主頁（http://www.130131.com）：CMOS與CCD結(jié)構(gòu)及工作原理的對(duì)比

　　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 CoupledDevice)的簡稱，而CMOS是“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”(Complementary Metal OxideSemiconductor)的簡稱。CCD是1970年美國貝爾實(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(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，其影像可無限次復(fù)制而不降低質(zhì)量，也方便永久保存。

　　CMOS本來是計(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。下面從結(jié)構(gòu)、原理兩方面將兩者作一比較：

　　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(gè)偏置電壓(稱柵電壓)，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�？臻g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之為勢(shì)阱容量，勢(shì)阱容量與所加?xùn)艍航�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(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，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(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)，源極和漏極之間無電流通過，因此無信號(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(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(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。

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