CMOS与CCD的构造与原理分析

    CMOS与CCD的对比，CMOS是“互补金属氧化物半导体”的简称，而CCD是“电荷耦合器件”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。下面从结构、原理两方面将两者作一比较：
　　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。
　　在CMOS摄像器件中，电信号是从CMOS晶体管开关阵列中直接读取的，而不需要象CCD那样逐行读取。
　　由上基本结构与原理可知，从成像器件本身的内外部结构看，两者是不同的。
　　内部结构对比
　　面阵CCD的成像点为X—Y纵横矩阵排列，而每个成像点由一个光电二极管和其转移控制的一个邻近电荷存贮区(暂存区)组成。由于排列和组成方式不同，面阵CCD有帧转移型、行间转移型、帧行间转移型、线转移型与虚向型等。当光电二极管将光学图像转换为电荷图像(电荷数量与光强度成正比)贮存于势阱中时，通过转移控制很快转移到缓存区和电荷传输方向的移位寄存器中，然后通过二或三或四相时钟驱动脉冲向输出端一位位转移，经输出电路电荷/电压转换和放大器输出视频信号。这种构造产生的图像具有低噪声、高性能的特点，但需要二或三或四相时钟驱动、栅偏压、转移控制及复位脉冲等，因此整个构造复杂，增大了耗电量，也增加了成本。
　　而CMOS成像器的构造如同一个存贮器，它将数字逻辑电路、时钟及A/D转换等在同一加工程序中集成在一起。每个成像点包含一个光电二极管，一个电荷/电压转换、一个重新设置和选择管与一个放大器。整个成像器上复盖计时应用和读取信号的金属互连器以及纵向排列的输出信号互连器，信号读取通过简单的X-Y寻址技术直接从开关放大阵列中直接读出，比CCD快和方便。
　　从成像器在产品应用上的外部结构对比
　　CCD成像器需有外围驱动电路才能工作，它仅能输出模拟电信号，这种信号要经后续的地址译码器、模数转换器，图像信号处理器处理，集成度非常低。如由面阵CCD构成的数码相机通常有六个芯片，有的多达八片，最少也要三片，从而使体积不能减小，制作成本较高。
　　而CMOS成像器不需要外围驱动电路，它是将光电二极管、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换器、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，而且制造加工只需采用半导体厂家生产集成电路的流程即可。若构成数码相机，可将数码相机的所有部件都集成到这一块芯片上，即“单芯片相机”。因此，采用CMOS芯片的光电图像转换系统，不但能降低系统的整体成本与组装所需的时间，而且还大大缩小系统的体积和复杂度。