淺析固體圖像傳感器CMOS與CCD之間的不同

目前，市場(chǎng)上應(yīng)用的固體圖像傳感器主要有CCD與CMOS兩種。本文從技術(shù)性能的角度、器件的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用、生產(chǎn)制造的工藝與設(shè)備等方面將兩者作比較，從目前看，兩者各有優(yōu)劣；從發(fā)展看，CMOS圖像傳感器將取代CCD而獲得比CCD更為廣泛的應(yīng)用。

固體圖像傳感器（也稱(chēng)固體光電成像器件）有CCD與CMOS兩種。CCD是“電荷耦合器件”（Charge Coupled Device）的簡(jiǎn)稱(chēng)，而CMOS是“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”（Complementary Metal Oxide Semiconductor）的簡(jiǎn)稱(chēng)。CCD是1970年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的W·B·Boyle和G·E·Smith等人發(fā)明的，從而揭開(kāi)了電荷傳輸器件的序幕。

此后，人們利用這一技術(shù)制造了攝像機(jī)與數(shù)碼相機(jī)，將圖像處理行業(yè)推進(jìn)到一個(gè)全新領(lǐng)域。CCD是一種用于捕捉圖像的感光半導(dǎo)體芯片，廣泛運(yùn)用于掃描儀、復(fù)印機(jī)、攝像機(jī)及無(wú)膠片相機(jī)等設(shè)備。作為相機(jī)，與膠卷的原理相似，光學(xué)圖像（即實(shí)際場(chǎng)景）穿過(guò)鏡頭投射到CCD上。

但與膠卷不同的是CCD沒(méi)有“曝光”能力，也沒(méi)有能力記錄和存貯圖像數(shù)據(jù)，而是將圖像數(shù)據(jù)不停留地送入一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器與存貯設(shè)備，但可重復(fù)拍攝和即時(shí)調(diào)整，其影像可無(wú)限次復(fù)制而不降低質(zhì)量，也方便永久保存。

CMOS本來(lái)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的一種重要芯片，它可保存系統(tǒng)引導(dǎo)所需的大量資料。在20世紀(jì)70年代初，有人發(fā)現(xiàn)，將CMOS引入半導(dǎo)體光敏二極管后也可作為一種感光傳感器，但在分辨率、噪聲、功耗和成像質(zhì)量等方面都比當(dāng)時(shí)的CCD差，因而未獲得發(fā)展。

隨著CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展，采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝能生產(chǎn)高質(zhì)量、低成本的CMOS成像器件。這種器件便于大規(guī)模生產(chǎn)、其功耗低與成本低廉的特性都是商家們夢(mèng)寐以求的。如今，CCD與CMOS兩者共存，CCD暫時(shí)還是“主流”，但CMOS將取代CCD而成為圖像傳感器的主流。下面從技術(shù)性能、器件的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用、生產(chǎn)制造的工藝與設(shè)備等方面將兩者作一比較，最后歸納一比較表，并展望其發(fā)展前景。

基本結(jié)構(gòu)及工作原理對(duì)比

CCD是在MOS晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其基本結(jié)構(gòu)是MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）電容結(jié)構(gòu)。它是在半導(dǎo)體P型硅（si）作襯底的表面上用氧化的辦法生成一層厚度約1000？？1500？的SiO2，再在SiO2表面蒸鍍一層金屬（如鋁），在襯底和金屬電極間加上一個(gè)偏置電壓（稱(chēng)柵電壓），就構(gòu)成了一個(gè)MOS電容器。所以，CCD是由一行行緊密排列在硅襯底上的MOS電容器陣列構(gòu)成的。

目前的CCD器件均采用光敏二極管代替過(guò)去的MOS電容器，即在P型Si襯底上擴(kuò)散一個(gè)N＋區(qū)域以形成P-N結(jié)二極管。通過(guò)多晶硅相對(duì)二極管反向偏置，于是在二極管中產(chǎn)生一個(gè)定向電荷區(qū)（稱(chēng)之為耗盡區(qū)）。在定向電荷區(qū)中，光生電子與空穴分離，光生電子被收集在空間電荷區(qū)中。

空間電荷區(qū)對(duì)帶負(fù)電的電子而言、是一個(gè)勢(shì)能特別低的區(qū)域，因此通常又稱(chēng)之為勢(shì)阱。投射光產(chǎn)生的光生電荷就儲(chǔ)存在這個(gè)勢(shì)阱之中，勢(shì)阱能夠儲(chǔ)存的最大電荷量又稱(chēng)之為勢(shì)阱容量，勢(shì)阱容量與所加?xùn)艍航瞥烧?。光敏二極管和MOS電容器相比，光敏二極管具有靈敏度高，光譜響應(yīng)寬，藍(lán)光響應(yīng)好，暗電流小等特點(diǎn)。

如果將一系列的MOS電容器或光敏二極管排列起來(lái)，并以?xún)上?、三相或四相工作方式把相?yīng)的電極并聯(lián)在一起，并在每組電極上加上一定時(shí)序的驅(qū)動(dòng)脈沖，這樣就具備了CCD的基本功能。

一般，最基本的CMOS圖像傳感器是以一塊雜質(zhì)濃度較低的P型硅片作襯底，用擴(kuò)散的方法在其表面制作兩個(gè)高摻雜的N＋型區(qū)作為電極，即場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極，再在硅的表面用高溫氧化的方法覆蓋一層二氧化硅（SiO2）的絕緣層，并在源極和漏極之間的絕緣層的上方蒸鍍一層金屬鋁，作為場(chǎng)效應(yīng)管的柵極。最后，在金屬鋁的上方放置一光電二極管，這就構(gòu)成了最基本的CMOS圖像傳感器。

為使CMOS圖像傳感器工作，必須在P型硅襯底和源極接電源負(fù)極，漏極接電源正極。當(dāng)無(wú)圖像光信號(hào)照射到光敏二極管上時(shí)，源極和漏極之間無(wú)電流通過(guò)，因此無(wú)信號(hào)輸出；當(dāng)有圖像光信號(hào)照射到光敏二極管上時(shí)，光敏元件的價(jià)帶電子獲得能量激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶而形成圖像光電子，因而在源極和漏極之間形成電流通路而輸出圖像電信號(hào)。

入射圖像光信號(hào)越強(qiáng)，在光敏材料中激發(fā)的導(dǎo)電粒子（電子與空穴）越多，從而使源、漏極之間的電流越大，因而輸出信號(hào)越大。所以，輸出信號(hào)的大小直接反映了入射光信號(hào)的強(qiáng)弱。

在CMOS攝像器件中，電信號(hào)是從CMOS晶體管開(kāi)關(guān)陣列中直接讀取的，而不需要象CCD那樣逐行讀取。

由上基本結(jié)構(gòu)與原理可知，從成像器件本身的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)看，兩者是不同的。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)比

面陣CCD的成像點(diǎn)為X—Y縱橫矩陣排列，而每個(gè)成像點(diǎn)由一個(gè)光電二極管和其轉(zhuǎn)移控制的一個(gè)鄰近電荷存貯區(qū)（暫存區(qū)）組成。由于排列和組成方式不同，面陣CCD有幀轉(zhuǎn)移型、行間轉(zhuǎn)移型、幀行間轉(zhuǎn)移型、線(xiàn)轉(zhuǎn)移型與虛向型等。當(dāng)光電二極管將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電荷圖像（電荷數(shù)量與光強(qiáng)度成正比）貯存于勢(shì)阱中時(shí)。

通過(guò)轉(zhuǎn)移控制很快轉(zhuǎn)移到緩存區(qū)和電荷傳輸方向的移位寄存器中，然后通過(guò)二或三或四相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖向輸出端一位位轉(zhuǎn)移，經(jīng)輸出電路電荷/電壓轉(zhuǎn)換和放大器輸出視頻信號(hào)。這種構(gòu)造產(chǎn)生的圖像具有低噪聲、高性能的特點(diǎn)，但需要二或三或四相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、柵偏壓、轉(zhuǎn)移控制及復(fù)位脈沖等，因此整個(gè)構(gòu)造復(fù)雜，增大了耗電量，也增加了成本。

而CMOS成像器的構(gòu)造如同一個(gè)存貯器，它將數(shù)字邏輯電路、時(shí)鐘及A/D轉(zhuǎn)換等在同一加工程序中集成在一起。每個(gè)成像點(diǎn)包含一個(gè)光電二極管，一個(gè)電荷/電壓轉(zhuǎn)換、一個(gè)重新設(shè)置和選擇管與一個(gè)放大器。整個(gè)成像器上復(fù)蓋計(jì)時(shí)應(yīng)用和讀取信號(hào)的金屬互連器以及縱向排列的輸出信號(hào)互連器，信號(hào)讀取通過(guò)簡(jiǎn)單的X-Y尋址技術(shù)直接從開(kāi)關(guān)放大陣列中直接讀出，比CCD快和方便。

從成像器在產(chǎn)品應(yīng)用上的外部結(jié)構(gòu)對(duì)比

CCD成像器需有外圍驅(qū)動(dòng)電路才能工作，它僅能輸出模擬電信號(hào)，這種信號(hào)要經(jīng)后續(xù)的地址譯碼器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖像信號(hào)處理器處理，集成度非常低。如由面陣CCD構(gòu)成的數(shù)碼相機(jī)通常有六個(gè)芯片，有的多達(dá)八片，最少也要三片，從而使體積不能減小，制作成本較高。

而CMOS成像器不需要外圍驅(qū)動(dòng)電路，它是將光電二極管、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)處理器及控制器等集成到一塊芯片上，而且制造加工只需采用半導(dǎo)體廠(chǎng)家生產(chǎn)集成電路的流程即可。若構(gòu)成數(shù)碼相機(jī)，可將數(shù)碼相機(jī)的所有部件都集成到這一塊芯片上，即“單芯片相機(jī)”。因此，采用CMOS芯片的光電圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，不但能降低系統(tǒng)的整體成本與組裝所需的時(shí)間，而且還大大縮小系統(tǒng)的體積和復(fù)雜度。

CMOS與CCD在制造工藝與設(shè)備上的對(duì)比

由于CCD成像器的信號(hào)需要一行一行地讀出，這樣，在離輸出放大器較遠(yuǎn)的像素，電荷必須經(jīng)過(guò)多次傳輸才能被讀出，因此在CCD成像器件的制作上，必須使每個(gè)像素都完美無(wú)缺（即完好無(wú)損），否則某一列的信號(hào)便無(wú)法完整地讀出。此外，每次電荷的傳輸還必須非常干凈，即電荷傳輸效率要非常高，否則會(huì)因電荷的屯積而造成影像污點(diǎn)。因此，雖然CCD的材料是硅芯片，但必須要有特殊的制造工藝技術(shù)與設(shè)備，并且還要累積相當(dāng)?shù)闹圃旖?jīng)驗(yàn)，才能確保高像素的正品率及高的電荷傳輸效率。所以CCD的生產(chǎn)極易由少數(shù)廠(chǎng)商所壟斷。

而CMOS成像器件的制作比較簡(jiǎn)單、容易，因?yàn)樗恍枰褂靡话愕?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/8112/" target="_blank">半導(dǎo)體制造工藝與設(shè)備，不必自備昂貴的半導(dǎo)體制造工藝設(shè)備。只需將CMOS線(xiàn)路設(shè)計(jì)好，請(qǐng)一些半導(dǎo)體廠(chǎng)代為加工即可。因此，CMOS成像器件在開(kāi)發(fā)及制造成本上很具競(jìng)爭(zhēng)力。

CMOS與CCD在技術(shù)性能上的對(duì)比

信息讀取方式的對(duì)比

CCD光電成像器件存貯的電荷信息，需要在二相或三相或四相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖的控制下，一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后逐行順序讀取。

而CMOS光電成像器件的光學(xué)圖像信息經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生電流或電壓信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)不需要像CCD那樣逐行讀取，而是從CMOS晶體管開(kāi)關(guān)陣列中直接讀取的，可增加取像的靈活性。而CCD絕無(wú)此功能。

速度的對(duì)比

由上知，CCD成像器件需在二、三、四相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，所以速度較慢。

而CMOS成像器件在采集光電圖像信號(hào)的同時(shí)就可取出電信號(hào)，它并能同時(shí)處理各單元的圖像信息，所以速度比CCD成像器件快得多。由于CMOS成像器件的行、列電極可以被高速地驅(qū)動(dòng)，再加上在同一芯片上做A/D轉(zhuǎn)換，圖像信號(hào)能快速地取出，因此它可在相當(dāng)高的幀速下動(dòng)作。如有些設(shè)計(jì)用來(lái)做機(jī)器視覺(jué)的CMOS，聲稱(chēng)可以高達(dá)每秒1000個(gè)畫(huà)面的幀速。

電源及耗電量的對(duì)比

由于CCD的像素由MOS電容構(gòu)成，讀取電荷信號(hào)時(shí)需使用電壓相當(dāng)大（至少12V）的二相或三相或四相時(shí)序脈沖信號(hào)，才能有效地傳輸電荷。因此CCD的取像系統(tǒng)除了要有多個(gè)電源外，其外設(shè)電路也會(huì)消耗相當(dāng)大的功率。有的CCD取像系統(tǒng)需消耗2？5W的功率。

而CMOS光電成像器件只需使用一個(gè)單電源5V或3V，耗電量非常小，僅為CCD的1/8？1/10，有的CMOS取像系統(tǒng)只消耗20？50mW的功率。

成像質(zhì)量的對(duì)比

CCD成像器件制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅（sio2）隔離層隔離噪聲，所以噪聲低，成像質(zhì)量好。

與CCD相比，CMOS的主要缺點(diǎn)是噪聲高及靈敏度低，因?yàn)镃MOS成像器件集成度高，各光電元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾嚴(yán)重，噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大，開(kāi)始很長(zhǎng)一段時(shí)間無(wú)法進(jìn)入實(shí)用。后來(lái)，噪聲的問(wèn)題用有源像素（ActivePixel）設(shè)計(jì)及噪聲補(bǔ)正線(xiàn)路加以降低。近年，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷進(jìn)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS成像器件提供了良好的條件。已有廠(chǎng)商聲稱(chēng)，所開(kāi)發(fā)出的技術(shù)，成像質(zhì)量已不比CCD差。

CMOS成像器件的靈敏度低，是因?yàn)橄袼夭糠置娣e被用來(lái)制作放大器等線(xiàn)路。在固定的芯片面積上，除非采用更精細(xì)的制造工藝，否則為了維持相當(dāng)水準(zhǔn)的靈敏度，成像器件的分辨率不能做得太高（反過(guò)來(lái)說(shuō)，固定分辯率的傳感器，芯片尺寸無(wú)法做得太?。５壳?，利用0.18μm制造技術(shù)己開(kāi)發(fā)出了4096×4096超高分辨率的CMOS圖像傳感器。

CMOS與CCD在應(yīng)用上的對(duì)比

CCD的發(fā)展已有32年的歷史，可以說(shuō)是相當(dāng)成熟的產(chǎn)品。目前技術(shù)的發(fā)展主要在于如何縮小傳感器的面積、降低生產(chǎn)成本及提高商用性能。CCD的主流應(yīng)用正逐漸從仿真攝像機(jī)、安全監(jiān)控?cái)z像機(jī)等演進(jìn)到數(shù)字多媒體應(yīng)用，如數(shù)字?jǐn)z像機(jī)（Digital Video Camcorder）、數(shù)字相機(jī)DSC（Digital Still Camera）等。

由于便攜式數(shù)字相機(jī)要求輕、薄、短小，百萬(wàn)像素級(jí)的CCD已做到1/3″，而中、低分辯率的CCD已發(fā)展到1/4″或1/5″，今后朝1/8″甚至于1/10″發(fā)展。仿真式攝錄像機(jī)的CCD為配合PAL/NTSC電視制式，像素長(zhǎng)寬比亦為4∶3和采用隔行讀取信號(hào)的方式。而專(zhuān)用的數(shù)字相機(jī)則強(qiáng)調(diào)方正像素（可減少信號(hào)處理所需的時(shí)間）及逐行掃描（可提升取像的速度）。

由于CCD有好的影像品質(zhì)、高靈敏度與高分辨率，因此目前在高、中檔的影像應(yīng)用主要是CCD，而對(duì)于一些新興產(chǎn)品，如PC相機(jī)、移動(dòng)電話(huà)等，用CCD則無(wú)法滿(mǎn)足在電源消耗、體積等方面條件的要求。

CMOS成像器件目前主要集中于CIF與VGA等級(jí)產(chǎn)品。CIF等級(jí)的CMOS成像器件已由1/3″、1/4″轉(zhuǎn)至1/4″至1/5″，甚至1/7″。目前1/7″的CIF等級(jí)的CMOS成像器件的耗電量已降至30mw以下，因此多應(yīng)用于手機(jī)等便攜式產(chǎn)品上。VGA等級(jí)的CMOS成像器件已由過(guò)去的1/3″至1/4″，轉(zhuǎn)至1/4″至1/5″。這一等級(jí)的CMOS成像器件的耗電量由過(guò)去的300mw降至100mw左右，它主要應(yīng)用于PC相機(jī)，其次在DSC、PHS及TOY也有應(yīng)用。

由于CMOS成像器件的體積小、耗電低，也用于保安隱蔽式監(jiān)控?cái)z像以及作交互式玩具的“眼睛”。此外，還可開(kāi)辟醫(yī)療市場(chǎng)應(yīng)用，如CMOS用后即丟式攝像機(jī)（像藥丸大?。?，讓患者吞下，它就會(huì)經(jīng)過(guò)胃、小腸及大腸，隨糞便排出體外。當(dāng)攝像機(jī)穿越體內(nèi)時(shí)，它會(huì)自己發(fā)光照明，每秒鐘拍攝兩張像片，并以無(wú)線(xiàn)電波傳到病人皮帶上掛著的記錄器內(nèi)。

醫(yī)生再把數(shù)據(jù)化的影像傳送到計(jì)算機(jī)上。攝像機(jī)電池可使用8個(gè)小時(shí)，足以拍攝整個(gè)的小腸（因小腸的檢查一直是“盲點(diǎn)”）。顯然，這是CCD做不到的。

CMOS成像器件在VGA等級(jí)以上的分辨率表現(xiàn)，一直不如CCD來(lái)得優(yōu)異，因?yàn)楦呦袼氐腃MOS成像器件必須要降低噪聲與提高靈敏度才能面對(duì)CCD的競(jìng)爭(zhēng)。但CMOS成像器還可利用它的優(yōu)勢(shì)，即結(jié)合感光與影像處理以及辨識(shí)功能，使它成為一種高附加價(jià)值的智能型影像傳感器，而應(yīng)用在一些較特殊的用途上，如機(jī)器視覺(jué)、人體面貌與指紋識(shí)別、動(dòng)態(tài)檢測(cè)等。

結(jié)語(yǔ)

CMOS圖像傳感器與CCD相比有很多突出的特點(diǎn)，如體積小、功耗低、成本低、能單芯片集成系統(tǒng)、能隨機(jī)存取、無(wú)損讀取、抗光暈圖像無(wú)拖尾、高幀速、高動(dòng)態(tài)范圍等。因此，CMOS圖像傳感器有著不可抗拒的廣闊的市場(chǎng)誘惑力和良好的發(fā)展前景。

及配合便攜式產(chǎn)品市場(chǎng)的發(fā)展，集成化、小體積、低成本、低耗電仍是今后發(fā)展的重點(diǎn)。VGA的等級(jí)，耗電量已往100mw以下發(fā)展；CIF等級(jí)往40mw以下；QCIF等級(jí)往25mw以下突破。在單一電源的低工作電壓方面，目前已有廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)出2.8V。

另一發(fā)展方向是結(jié)合集成感光與影像處理以及辨識(shí)功能，使CMOS成為一種高附加價(jià)值的智能型影像傳感器而應(yīng)用在較特殊的用途上（如機(jī)器視覺(jué)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)與自動(dòng)辨識(shí)等）。

CMOS成像傳感器要想在百萬(wàn)像素以上的數(shù)字相機(jī)與數(shù)字?jǐn)z影機(jī)市場(chǎng)取代CCD，必須從降低噪聲與提高靈敏度方面著手，在分辨率上要有所突破。

現(xiàn)在，CMOS圖像傳感器正朝著高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度、高幀速、集成化、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展?，F(xiàn)在，二種階躍的復(fù)位柵電壓技術(shù)能將CMOS中的有源像素傳感器（APS）的動(dòng)態(tài)范圍提高到90dB以上，利用線(xiàn)性-對(duì)數(shù)輸出模式，以及CMOS-DPS技術(shù)，還可使動(dòng)態(tài)范圍提高到120dB；

而一般的CCD僅為66dB左右。種種跡像表明：圖像傳感器的領(lǐng)域正面臨著一個(gè)重大轉(zhuǎn)折，盡管從目前的狀況看，CMOS與CCD圖像傳感器的應(yīng)用市場(chǎng)仍然有一個(gè)分界，但這個(gè)界限似乎越來(lái)越模糊。隨著300萬(wàn)像素以上的CMOS圖像傳感器的上市，圖像傳感器即將進(jìn)入“CMOS時(shí)代”。而CMOS在制成高像素方面也有著一定的優(yōu)勢(shì)。

隨著視頻監(jiān)控技術(shù)向智能化的發(fā)展，高清監(jiān)控正是以一種高姿態(tài)、高要求進(jìn)入我們的世界。目前，高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)已成為一種必然趨勢(shì)。許多廠(chǎng)家都爭(zhēng)先恐后地推出自己的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。雖然，目前廣泛使用的感光元件仍是CCD，但CCD響應(yīng)速度較低，不適用于高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)采用的高分辨率逐行掃描方式，因此高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)需普遍采用CMOS作為感光元件。

而目前致力于CMOS研究的廠(chǎng)商已經(jīng)研發(fā)出720P與1080P專(zhuān)用的CMOS器件，其寬動(dòng)態(tài)、強(qiáng)光抑制、靈敏度等性能都得到很大程度改善。

由于CMOS圖像傳感具有體積小、功耗低、集成度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、有USB計(jì)算機(jī)接口、能作成DPS、自動(dòng)記時(shí)、隨機(jī)存取、無(wú)損讀取、抗光暈和耐輻射等特點(diǎn)，而有不可抗拒的廣闊的市場(chǎng)誘惑力和比CCD更加廣泛的應(yīng)用發(fā)展前景。

編輯：jq