目前，市場(chǎng)上應(yīng)用的固體圖像傳感器主要有CCD與CMOS兩種。本文從技術(shù)性能的角度、器件的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用、生產(chǎn)制造的工藝與設(shè)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(yīng)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(jiǎn)稱，而CMOS是“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)的簡(jiǎn)稱。CCD是1970年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)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(shù)制造了攝像機(jī)與數(shù)碼相機(jī)，將圖像處理行業(yè)推進(jìn)到一個(gè)全新領(lǐng)域。CCD是一種用于捕捉圖像的感光半導(dǎo)體芯片，廣泛運(yùn)用于掃描儀、復(fù)印機(jī)、攝像機(jī)及無(wú)膠片相機(jī)等設(shè)備。作為相機(jī)，與膠卷的原理相似，光學(xué)圖像(即實(shí)際場(chǎng)景)穿過(guò)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(gè)A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器與存貯設(shè)備，但可重復(fù)拍攝和即時(shí)調(diào)整，其影像可無(wú)限次復(fù)制而不降低質(zhì)量，也方便永久保存。

CMOS本來(lái)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的一種重要芯片，它可保存系統(tǒng)引導(dǎo)所需的大量資料。在20世紀(jì)70年代初，有人發(fā)現(xiàn)，將CMOS引入半導(dǎo)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(zhì)量等方面都比當(dāng)時(shí)的CCD差，因而未獲得發(fā)展。隨著CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展，采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝能生產(chǎn)高質(zhì)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(mèng)寐以求的。如今，CCD與CMOS兩者共存，CCD暫時(shí)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(shù)性能、器件的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用、生產(chǎn)制造的工藝與設(shè)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(jié)構(gòu)及工作原理對(duì)比

CCD是在MOS晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其基本結(jié)構(gòu)是MOS(金屬—氧化物—半導(dǎo)體)電容結(jié)構(gòu)。它是在半導(dǎo)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(gè)偏置電壓(稱柵電壓)，就構(gòu)成了一個(gè)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(gòu)成的。

目前的CCD器件均采用光敏二極管代替過(guò)去的MOS電容器，即在P型Si襯底上擴(kuò)散一個(gè)N+區(qū)域以形成P-N結(jié)二極管。通過(guò)多晶硅相對(duì)二極管反向偏置，于是在二極管中產(chǎn)生一個(gè)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�？臻g電荷區(qū)對(duì)帶負(fù)電的電子而言、是一個(gè)勢(shì)能特別低的區(qū)域，因此通常又稱之為勢(shì)阱。投射光產(chǎn)生的光生電荷就儲(chǔ)存在這個(gè)勢(shì)阱之中，勢(shì)阱能夠儲(chǔ)存的最大電荷量又稱之為勢(shì)阱容量，勢(shì)阱容量與所加?xùn)艍航�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(yīng)寬，藍(lán)光響應(yīng)好，暗電流小等特點(diǎn)。如果將一系列的MOS電容器或光敏二極管排列起來(lái)，并以兩相、三相或四相工作方式把相應(yīng)的電極并聯(lián)在一起，并在每組電極上加上一定時(shí)序的驅(qū)動(dòng)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(zhì)濃度較低的P型硅片作襯底，用擴(kuò)散的方法在其表面制作兩個(gè)高摻雜的N+型區(qū)作為電極，即場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管的柵極。最后，在金屬鋁的上方放置一光電二極管，這就構(gòu)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(fù)極，漏極接電源正極。當(dāng)無(wú)圖像光信號(hào)照射到光敏二極管上時(shí)，源極和漏極之間無(wú)電流通過(guò)，因此無(wú)信號(hào)輸出;當(dāng)有圖像光信號(hào)照射到光敏二極管上時(shí)，光敏元件的價(jià)帶電子獲得能量激發(fā)躍遷到導(dǎo)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(hào)。入射圖像光信號(hào)越強(qiáng)，在光敏材料中激發(fā)的導(dǎo)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(hào)越大。所以，輸出信號(hào)的大小直接反映了入射光信號(hào)的強(qiáng)弱。