主頁（http://www.130131.com）：固體圖像傳感器CMOS與CCD的比較 【中國集群通信網(wǎng)】目前，市場上應(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。 引言 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(dǎo)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(dǎo)體芯片，廣泛運用于掃描儀、復(fù)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(xué)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(fù)拍攝和即時調(diào)整，其影像可無限次復(fù)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(dǎo)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(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(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(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?xùn)艍航瞥烧取９饷舳䴓O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，藍光響應(yīng)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(yīng)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。
點擊查看大圖 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(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(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。入射圖像光信號越強，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(xué)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(fù)位脈沖等，因此整個構(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(fù)蓋計時應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(fù)雜度。
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