固体图像传感器CMOS与CCD的区别

目前，市场上应用的固体图像传感器主要有CCD与CMOS两种。本文从技术性能的角度、器件的内外部结构、原理、应用、生产制造的工艺与设备等方面将两者作比较，从目前看，两者各有优劣；从发展看，CMOS图像传感器将取代CCD而获得比CCD更为广泛的应用。

固体图像传感器(也称固体光电成像器件)有CCD与CMOS两种。CCD是“电荷耦合器件”(ChargeCoupledDevice)的简称，而CMOS是“互补金属氧化物半导体”(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)的简称。CCD是1970年美国贝尔实验室的W·B·Boyle和G·E·Smith等人发明的，从而揭开了电荷传输器件的序幕。此后，人们利用这一技术制造了摄像机与数码相机，将图像处理行业推进到一个全新领域。CCD是一种用于捕捉图像的感光半导体芯片，广泛运用于扫描仪、复印机、摄像机及无胶片相机等设备。作为相机，与胶卷的原理相似，光学图像(即实际场景)穿过镜头投射到CCD上。但与胶卷不同的是CCD没有“曝光”能力，也没有能力记录和存贮图像数据，而是将图像数据不停留地送入一个A/D转换器、信号处理器与存贮设备，但可重复拍摄和即时调整，其影像可无限次复制而不降低质量，也方便永久保存。

CMOS本来是计算机系统内的一种重要芯片，它可保存系统引导所需的大量资料。在20世纪70年代初，有人发现，将CMOS引入半导体光敏二极管后也可作为一种感光传感器，但在分辨率、噪声、功耗和成像质量等方面都比当时的CCD差，因而未获得发展。随着CMOS工艺技术的发展，采用标准的CMOS工艺能生产高质量、低成本的CMOS成像器件。这种器件便于大规模生产、其功耗低与成本低廉的特性都是商家们梦寐以求的。如今，CCD与CMOS两者共存，CCD暂时还是“主流”，但CMOS将取代CCD而成为图像传感器的主流。下面从技术性能、器件的内外部结构、原理、应用、生产制造的工艺与设备等方面将两者作一比较，最后归纳一比较表，并展望其发展前景。

基本结构及工作原理对比

CCD是在MOS晶体管的基础上发展起来的，其基本结构是MOS(金属—氧化物—半导体)电容结构。它是在半导体P型硅(si)作衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度约1000??1500?的SiO2，再在SiO2表面蒸镀一层金属(如铝)，在衬底和金属电极间加上一个偏置电压(称栅电压)，就构成了一个MOS电容器。所以，CCD是由一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器阵列构成的。

目前的CCD器件均采用光敏二极管代替过去的MOS电容器，即在P型Si衬底上扩散一个N+区域以形成P-N结二极管。通过多晶硅相对二极管反向偏置，于是在二极管中产生一个定向电荷区(称之为耗尽区)。在定向电荷区中，光生电子与空穴分离，光生电子被收集在空间电荷区中。空间电荷区对带负电的电子而言、是一个势能特别低的区域，因此通常又称之为势阱。投射光产生的光生电荷就储存在这个势阱之中，势阱能够储存的最大电荷量又称之为势阱容量，势阱容量与所加栅压近似成正比。光敏二极管和MOS电容器相比，光敏二极管具有灵敏度高，光谱响应宽，蓝光响应好，暗电流小等特点。如果将一系列的MOS电容器或光敏二极管排列起来，并以两相、三相或四相工作方式把相应的电极并联在一起，并在每组电极上加上一定时序的驱动脉冲，这样就具备了CCD的基本功能。

一般，最基本的CMOS图像传感器是以一块杂质浓度较低的P型硅片作衬底，用扩散的方法在其表面制作两个高掺杂的N+型区作为电极，即场效应管的源极和漏极，再在硅的表面用高温氧化的方法覆盖一层二氧化硅(SiO2)的绝缘层，并在源极和漏极之间的绝缘层的上方蒸镀一层金属铝，作为场效应管的栅极。最后，在金属铝的上方放置一光电二极管，这就构成了最基本的CMOS图像传感器。

为使CMOS图像传感器工作，必须在P型硅衬底和源极接电源负极，漏极接电源正极。当无图像光信号照射到光敏二极管上时，源极和漏极之间无电流通过，因此无信号输出;当有图像光信号照射到光敏二极管上时，光敏元件的价带电子获得能量激发跃迁到导带而形成图像光电子，因而在源极和漏极之间形成电流通路而输出图像电信号。入射图像光信号越强，在光敏材料中激发的导电粒子(电子与空穴)越多，从而使源、漏极之间的电流越大，因而输出信号越大。所以，输出信号的大小直接反映了入射光信号的强弱。