目前，市場上應用的固體圖像傳感器主要有CCD與CMOS兩種。本文從技術性能的角度、器件的內(nèi)外部結構、原理、應用、生產(chǎn)制造的工藝與設備等方面將兩者作比較，從目前看，兩者各有優(yōu)劣；從發(fā)展看，CMOS圖像傳感器將取代CCD而獲得比CCD更為廣泛的應用。

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”(ChargeCoupledDevice)的簡稱，而CMOS是“互補金屬氧化物半導體”(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)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(shù)碼相機，將圖像處理行業(yè)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(shù)據(jù)，而是將圖像數(shù)據(jù)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(tǒng)內(nèi)的一種重要芯片，它可保存系統(tǒng)引導所需的大量資料。在20世紀70年代初，有人發(fā)現(xiàn)，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(fā)展。隨著CMOS工藝技術的發(fā)展，采用標準的CMOS工藝能生產(chǎn)高質量、低成本的CMOS成像器件。這種器件便于大規(guī)模生產(chǎn)、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。下面從技術性能、器件的內(nèi)外部結構、原理、應用、生產(chǎn)制造的工藝與設備等方面將兩者作一比較，最后歸納一比較表，并展望其發(fā)展前景。

基本結構及工作原理對比

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。

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(qū)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(chǎn)生一個定向電荷區(qū)(稱之為耗盡區(qū))。在定向電荷區(qū)中，光生電子與空穴分離，光生電子被收集在空間電荷區(qū)中。空間電荷區(qū)對帶負電的電子而言、是一個勢能特別低的區(qū)域，因此通常又稱之為勢阱。投射光產(chǎn)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(lián)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(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(fā)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(fā)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。