目前，市場上應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更為廣泛的應用。

固體圖像傳感器（也稱固體光電成像器件）有CCD與CMOS兩種。CCD是“電荷耦合器件”（Charge Coupled Device）的簡稱，而CMOS是“互補金屬氧化物半導體”（Complementary Metal Oxide Semiconductor）的簡稱。CCD是1970年美國貝爾實驗室的W·B·Boyle和G·E·Smith等人發(fā)明的，從而揭開了電荷傳輸器件的序幕。

此后，人們利用這一技術(shù)制造了攝像機與數(shù)碼相機，將圖像處理行業(yè)推進到一個全新領(lǐng)域。CCD是一種用于捕捉圖像的感光半導體芯片，廣泛運用于掃描儀、復印機、攝像機及無膠片相機等設(shè)備。作為相機，與膠卷的原理相似，光學圖像（即實際場景）穿過鏡頭投射到CCD上。

但與膠卷不同的是CCD沒有“曝光”能力，也沒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A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器與存貯設(shè)備，但可重復拍攝和即時調(diào)整，其影像可無限次復制而不降低質(zhì)量，也方便永久保存。

CMOS本來是計算機系統(tǒng)內(nèi)的一種重要芯片，它可保存系統(tǒng)引導所需的大量資料。在20世紀70年代初，有人發(fā)現(xiàn)，將CMOS引入半導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)量等方面都比當時的CCD差，因而未獲得發(fā)展。

隨著CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展，采用標準的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寐以求的。如今，CCD與CMOS兩者共存，CCD暫時還是“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)及工作原理對比

CCD是在MOS晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基本結(jié)構(gòu)是MOS（金屬—氧化物—半導體）電容結(jié)構(gòu)。它是在半導體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偏置電壓（稱柵電壓），就構(gòu)成了一個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去的MOS電容器，即在P型Si襯底上擴散一個N＋區(qū)域以形成P-N結(jié)二極管。通過多晶硅相對二極管反向偏置，于是在二極管中產(chǎn)生一個定向電荷區(qū)（稱之為耗盡區(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)對帶負電的電子而言、是一個勢能特別低的區(qū)域，因此通常又稱之為勢阱。投射光產(chǎn)生的光生電荷就儲存在這個勢阱之中，勢阱能夠儲存的最大電荷量又稱之為勢阱容量，勢阱容量與所加柵壓近似成正比。光敏二極管和MOS電容器相比，光敏二極管具有靈敏度高，光譜響應寬，藍光響應好，暗電流小等特點。

如果將一系列的MOS電容器或光敏二極管排列起來，并以兩相、三相或四相工作方式把相應的電極并聯(lián)在一起，并在每組電極上加上一定時序的驅(qū)動脈沖，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，用擴散的方法在其表面制作兩個高摻雜的N＋型區(qū)作為電極，即場效應管的源極和漏極，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，作為場效應管的柵極。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極，漏極接電源正極。當無圖像光信號照射到光敏二極管上時，源極和漏極之間無電流通過，因此無信號輸出；當有圖像光信號照射到光敏二極管上時，光敏元件的價帶電子獲得能量激發(fā)躍遷到導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。

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

在CMOS攝像器件中，電信號是從CMOS晶體管開關(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)對比

面陣CCD的成像點為X—Y縱橫矩陣排列，而每個成像點由一個光電二極管和其轉(zhuǎn)移控制的一個鄰近電荷存貯區(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、線轉(zhuǎn)移型與虛向型等。當光電二極管將光學圖像轉(zhuǎn)換為電荷圖像（電荷數(shù)量與光強度成正比）貯存于勢阱中時。

通過轉(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，然后通過二或三或四相時鐘驅(qū)動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。這種構(gòu)造產(chǎn)生的圖像具有低噪聲、高性能的特點，但需要二或三或四相時鐘驅(qū)動、柵偏壓、轉(zhuǎn)移控制及復位脈沖等，因此整個構(gòu)造復雜，增大了耗電量，也增加了成本。

而CMOS成像器的構(gòu)造如同一個存貯器，它將數(shù)字邏輯電路、時鐘及A/D轉(zhuǎn)換等在同一加工程序中集成在一起。每個成像點包含一個光電二極管，一個電荷/電壓轉(zhuǎn)換、一個重新設(shè)置和選擇管與一個放大器。整個成像器上復蓋計時應用和讀取信號的金屬互連器以及縱向排列的輸出信號互連器，信號讀取通過簡單的X-Y尋址技術(shù)直接從開關(guān)放大陣列中直接讀出，比CCD快和方便。

從成像器在產(chǎn)品應用上的外部結(jié)構(gòu)對比

CCD成像器需有外圍驅(qū)動電路才能工作，它僅能輸出模擬電信號，這種信號要經(jīng)后續(xù)的地址譯碼器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖像信號處理器處理，集成度非常低。如由面陣CCD構(gòu)成的數(shù)碼相機通常有六個芯片，有的多達八片，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)動電路，它是將光電二極管、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號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體廠家生產(chǎn)集成電路的流程即可。若構(gòu)成數(shù)碼相機，可將數(shù)碼相機的所有部件都集成到這一塊芯片上，即“單芯片相機”。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間，而且還大大縮小系統(tǒng)的體積和復雜度。

CMOS與CCD在制造工藝與設(shè)備上的對比

由于CCD成像器的信號需要一行一行地讀出，這樣，在離輸出放大器較遠的像素，電荷必須經(jīng)過多次傳輸才能被讀出，因此在CCD成像器件的制作上，必須使每個像素都完美無缺（即完好無損），否則某一列的信號便無法完整地讀出。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，否則會因電荷的屯積而造成影像污點。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?shù)闹圃旖?jīng)驗，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)廠商所壟斷。

而CMOS成像器件的制作比較簡單、容易，因為它只需要使用一般的半導體制造工藝與設(shè)備，不必自備昂貴的半導體制造工藝設(shè)備。只需將CMOS線路設(shè)計好，請一些半導體廠代為加工即可。因此，CMOS成像器件在開發(fā)及制造成本上很具競爭力。

CMOS與CCD在技術(shù)性能上的對比

信息讀取方式的對比

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鐘驅(qū)動脈沖的控制下，一位一位地實施轉(zhuǎn)移后逐行順序讀取。

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

速度的對比

由上知，CCD成像器件需在二、三、四相時鐘驅(qū)動脈沖的控制下，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的同時就可取出電信號，它并能同時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，再加上在同一芯片上做A/D轉(zhuǎn)換，圖像信號能快速地取出，因此它可在相當高的幀速下動作。如有些設(shè)計用來做機器視覺的CMOS，聲稱可以高達每秒1000個畫面的幀速。

電源及耗電量的對比

由于CCD的像素由MOS電容構(gòu)成，讀取電荷信號時需使用電壓相當大（至少12V）的二相或三相或四相時序脈沖信號，才能有效地傳輸電荷。因此CCD的取像系統(tǒng)除了要有多個電源外，其外設(shè)電路也會消耗相當大的功率。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的主要缺點是噪聲高及靈敏度低，因為CMOS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、磁干擾嚴重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大，開始很長一段時間無法進入實用。后來，噪聲的問題用有源像素（ActivePixel）設(shè)計及噪聲補正線路加以降低。近年，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷進展，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。已有廠商聲稱，所開發(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，是因為像素部分面積被用來制作放大器等線路。在固定的芯片面積上，除非采用更精細的制造工藝，否則為了維持相當水準的靈敏度，成像器件的分辨率不能做得太高（反過來說，固定分辯率的傳感器，芯片尺寸無法做得太小）。但目前，利用0.18μm制造技術(shù)己開發(fā)出了4096×4096超高分辨率的CMOS圖像傳感器。

CMOS與CCD在應用上的對比

CCD的發(fā)展已有32年的歷史，可以說是相當成熟的產(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的主流應用正逐漸從仿真攝像機、安全監(jiān)控攝像機等演進到數(shù)字多媒體應用，如數(shù)字攝像機（Digital Video Camcorder）、數(shù)字相機DSC（Digital Still Camera）等。

由于便攜式數(shù)字相機要求輕、薄、短小，百萬像素級的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。仿真式攝錄像機的CCD為配合PAL/NTSC電視制式，像素長寬比亦為4∶3和采用隔行讀取信號的方式。而專用的數(shù)字相機則強調(diào)方正像素（可減少信號處理所需的時間）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、中檔的影像應用主要是CCD，而對于一些新興產(chǎn)品，如PC相機、移動電話等，用CCD則無法滿足在電源消耗、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等級產(chǎn)品。CIF等級的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等級的CMOS成像器件的耗電量已降至30mw以下，因此多應用于手機等便攜式產(chǎn)品上。VGA等級的CMOS成像器件已由過去的1/3″至1/4″，轉(zhuǎn)至1/4″至1/5″。這一等級的CMOS成像器件的耗電量由過去的300mw降至100mw左右，它主要應用于PC相機，其次在DSC、PHS及TOY也有應用。

由于CMOS成像器件的體積小、耗電低，也用于保安隱蔽式監(jiān)控攝像以及作交互式玩具的“眼睛”。此外，還可開辟醫(yī)療市場應用，如CMOS用后即丟式攝像機（像藥丸大小），讓患者吞下，它就會經(jīng)過胃、小腸及大腸，隨糞便排出體外。當攝像機穿越體內(nèi)時，它會自己發(fā)光照明，每秒鐘拍攝兩張像片，并以無線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)化的影像傳送到計算機上。攝像機電池可使用8個小時，足以拍攝整個的小腸（因小腸的檢查一直是“盲點”）。顯然，這是CCD做不到的。

CMOS成像器件在VGA等級以上的分辨率表現(xiàn)，一直不如CCD來得優(yōu)異，因為高像素的CMOS成像器件必須要降低噪聲與提高靈敏度才能面對CCD的競爭。但CMOS成像器還可利用它的優(yōu)勢，即結(jié)合感光與影像處理以及辨識功能，使它成為一種高附加價值的智能型影像傳感器，而應用在一些較特殊的用途上，如機器視覺、人體面貌與指紋識別、動態(tài)檢測等。

結(jié)語

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

及配合便攜式產(chǎn)品市場的發(fā)展，集成化、小體積、低成本、低耗電仍是今后發(fā)展的重點。VGA的等級，耗電量已往100mw以下發(fā)展；CIF等級往40mw以下；QCIF等級往25mw以下突破。在單一電源的低工作電壓方面，目前已有廠商開發(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功能，使CMOS成為一種高附加價值的智能型影像傳感器而應用在較特殊的用途上（如機器視覺、動態(tài)檢測與自動辨識等）。

CMOS成像傳感器要想在百萬像素以上的數(shù)字相機與數(shù)字攝影機市場取代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。現(xiàn)在，二種階躍的復位柵電壓技術(shù)能將CMOS中的有源像素傳感器（APS）的動態(tài)范圍提高到90dB以上，利用線性-對數(shù)輸出模式，以及CMOS-DPS技術(shù)，還可使動態(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)域正面臨著一個重大轉(zhuǎn)折，盡管從目前的狀況看，CMOS與CCD圖像傳感器的應用市場仍然有一個分界，但這個界限似乎越來越模糊。隨著300萬像素以上的CMOS圖像傳感器的上市，圖像傳感器即將進入“CMOS時代”。而CMOS在制成高像素方面也有著一定的優(yōu)勢。

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)、高要求進入我們的世界。目前，高清網(wǎng)絡攝像機已成為一種必然趨勢。許多廠家都爭先恐后地推出自己的高清網(wǎng)絡攝像機。雖然，目前廣泛使用的感光元件仍是CCD，但CCD響應速度較低，不適用于高清監(jiān)控攝像機采用的高分辨率逐行掃描方式，因此高清監(jiān)控攝像機需普遍采用CMOS作為感光元件。

而目前致力于CMOS研究的廠商已經(jīng)研發(fā)出720P與1080P專用的CMOS器件，其寬動態(tài)、強光抑制、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、動態(tài)范圍寬、有USB計算機接口、能作成DPS、自動記時、隨機存取、無損讀取、抗光暈和耐輻射等特點，而有不可抗拒的廣闊的市場誘惑力和比CCD更加廣泛的應用發(fā)展前景。

編輯：jq