主頁（http://www.by236.com）：CMOS與CCD結構及工作原理的對比

　　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“互補金屬氧化物半導體”(Complementary Metal OxideSemiconductor)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，人們利用這一技術制造了攝像機與數碼相機，將圖像處理行業推進到一個全新領域。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據，而是將圖像數據不停留地送入一個A/D轉換器、信號處理器與存貯設備，但可重復拍攝和即時調整，其影像可無限次復制而不降低質量，也方便永久保存。

　　CMOS本來是計算機系統內的一種重要芯片，它可保存系統引導所需的大量資料。在20世紀70年代初，有人發現，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、功耗和成像質量等方面都比當時的CCD差，因而未獲得發展。隨著CMOS工藝技術的發展，采用標準的CMOS工藝能生產高質量、低成本的CMOS成像器件。這種器件便于大規模生產、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。下面從結構、原理兩方面將兩者作一比較：

　　CCD是在MOS晶體管的基礎上發展起來的，其基本結構是MOS(金屬—氧化物—半導體)電容結構。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+區域以形成P-N結二極管。通過多晶硅相對二極管反向偏置，于是在二極管中產生一個定向電荷區(稱之為耗盡區)。在定向電荷區中，光生電子與空穴分離，光生電子被收集在空間電荷區中。空間電荷區對帶負電的電子而言、是一個勢能特別低的區域，因此通常又稱之為勢阱。投射光產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在一起，并在每組電極上加上一定時序的驅動脈沖，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。

　　由上基本結構與原理可知，從成像器件本身的內外部結構看，兩者是不同的。

　　內部結構對比

　　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移控制的一個鄰近電荷存貯區(暫存區)組成。由于排列和組成方式不同，面陣CCD有幀轉移型、行間轉移型、幀行間轉移型、線轉移型與虛向型等。當光電二極管將光學圖像轉換為電荷圖像(電荷數量與光強度成正比)貯存于勢阱中時，通過轉移控制很快轉移到緩存區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動脈沖向輸出端一位位轉移，經輸出電路電荷/電壓轉換和放大器輸出視頻信號。這種構造產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動、柵偏壓、轉移控制及復位脈沖等，因此整個構造復雜，增大了耗電量，也增加了成本。

　　而CMOS成像器的構造如同一個存貯器，它將數字邏輯電路、時鐘及A/D轉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/電壓轉換、一個重新設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尋址技術直接從開關放大陣列中直接讀出，比CCD快和方便。

　　從成像器在產品應用上的外部結構對比

　　CCD成像器需有外圍驅動電路才能工作，它僅能輸出模擬電信號，這種信號要經后續的地址譯碼器、模數轉換器，圖像信號處理器處理，集成度非常低。如由面陣CCD構成的數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、模數轉換器、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集成電路的流程即可。若構成數碼相機，可將數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芯片的光電圖像轉換系統，不但能降低系統的整體成本與組裝所需的時間，而且還大大縮小系統的體積和復雜度。

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