CMOS較量CCD 圖像傳感器競爭也“瘋狂”

時間：2012-08-05 08:14:15    第一對焦：傳感器CMOS較量CCD

圖像傳感器包括CCD與CMOS兩種。其中，CCD是“電荷耦合器件”(Charge Coupled Device)的簡稱，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，從而揭開了圖像傳感器的序幕。據恒業(yè)國際控股集團生產中心經理劉勇介紹：“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”，即光學圖像(實際場景)經鏡頭投射到CCD上，隨后將電子圖像不停留地送入一個A/D轉換器、信號處理器等器件。理論上說其能無限次地完成光電圖像轉換，方便長期使用，最終從攝像機輸出的圖像其圖質很大程度上取決于CCD的品質。

隨CCD迅猛發(fā)展之時，有人發(fā)現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、成像質量等方面都比當時的CCD差，故未獲得實際的規(guī)模應用。近年，隨著CMOS工藝技術的飛速發(fā)展，現在已能制造出高質量、低成本的CMOS成像器件，且已可實際投入大規(guī)模生產，其高速率、高集成、低功耗及成本低廉等特性已影響著行業(yè)內圖像傳感器選用走向。隨之，CCD一統江湖的地位開始動搖，恒業(yè)國際劉勇表示：“如今，CCD與CMOS已呈兩者共存的局面，模擬產品CCD是主流，但高清產品CMOS逐步成為圖像傳感器的主角?！本烤拐l會笑到最后？下面我們對其結構、原理和優(yōu)劣勢進行一一對比。

內外部：結構原理PK

無論任何產品，品質的好壞主要取決于性能的優(yōu)劣，而性能優(yōu)劣的關鍵跟產品結構和工作原理又有著較大的關系，CCD和CMOS也既如此。

基本組成

CCD是在MOS晶體管的基礎上發(fā)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。

而最基本的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(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光電二極管，這就構成了最基本的CMOS圖像傳感器。

恒業(yè)國際劉勇解釋道：“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，而不像CCD那樣需要逐行讀取?！?

內部結構

CCD成像器需有輔以較多的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(xù)的地址譯碼器、模數轉換器，圖像信號處理器等進行處理，CCD本身集成度相對較低。如有CCD數碼相機常會有六個芯片組成，有的多達八片，最少也要三片，從而使相機體積不能減小，制作成本也較高。

而CMOS成像器不需要附加的外圍處理電路，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都集成到一塊芯片上，且制造加工就如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一塊芯片上，即“單芯片相機”。因此，采用CMOS芯片的光電圖像系統，不但能降低系統的整體成本與組裝所需的時間，而且還大大縮小了系統的體積和減低了復雜度。

工作原理

天津天地偉業(yè)數碼科技有限公司產品中心經理郭輝介紹：“CCD是一種半導體成像器件，CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實施轉移后讀取，電荷信息轉移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復雜。”

因而，CCD處理信息的速度相對較慢外，其耗電量也相對較大；

而CMOS光電傳感器在光電轉換后就可取出電信號，讀取比較簡單，還能同時處理各像素單元的圖像信息，

CMOS光電傳感器只需單組電源工作，耗電量小，能達到節(jié)能作用。

技術指標：輸贏關鍵

評判一款產品性能好壞，總有幾個技術指標。對于CCD和CMOS傳感器來說，同樣也有幾個硬性指標。引用天地偉業(yè)郭輝的觀點：“傳感器的主要技術指標有像素、靶面尺寸、感光度、電子快門、幀率、信噪比等?！?

·像素。傳感器上有許多感光單元，它們可以將光線轉換成電荷，從而形成對應于景物的電子圖像。而在傳感器中，每一個感光單元對應一個像素(Pixels)，像素越多，代表著它能夠感測到更多的物體細節(jié)，從而圖像就越清晰。像素越高，意味著成像效果越清晰；