CCD 与CMOS 的图像传感器的研究(黄成华)

文献综述CCD 与CMOS 的图像传感的研究（黄成华）班级：电子信息工程1103 姓名：黄成华指导老师：徐老师一．前言70 年代初，随着MOS 技术的成熟，三种典型的固体图像传感—电荷耦合器件（CCD）、电荷注入器件（CID）、光敏二极管阵列（PDA）得到了发展。

在这三种固体图像传感器中，CCD 发展最为迅速。

CCD 器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展。

到90 年代初，CCD 技术已比较成熟。

作为一种新型光电转换器被广泛应用，特别是在图像传感和非接触式测量领域的发展则更为迅猛。

随着CCD 应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。

为此，人们又开发了另外几种固体图像传感器技术。

其中，最引人注目、最有发展潜力的是CMOS 图像传感器，它能获得和CCD 产品相似的图像质量，且在功耗、集成度上都取得了很大突破。

CMOS 图像传感器具有许多优点，如芯片内部集成了A ／D 转换器、输出为数字信号、外围线路简单、工作时不需要相位驱动脉冲、价格便宜等，这些优点使其很适合于桌面多媒体、视频会议、图像监控等场合。

目前用于图像传感的器件主要有CCD 和CMOS 两大类。

就目前的应用情况来看，CMOS 器件的成像质量还不如CCD 器件的成像质量好。

但由于CMOS 的很多优点，使得其一出现便受到广泛关注，其应用领域也逐渐扩大。

CMOS 器件在工艺等方面的改进，成像质量的改善，系统集成技术的应用。

二．主题本文介绍了CCD与CMOS图像传感器的原理、特点及发展趋势。

分别对CCD与CMOS 图像传感器的结构和工作原理进行对比研究，尤其是CMOS与CCD 两类图像传感之间的不同进行综述。

重点介绍了CMOS 图像传感器的应用技术和发展趋势。

三. 研究的背景和意义随着数码相机、手机相机的兴起，图像传感器正逐渐成为半导体产品中最耀眼的明星之一，而在图像传感器中，CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。

CCD传感器与CMOS传感器都在尽力克服自身的缺点，希望成为市场上的主流技术。

四. 本课题主要研究内容D与CMOS的工作原理及特点1.1 CCD的基本介绍及工作原理CCD 全称为“电荷耦合器件”，是上世纪70 年代以来逐步发展起来的半导体器件。

它是在MOS 集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。

它具有光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存贮和处理等方面得到了广泛的应用。

CCD 图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。

实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器，都用了CCD 作图像探测元件。

一个完整CCD 器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。

CCD 工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。

取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。

移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。

将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。

由于CCD 光敏元可做得很小（约10um），所以它的图像分辨率很高。

CCD 的基本单元是MOS 电容器，这种电容器能存贮电荷，其结构如图1-1 所示。

以P 型硅为例，在P 型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2 层，然后在SiO2 上淀积一层金属为栅极，P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2 绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。

于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO2 层形成负电荷层（耗尽层），电子一旦进入由于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。

当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2 层射入，或经衬底的薄P 型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。

光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光的记忆[2]。

图1-1用作少数载流子贮存单元的MOS图由分析可知，上述结构实质上是个微小的MOS 电容，用它构成象素，既可“感光”又可留下“潜影”，感光作用是靠光强产生的电子电荷积累，潜影是各个象素留在各个电容里的电荷不等而形成的，若能设法把各个电容里的电荷依次传送到输出端，再组成行和帧并经过“显影”就实现了图像的传递。

1. 2 CMOS基本介绍及工作原理CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)传感器，中文学名“为互补金属氧化物半导体”，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。

CMOS 的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在 CMOS 上共存着带 N（带-电）和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。

CMOS 传感器实际上是一个较完整的图像系统，它将图像传感部分、信号读出电路和控制电路集成在一块芯片上，CMOS传感器的总体组成结构如图1-2 所示，图1-2 CMOS传感器的总体组成主要由感光阵列、水平(垂直)控制和时序电路、模拟信号读出处理电路、人勺转换电路数字信号处理电路和接口电路组成。

感光阵列将光电产生的电流在水平(垂直)控制和时序电路的作用下读出到模拟信号读出处理电路，经A/D 转换变成数字信号，再经数字信号处理、电路处理，最后通过接口电路读入计算机。

CMOS的典型工作流程如图2-3 所示图1-3 CMOS典型工作流程2. CCD与CMOS传感器的对比CCD 和CMOS 图像传感器作为固体图像传感器领域的竞争对手，两者在性能表现上各有优劣。

本文主要从一下六个方面分析。

1.灵敏度：灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力。

CCD 图像传感器灵敏度较CMOS 图像传感器高30%～50%。

这主要因为CCD 的感光信号以行为单位传输，电路占据像素的面积比较小，这样像素点对光的感受就高些；而CMOS 传感器的每个像素由多个晶体管与一个感光二极管构成（含放大器与A/D 转换电路），使得每个像素的感光区域只占据像素本身很小的表面积，像素点对光的感受就低。

CCD像素单元耗尽区深度可达10nm，具有可见光及近红外光谱段的完全收集能力。

CMOS 图像传感器由于采用0.18～0.5mm 标准CMOS 工艺，且采用低电阻率硅片须保持低工作电压，像素单元耗尽区深度只有1～2nm，导致像素单元对红光及近红外光吸收困难[4]。

2.动态范围：动态范围表示器件的饱和信号电压与最低信号阈值电压的比值。

在可比较的环境下，CCD 动态范围较CMOS 高。

主要由于CCD 芯片物理结构决定通过电荷祸合，电荷转移到共同的输出端的噪声较低，使得CCD 器件噪声可控制在极低的水平。

CMOS 器件由于其芯片结构决定它具有较多的片上放大器、寻址电路、寄生电容等，导致器件噪声相对较大，这些噪声即使通过采用外电路进行信号处理、芯片冷却等手段，CMOS 器件的噪声仍不能降到与CCD 器件相当的水平。

CCD 的低噪声特性是由其物理结构决定的。

3.噪声：CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（有专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上做统一处理，可以保持资料的完整性；相对地，CMOS的设计中每个像素旁就直接连着ADC（放大兼模拟/数字信号转换器），信号直接放大并转换成数字信号。

CMOS 的造工艺较简单，没有专属通道的设计，因此必须先放大再整合各个像素的资料。

所以CMOS计算出的噪点要比CCD多，这将会影响到图像品质。

4.功耗：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，即感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出；而CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个像素中的电荷移动，除了在电源管理电路设计上的难度更高之外，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器。

5.响应速度：由于大部分相机电路可与CMOS图像传感器在同一芯片上制作，信号及驱动传输距离缩短，电感、电容及寄生延迟降低，信号读出采用X-Y寻址方式，CMOS图像传感器工作速度优于CCD。

通常的CCD 由于采用顺序传输电荷，组成相机的电路芯片有3～8片，信号读出速率超过70MPixels/s。

CMOS图像传感器的设计者将模数转换(ADC)作在每个像素单元中，使cM0s图像传感器信号读出速率可1000MPixels/s。

6.响应均匀性：由于硅片工艺的微小变化、硅片及工艺加工引入缺陷、放大器变化等导致图像传感器光响应不均匀。

响应均匀性包括有光照和无光照(暗环境)两种环境条件。

CMOS 图像传感器由于每个像素单元中均有开环放大器，器件加工工艺的微小变化导致放大器的偏置及增益产生可观的差异，且随着像素单元尺寸进一步缩小，差异将进一步扩大，使得在有光照和暗环境两种条件下CMOS 图像传感器的响应均匀性较CCD 有较大差距。

另外，从成本上来说，由于CMOS 传感器采用半导体电路最常用的CMOS 工艺，可以轻易地将周边电路（如AGC、CDS、时钟、DSP 等）集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本。

从分辨率上来看，CCD 可以做得更密，通常CCD 传感器的分辨率会优于CMOS 传感器的水平。

3. CCD的发展趋势CCD 图像传感器经过3U 多年的发展，从最初简单的8 像元移位寄存器发展至今，已具有数百万至上千万像元。

由于CCD 图像传感器具有很大的潜在市场和广阔的应用前景，因此，近年来国际上在这方面的研究工作进行得相当活跃，很多国家均投入了大量的人力、物力和财力，在CCD 图像传感器的研究和应用方面取得了瞩目的成果。

从目前CCD 技术的发展趋势来看，主要有以下几个方向：3.1 高分辨率。

目前CCD 像元数已从1UU 万像元提高到2UUU 万像元以上，大面阵、小像元的CCD 摄像机层出不穷。

美国EG&G·Retion 研制出8192 > 8192 像元高分辨率CCD 图像传感器。

随着超大规模微细加工技术的发展，CCD 传感器的分辨率将越来越高。

3.2 高速度。