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固体图像传感器CMOS与CCD的比较

导读: 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。

  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。

  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。

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