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介绍

CCD和CMOS成像器的相对优势已经被多次强调。看来只要大多数人都能回想起来，这个辩论还在继续，而且没有明确的结论。既然话题不是静态的，那么确定的答案是难以捉摸的就不足为奇了。技术和市场的发展不仅影响技术上的可行性，而且影响到商业上的可行性。成像仪的应用是多种多样的，不断变化的需求。一些应用最好由CCD成像器提供，一些由CMOS成像器提供。本文试图通过评估各种情况，阐明一些鲜为人知的技术权衡，并在成本上考虑成本因素，来增加讨论的清晰度。

Teledyne DALSA CCD（左）和CMOS（右）图像传感器

在一开始的时候...

CMOS（互补金属氧化物半导体）和CCD（电荷耦合器件）图像传感器是用于数字捕获图像的两种不同的技术。每台成像仪都有其独特的优势和劣势，在许多不同的应用领域提供优势。

两种类型的成像器传感器都可以将光转换为电荷，并将其转换为电子信号。在CCD传感器的情况下，每个像素的电荷通过极少数量的输出节点（通常只有一个）转换为电压，缓冲并作为模拟信号发送到片外。所有的像素都可以专用于光线捕捉，输出的均匀性（图像质量的一个重要因素）很高。

在CMOS传感器的情况下，每个像素都有自己的电荷 - 电压转换，传感器通常还具有数字化电路，放大器和噪声校正功能，以便芯片可以输出数字比特。这些其他功能不仅增加了设计的复杂性，而且还减少了可用于捕捉光线的面积。由于每个像素都在进行自己的转换，因此均匀性较低，但也非常平行，可实现高速的高总带宽。

CCD和CMOS成像器都依靠光电效应从光产生电信号

CCD和CMOS成像器都是在20世纪60年代末和70年代开发的（DALSA创始人Savvas Chamberlain博士是开发这两种技术的先驱者）。CCD图像传感器占主导地位，主要是因为他们提供的制造技术可以提供更好的图像。另一方面，CMOS图像传感器比硅晶圆代工厂在当时可以提供更小的特性和更均匀的性能。直到20世纪90年代，光刻技术才发展到设计人员可以再次开始制造CMOS图像传感器。

对CMOS成像器的重新兴趣是基于对片上集成电路的期望，降低功耗，以及通过重用主流逻辑和存储器件制造降低制造成本。实际上，在实际应用中实现这些优点，同时提供高质量的图像，比原来的预测更具有工艺适应性，时间和金钱，而CMOS图像传感器已经加入了CCD作为主流，成熟的技术。

消费类应用的高容量成像器

随着对更小元件和更低功耗的更高集成度的承诺，CMOS设计人员将精力集中在用于全球手机中最高容量图像传感器应用的成像器上。因此，开发和微调CMOS图像传感器和制造这些传感器的制造过程需要大量的投资。作为这项投资的结果，即使在像素尺寸缩小的情况下，图像质量也得到了显着改善。因此，在大容量消费区和线扫描成像器的情况下，基于几乎所有可以想象的性能参数，CMOS成像器取代CCD成像器。

手机驱动CMOS成像器的音量

机器视觉成像器

在机器视觉方面，面积和线扫描成像器在大量手机成像器投资的尾部上移动以取代CCD成像器。对于大多数机器视觉区域和线扫描成像器，CCD也是过去的技术。

对于机器视觉而言，CMOS图像传感器在CCD上的性能优势有一个简单的解释。速度和噪声是机器视觉的关键参数。

CCD和CMOS成像器的不同之处在于，信号从信号电荷转换成模拟信号，最后转换成数字信号。在CMOS区域和线扫描成像器中，这个数据路径的前端非常平行。这使得每个放大器都具有低带宽。当信号到达芯片外电路和成像器之间的数据通路瓶颈时，CMOS数据就稳固地处于数字领域。虽然高速CCD具有大量的并行快速输出通道，但并不像高速CMOS成像器那么平行。因此，每个CCD放大器都具有较高的带宽，这导致较高的噪声。因此，可以设计比高速CCD具有更低噪声的高速CMOS成像器。

不过，这个一般性陈述有很大的例外。

近红外成像仪

成像器需要在近红外（700至1000nm）处具有较厚的光子吸收区域以成像。这背后的原因是红外光子吸收比硅中的可见光子更深。

近红外成像中，硅太阳能电池的裂纹是显而易见的

大多数CMOS成像器制造工艺都是针对仅在可见光下成像的大容量应用进行调整的。这些成像器对近红外（NIR）相当不敏感，因为它们实际上被设计成在NIR中尽可能不敏感。如果较厚的外延层不与较高的像素偏置电压或较低的外延掺杂水平结合，则增加衬底的厚度（或者更准确地说，外延层或外延层厚度）以增强红外灵敏度将降低成像仪解析空间特征。改变电压或外延掺杂将影响CMOS数字和模拟电路的操作。

有可能制作具有更厚外延层的CD，同时保护其解决精细空间特征的能力。在某些近红外CCD中，epi的厚度大于100微米，与大多数CMOS成像器的5至10微米厚的epi相反。此外，对于较厚的epi，需要对CCD像素偏置和epi浓度进行修改，但是对CCD电路的影响比对CMOS更易于管理。

特别设计成在近红外高度敏感的CCD比CMOS成像器更敏感。

紫外成像仪

由于紫外光子被非常靠近硅表面吸收，所以紫外成像器不应该具有妨碍紫外光子吸收的氮化物，多晶硅或厚氧化层。当代的UV成像器因此背面变薄，大部分仅在硅成像表面上具有非常薄的AR涂层。

今天的深亚微米光刻需要深紫外光进行质量检测

虽然背面变薄被广泛用于移动影像器，但紫外线的反应并不是这样。为了获得稳定的UV响应，成像器表面需要特殊的表面处理，而不管成像器是CCD还是CMOS。为了可见光成像而开发的几种背面薄型成像器具有厚的氧化层，在长时间的紫外线照射后会变色并吸收紫外线。某些背面减薄的成像器具有被高度掺杂的硼层钝化的成像表面，该硼层延伸到硅外延太深，导致大部分UV光生电子被重组失去。

在所有线扫描成像仪中可以实现背面变薄和UV响应，但不是所有的区域成像仪。全局快门区域的CCD都不能背面减薄。CMOS区域成像器的情况更好，但不是没有权衡。CMOS区域成像器卷帘可以背面变薄。传统的CMOS全局快门区域成像器在每个像素中都有存储节点，如果这些紫外线敏感的成像器也将在可见光下成像，那么这些存储节点必须在减薄过程中进行屏蔽。在背面变薄的区域成像器中，部分像素不能有效地保护其不受入射照明的影响，而不显着降低成像器的填充因子（光敏区域与总像素区域的比率）。其他类型的CMOS全局快门区域成像器可用，没有光敏存储节点，但具有较高的噪音，较低的满井，卷帘快门，或这些组合。

时间延迟和成像器集成

除区域和线扫描成像仪外，还有另一种重要类型的成像仪。时间延迟和积分（TDI）成像器通常用于机器视觉和遥感，它们的功能与线扫描成像器非常相似，除了TDI有大量线路，通常有数百线。对象的快照由每行捕获，随着对象的图像移过它。当信号较弱时TDI非常有用，因为对象的多个快照合并在一起产生更强的信号。

TDI成像器结合了与物体运动同步的多次曝光

CCD和CMOS TDI现在将多个快照求和。CCD和CMOS TDI分别结合了信号电荷和电压信号。在CCD中，求和操作是无噪声的，但CMOS不是这种情况。如果在CMOS TDI中有多于一定数量的行，则来自求和操作的噪声加起来，即使是最复杂的CMOS TDI也将具有比现代CCD TDI更多的噪声。

CMOS TDI朝着正确的方向迈出的一步是通过具有可随后对电荷求和的类CCD像素来模拟CCD TDI。这可以被称为电荷域CMOS TDI。虽然CMOS TDIs的电荷域在技术上是可行的，但它们需要相当大的投资来开发，微调和完善。CMOS区域和线扫描成像器是经济的，但是对于电荷区域CMOS TDI来说是不可能的。手机既不需要TDI也不需要求和。因此，CMOS TDIs没有搭配的辫子。

电子倍增

电子倍增CCD（EMCCD）是具有结构的CCD，其以乘法过程中所添加的噪声的方式来乘以信号电荷包。这导致净信噪比（SNR）增益。在信号如此微弱以至于几乎不在成像器本底噪声之上的应用中，EMCCD可以检测到之前难以分辨的信号。

EMCCD对于非常低的信号应用非常有用，通常用于科学成像

与CMOS相比，EMCCD在成像器不需要高速成像时最为有利。通过更高的速度操作增加了CCD中的读取噪声。因此，即使在EMCCD的SNR提高之后，CMOS和EMCCD成像仪之间可能没有太大差别，特别是与专门设计为具有最小读噪声的科学CMOS成像器相比时。与传统的成像器相比，高速EMCCD也消耗更多的功率。

低噪声CMOS成像器可能没有集成CCD的优点的UV，NIR或TDI。因此，由于信号可能非常弱，即使读取的噪声与EMCCD可以达到的水平相当，EMCCD解决方案仍然可能总体上更好。

成本考虑

到目前为止，已经讨论了CCD和CMOS成像器之间的性能差异。不能认为业务决策纯粹是基于性能的权衡。对于许多商业决策者来说，所付出的价格或收到的价格是最重要的。

杠杆，数量，产量和每片晶圆的器件数量都会影响成本

由于成本情况可能很复杂，因此只讨论几个重要的问题。

首先，杠杆是关键。很显然，市场上现成的成像器的价格远远低于完整的定制成像器，无论它是CCD还是CMOS成像器。当需要定制时，除非变化较小，否则开发定制CCD比开发定制CMOS成像器更经济。CMOS使用更昂贵的深亚微米掩模，因此开发CMOS成像器通常更昂贵。而且，设计CMOS器件需要更多的电路。因此，即使在定制CMOS成像器性能更好的应用中，价值主张仍然可以倾向于定制CCD。

其次，数量很重要。虽然开发新型CMOS成像器的成本相对较高，但可以从更大规模经济中获益的CMOS成像器的单位成本更低。在大量生产的情况下，较低的单位成本在经济上可能比开发成本低。

第三，供应安全是重要的。如果使用围绕不再使用的成像器设计的产品，则成本可能非常高。尽管拥有更好的价值主张，但决定最能生产成像器-CCD或CMOS的公司是明智的选择。

结论

为应用选择合适的成像器并不是一件容易的工作。不同的应用需求不同的需求 这些要求施加了影响价格和性能的限制。由于这些复杂性，在所有应用场合中，CCD与CMOS成像器之间的通用声明是不可能的。

在大多数可见成像应用中，CMOS面积和线扫描成像器的性能比CCD好。在TDI CCD中，CMOS TDI在高速，低照度应用中表现优异。当需要在NIR中成像时，对于某些区域和线扫描应用，CCD可能是更合适的选择。要在紫外线下成像，表面处理后背变薄是关键，全局快门要求也是关键。对低噪声的需求带来了新的限制，CMOS在高读出速度下通常仍然优于CCD。基于杠杆，数量和电源安全性，价格性能权衡可能有利于CMOS或CCD成像器。

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