CCD 與 CMOS哪個更好？情況很復(fù)雜...

關(guān)于 CMOS 與 CCD 成像器的相對優(yōu)勢已有很多文章。這場爭論似乎從大多數(shù)人記事起就一直在持續(xù)，但目前還沒有明確的結(jié)論。確切的答案難以捉摸也就不足為奇了，因為這個話題并不是一成不變的。技術(shù)和市場的發(fā)展不僅影響技術(shù)上的可行性，也影響商業(yè)上的可行性。成像儀應(yīng)用多種多樣，具有不同且不斷變化的要求。有些應(yīng)用最適合使用 CMOS 成像器，有些則適合使用 CCD。在本文中，我們將嘗試通過檢查不同的情況、解釋一些鮮為人知的技術(shù)權(quán)衡以及引入成本考慮因素來使討論更加清晰。

一開始...

CCD(電荷耦合器件)和 CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器是兩種不同的數(shù)字捕捉圖像技術(shù)。每個都有獨特的優(yōu)點和缺點，在不同的應(yīng)用中具有優(yōu)勢。

兩種類型的成像儀都將光轉(zhuǎn)換為電荷并將其處理為電子信號。在 CCD 傳感器中，每個像素的電荷都通過數(shù)量非常有限的輸出節(jié)點(通常只有一個)傳輸，然后轉(zhuǎn)換為電壓、進行緩沖并作為模擬信號發(fā)送到芯片外。所有像素都可以專門用于光捕獲，并且輸出的均勻性(圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素)很高。在CMOS傳感器中，每個像素都有自己的電荷到電壓轉(zhuǎn)換，傳感器通常還包括放大器、噪聲校正和數(shù)字化電路，以便芯片輸出數(shù)字位。這些其他功能增加了設(shè)計復(fù)雜性并減少了可用于光捕獲的面積。由于每個像素都進行自己的轉(zhuǎn)換，均勻性較低，但它也是大規(guī)模并行的，允許高總帶寬以實現(xiàn)高速。

CCD 和 CMOS 成像器都依靠光電效應(yīng)從光中產(chǎn)生電信號

CCD 和 CMOS 成像儀均發(fā)明于 20 世紀 60 年代末和 1970 年代(DALSA 創(chuàng)始人 Savvas Chamberlain 博士是開發(fā)這兩種技術(shù)的先驅(qū))。 CCD 之所以占據(jù)主導(dǎo)地位，主要是因為它們利用現(xiàn)有的制造技術(shù)提供了更優(yōu)質(zhì)的圖像。 CMOS 圖像傳感器需要比硅晶圓代工廠當(dāng)時能夠提供的更高的均勻性和更小的特征。直到 20 世紀 90 年代，光刻技術(shù)才發(fā)展到設(shè)計人員可以再次開始使用 CMOS 成像器的程度。人們對 CMOS 重新產(chǎn)生興趣是基于對降低功耗、片上相機集成以及通過重用主流邏輯和存儲器件制造來降低制造成本的期望。在實踐中實現(xiàn)這些好處，同時提供高圖像質(zhì)量需要花費更多的時間、金錢、和工藝適應(yīng)比最初的預(yù)測建議的要好，但 CMOS 成像器已加入 CCD 成為主流、成熟的技術(shù)。

適用于消費類應(yīng)用的大容量成像儀

憑借較小組件的更低功耗和更高集成度的承諾，CMOS 設(shè)計人員將精力集中在移動電話成像器上，這是世界上產(chǎn)量最高的圖像傳感器應(yīng)用。我們投入了大量資金來開發(fā)和微調(diào) CMOS 成像器及其制造工藝。由于這項投資，我們見證了圖像質(zhì)量的巨大改進，即使像素尺寸縮小了。因此，在大批量消費領(lǐng)域和線掃描成像器的情況下，基于幾乎所有可以想象的性能參數(shù)，CMOS 成像器都優(yōu)于 CCD。

手機推動 CMOS 成像器體積

機器視覺成像儀

在機器視覺領(lǐng)域，面掃描成像儀和線掃描成像儀借助移動電話成像儀的巨大投資來取代 CCD。對于大多數(shù)機器視覺區(qū)域和線掃描成像儀來說，CCD 也已成為過去的技術(shù)。

CMOS 成像器相對于機器視覺 CCD 的性能優(yōu)勢值得簡要解釋。對于機器視覺，關(guān)鍵參數(shù)是速度和噪聲。 CMOS 和 CCD 成像器的不同之處在于信號從信號電荷轉(zhuǎn)換為模擬信號并最終轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的方式。在 CMOS 區(qū)域和線掃描成像器中，該數(shù)據(jù)路徑的前端是大規(guī)模并行的。這使得每個放大器具有低帶寬。當(dāng)信號到達數(shù)據(jù)路徑瓶頸(通常是成像器和片外電路之間的接口)時，CMOS 數(shù)據(jù)就牢牢地處于數(shù)字域中。相比之下，高速 CCD 具有大量并行快速輸出通道，但不如高速 CMOS 成像器大規(guī)模并行。因此，每個 CCD 放大器具有更高的帶寬，從而導(dǎo)致更高的噪聲。最后，高速 CMOS 成像器的噪聲可以比高速 CCD 低得多。

然而，這一一般性聲明也有一些重要的例外情況。

近紅外成像儀

為了在近紅外(700 至 1000 nm)范圍內(nèi)成像，成像儀需要具有更厚的光子吸收區(qū)域。這是因為紅外光子在硅中比可見光子被吸收得更深。

大多數(shù) CMOS 成像器制造工藝均針對僅在可見光中成像的大批量應(yīng)用進行了調(diào)整。這些成像儀對近紅外 (NIR) 不太敏感。事實上，它們被設(shè)計為在近紅外范圍內(nèi)盡可能不敏感。如果較厚的外延層未與較高的像素偏置電壓或較低的外延電壓相結(jié)合，則增加基板厚度(或更準確地說，外延或外延層厚度)以提高紅外靈敏度將降低成像儀解析空間特征的能力。興奮劑水平。改變電壓或外延摻雜將影響 CMOS 模擬和數(shù)字電路的運行。

近紅外成像中硅太陽能電池的裂紋很明顯

CCD 可以用更厚的外延層制造，同時保留其解析精細空間特征的能力。在一些近紅外 CCD 中，外延層厚度超過 100 微米，而大多數(shù) CMOS 成像器中的外延層厚度為 5 至 10 微米。對于較厚的外延層，還必須修改 CCD 像素偏置和外延層濃度，但對 CCD 電路的影響比 CMOS 更容易管理。

專門設(shè)計為在近紅外區(qū)域具有高靈敏度的 CCD 比 CMOS 成像器靈敏得多。

紫外成像儀

由于紫外光子在非?？拷璞砻娴牡胤奖晃?，因此紫外成像儀不得含有阻礙紫外光子吸收的多晶硅、氮化物或厚氧化層。因此，現(xiàn)代紫外成像儀的背面都變薄了，大多數(shù)在硅成像表面上只有一層非常薄的增透膜。

盡管背面減薄現(xiàn)在在移動成像儀中普遍存在，但紫外線響應(yīng)卻并非如此。為了實現(xiàn)穩(wěn)定的紫外線響應(yīng)，無論成像器是 CMOS 還是 CCD，成像器表面都需要特殊的表面處理。許多為可見光成像而開發(fā)的背面減薄成像儀都具有厚氧化層，在長時間暴露于紫外線后會變色并吸收紫外線。一些背面減薄成像器的成像表面被高摻雜硼層鈍化，該硼層延伸到硅外延太深，導(dǎo)致大部分紫外光生電子因復(fù)合而丟失。

當(dāng)今的深亞微米光刻需要深紫外光進行質(zhì)量檢查

所有線掃描成像儀都可以實現(xiàn)紫外線響應(yīng)和背面減薄，但并非所有區(qū)域成像儀都可以實現(xiàn)。全局快門區(qū)域 CCD 都不能進行背面減薄。 CMOS 區(qū)域成像器的情況更好，但仍然需要權(quán)衡。帶有卷簾快門的 CMOS 區(qū)域成像儀可以進行背面減薄。傳統(tǒng)的 CMOS 全局快門區(qū)域成像器在每個像素中都有存儲節(jié)點，在變薄時需要屏蔽這些節(jié)點，但前提是這些紫外線敏感成像器也將在可見光下成像。在背面減薄區(qū)域成像器中，如果不嚴重降低成像器的填充因子(光敏區(qū)域與總像素區(qū)域的比率)，則不可能有效地屏蔽部分像素免受入射照明。還有其他類型的 CMOS 全局快門區(qū)域成像器沒有光敏存儲節(jié)點，但噪聲較高，降低全井、卷簾快門或這些的組合。

時間延遲和積分成像儀

除了面掃描和線掃描成像儀之外，還有另一種重要類型的成像儀。時間延遲和積分 (TDI) 成像器通常用于機器視覺和遙感，其操作方式與線掃描成像器非常相似，不同之處在于 TDI 有許多(通常是數(shù)百)條線。當(dāng)對象的圖像移動經(jīng)過每條線時，每條線都會捕獲該對象的快照。當(dāng)信號非常弱時，TDI 最有用，因為將對象的多個快照添加在一起以創(chuàng)建更強的信號。

TDI 成像儀結(jié)合了與物體運動同步的多次曝光

CCD 結(jié)合信號電荷，而 CMOS TDI 可以結(jié)合電壓或電荷信號。電荷求和操作可以是無噪聲的，但 CMOS 電壓求和卻不能。當(dāng) CMOS 電壓域 TDI 的行數(shù)超過一定數(shù)量時，求和操作產(chǎn)生的噪聲會累積到無法與電荷域 TDI 匹配的程度。權(quán)衡是速度和成本。 CCD TDI 提供很高的靈敏度，但最終會達到速度限制。 CMOS 具有速度優(yōu)勢，但電荷域 CMOS TDI 的設(shè)計和制造難度更大、成本更高。對于較少數(shù)量的行求和，電壓域 TDI 求和可以提供經(jīng)濟高效的高性能，但對于最具挑戰(zhàn)性(最高速度、最低光)的應(yīng)用，電荷域 CMOS TDI(如 Teledyne 的 Linea HS 相機中的那樣))提供最高的性能。

電子倍增

電子倍增 CCD (EMCCD) 是具有以限制倍增過程中添加的噪聲的方式倍增信號電荷包的結(jié)構(gòu)的 CCD。這會產(chǎn)生凈信噪比 (SNR) 增益。在信號非常微弱以至于僅高于成像儀本底噪聲的應(yīng)用中，EMCCD 可以檢測到以前難以辨別的信號。

與 CMOS 相比，當(dāng)成像器不需要高速成像時，EMCCD 最具優(yōu)勢。高速運行會增加 CCD 的讀取噪聲。因此，即使 EMCCD 的 SNR 有所提高，EMCCD 和 CMOS 成像器之間的差異可能也不會太大，特別是與專門設(shè)計為具有極低讀取噪聲的科學(xué) CMOS 成像器相比。高速 EMCCD 還比傳統(tǒng)成像儀消耗更多的功率。

EMCCD 適用于信號極低的應(yīng)用，通常在科學(xué)成像中

低噪聲 CMOS 成像器可能不具備 CCD 的 NIR、UV 或 TDI 集成優(yōu)勢。因此，由于信號可能要弱得多，即使讀取噪聲與 EMCCD 所能達到的性能相當(dāng)，EMCCD 解決方案總體上仍然可能更好。

成本考慮

到目前為止，我們主要關(guān)注 CMOS 和 CCD 成像器之間的性能差異。如果認為業(yè)務(wù)決策僅基于性能權(quán)衡，那就太天真了。對于許多業(yè)務(wù)決策者來說，更重要的是價值，或者說付出的代價所獲得的性能。

成本情況可能很復(fù)雜，因此我們將只關(guān)注幾個重要的點。

杠桿、體積、良率和每個晶圓上的器件數(shù)量都會影響成本

首先，杠桿是關(guān)鍵。冒著聲明顯而易見的風(fēng)險，市場上已有的成像器的成本將比完全定制的成像器低得多，無論它是 CMOS 還是 CCD 成像器。如果需要定制，除非更改很小，否則開發(fā)定制 CCD 通常比開發(fā)定制 CMOS 成像器更便宜。 CMOS 成像器的開發(fā)通常更昂貴，因為 CMOS 使用更昂貴的深亞微米掩模。 CMOS 器件中還有更多的電路需要設(shè)計。因此，即使在定制 CMOS 成像器明顯具有更好性能的應(yīng)用中，其價值主張仍然有利于定制 CCD。

其次，數(shù)量很重要。盡管開發(fā)新型 CMOS 成像器的成本較高，但能夠利用更大規(guī)模經(jīng)濟的 CMOS 成像器的單位成本將會更低。對于大批量，低單位成本在財務(wù)上可能比低開發(fā)成本更重要。

第三，供給保障很重要。留下圍繞已停產(chǎn)的成像儀設(shè)計的產(chǎn)品的成本非常高。盡管有更好的價值主張，但選擇最有能力長期生產(chǎn)成像器(CMOS 或 CCD)的公司可能更為明智。

結(jié)論

為應(yīng)用選擇正確的成像儀從來都不是一件簡單的任務(wù)。不同的應(yīng)用有不同的要求。這些要求施加了影響性能和價格的約束。考慮到這些復(fù)雜性，不可能對 CMOS 與 CCD 成像器做出適用于所有應(yīng)用的一般性陳述也就不足為奇了。

在大多數(shù)可見光成像應(yīng)用中，CMOS 面陣和線掃描成像儀的性能優(yōu)于 CCD。 TDI CCD 用于高速、低照度應(yīng)用，其性能優(yōu)于 CMOS TDI。由于需要在近紅外范圍內(nèi)成像，CCD 成為某些面掃描和線掃描應(yīng)用的更好選擇。為了在紫外線下成像，背面減薄后的表面處理是關(guān)鍵，全局快門要求也是如此。對極低噪聲的需求帶來了新的限制，但 CMOS 在高讀出速度下通常仍優(yōu)于 CCD。性價比的權(quán)衡可能有利于 CCD 或 CMOS 成像器，具體取決于杠桿、數(shù)量和供應(yīng)安全。

審核編輯 黃宇