是巨大的。在手機(jī)內(nèi)部基本上已經(jīng)不太可能塞進(jìn)更大尺寸的圖像傳感器的情況下，索尼和三星這幾年傳感器技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)就是重視垂直堆疊和縱向優(yōu)化，在適中的底面積下極力地優(yōu)化分辨率、充足光照的動態(tài)范圍，以及高感的畫質(zhì)表現(xiàn)。

索尼雙層晶體管像素技術(shù)就是在這樣的背景下誕生的，它可以說是比直接使用一英寸傳感器要更適合空間敏感型的手機(jī)攝影發(fā)展的需求。在不過分讓相機(jī)模組凸出手機(jī)機(jī)背的情況下，盡量去提升手機(jī)拍照的畫質(zhì)。并且其不僅可以用在小像素傳感器上，即使是目前的一英寸大像素傳感器，仍然可以使用這一技術(shù)來提升整體的性能。所以接下來應(yīng)該還會有很多手機(jī)搭載使用這一技術(shù)的圖像傳感器，我們即將迎來手機(jī)攝影的下一篇章。