1、CCD與 CMOS寸比，孰能更勝一籌?難以定論一直以來，人們總是在討論 CMOS口 CCD兩種成像器之間的比較優勢。雖然 關于哪個更勝一籌的爭論紛紜已久，但自始至終卻沒有任何定論浮出水面。由于 人們關注的主題總在不斷變化，因此，關于問題的答案也是不確定的。 科技在進 步，市場也日新月異，影響產品競爭力的因素不再只是技術，還包括商業利益。 成像器的應用范圍也發生了變化，需要滿足更多不同的需求。有一些應用是 CMO成像器的強項，另一些則是 CCD勺優勢。在本文中，我們將深入探討兩種 成像器 在不同領域的優劣勢，并向大家介紹一些鮮為人知的技術和成本因素。Teledyne DALSA CCD（左） 和

2、CMOS （右）圖像傳感器弓丨言.CCD （電荷耦合器件）和CMOS互補性氧化金屬半導體）圖像傳感器是兩 種不同的數字影像捕捉技術。在不同的應用中，二者的優勢和劣勢也不同。-'noteCCD和CMOS成像器都是利用光電效應通過光產生電子信號也就是說，成像器將光先轉換為電荷，然后進一步處理成為電子信號。在 CCD專感器中，每一個像素捕獲的電荷通過有限數量的輸出節點 （通常只有一個） 轉移，轉 換成電壓信號后保存到緩沖區，再從芯片作為模擬信號傳輸出去。所 有的像素都可以用于光子捕獲，輸出信號的均勻性相當高，而信號的均勻性是決 定圖像質量的關 鍵因素。對CMO傳感器而言，每一個像素都有自己的

3、電荷到電 壓轉換機制，傳感器通常也包括放大器、噪聲校正和數字化處理電路，因而CMOS 芯片輸出的是 數字“位”。這些功能增加了 CMOS傳感器設計的復雜性，也減 少了捕獲光子的有效面積。考慮到CMOS傳感器的每一個像素都承擔自身的轉換 任務，因而輸出信號的均勻性較低。但是有賴于大規模并行處理架構，CMO傳感器的總帶寬較高，速度也更快。CC和CMO成像器均誕生于20世紀60年代末和70年代，DALSA創始人 Savvas Chamberlain博士正是研發這兩項技術的先驅者。CCD在當時成為主導產 品，最主要的原因在當時有限的制造工藝下，CC岡以呈現質量極高的影 像。CMO圖像傳感器要求要求更高

4、的傳輸均勻性，以及更小的特征，當時的硅片加 工技術并不能滿足。一直到20世紀90年代，平版刻法技術發展到一定程度， 設計者才有能力開始設計具有實際意義的 CMOS成像裝置。人們對CMOS專感器 成像裝置重新產生了興趣，主要原因在于：因為重新采用了主流邏輯思維和存儲 裝置的制造工藝，CMO傳感器有望降低功率消耗、實現照相機與芯片集成并降低制造成本。要在實踐中實現CMOS勺這些好處，同時還要保障高質量的影像， 這就需要花費更多的時間、金錢，并增加工藝投入。不過，可喜的是，此時，CMOS 成像器終于能夠和CDD一樣，成為一種成熟的主流技術。滿足客戶應用需求的大規模成像器手機對提高CMOS成像器的規模

5、起了推動作用為了實現低能耗和小型組件的高度集成，CMO設計師開始關注開發手機成 像器一一世界上規模最大的成像器應用。大量資金投入到開發和微調CMO成像器及其 生產工藝方面。正因為此，CMO成像器的圖像質量即使在像素尺寸收縮 的情況下仍然大為改善。因此，在大批量消費類面陣和線陣傳感器上， 無論是哪 一個性能參數，CMO傳感器都勝過CCD機器視覺成像器就機器視覺而言，受到大量手機成像器投資的推動，CMO面陣和線陣成像器開始超越了 CDD成像器。對于大多數的機器視覺面陣和線陣成像器而言，CCD已不再具備技術優勢。CCO LineacatiAnalog bottltrneckmassively por

6、olirl oriaK>g - low noiseCMOS L k*cs<-rjfi現在我們將簡要描述CMO成像器在機器視覺上優于CCD的原因。機器視覺的關 鍵參數是速度和噪聲。CMO和 CCD成像器主要差別是信號從信號電荷轉換至模 擬信號并最終轉換至數字信號的不同方式。在 CMOSS陣和線陣成像器中，數據 通路的前端是大規模并行的。這樣，每個放大器都擁有低帶寬。當信號到達數據 通路瓶頸，通常是成像器和芯片外電路系統之間 的接口時，CMO數據已經是數 字的。相比之下，高速CCD盡管也有很多并行高速輸出通道， 但數量規模卻不及 高速CMOS成像器。因此，CCD放大器的帶寬更高，噪聲也

7、更大。也就是說，高 速CMO成像器的設計噪聲可低于高速CCD 然而，有時也會出現例外情況近紅外成像器Visible太陽能電池的硅片裂紋將會十分清晰地顯示在近紅外光譜成像上成像器必須具備較厚的光子吸收區域， 才能在近紅外（700至1000nm光譜 上成像。這是因為與可見光子相比，紅外光子的吸收深度更深。多數CMO成像器的制造工藝是針對可見光影像的大規模應用設計的。這些 成像器對近紅外（NIR）并不十分敏感。事實上，成像器制造工藝盡可能降低對NIR的敏感程度。如果在具備較厚外延層的條件下，CMO成像器無法實現較高的 像素偏壓或較低的外延摻雜度，那么通過增加基片厚度，更精確地說，是外延或 外延層的厚

8、度，改善紅外敏感度將會降低成像器的空間特征分辨能力。改變電壓或外延摻雜度將會影響CMOS?擬和數字電路的運作。相反，CCDt具備較厚的外延層的同時，能夠很好地保持精密空間特征分辨能力。 某些近紅外CCD勺外延厚度可達100微米，而CMO成像器的外延厚度僅為5至 10微米。CCD勺像素偏置和外延濃度也必須作出調整，形成更厚的外延，然而 與CMOS!比，這種調整對于CCD電路的影響更易控制。專門針對近紅外設計的高敏感度 CCD成像器比CMO成像器的敏高度要高得多紫外成像器如今，深亞微米光刻技術采用遠紫外線進行質量檢測由于紫外光子在十分靠近硅表面時被吸收，因此紫外成像器不能采用可能阻 礙紫外光子吸收

9、的多晶硅層、氮化物層或厚氧化層。現代紫外成像器的背面都經 過了減薄處理，多數只會在硅成像表面的上方加上一層薄薄的抗反射膜。雖然背面減薄技術在移動成像器上已屢見不鮮，然而在紫外成像上卻并非如 此。無論是CMO或是CCD成像器表面必須經過特殊的表面處理，才能夠獲 得 穩定的紫外響應。某些針對可見光成像設計的背面減薄成像器都貼有一層較厚的 氧化膜，可在紫外成像時改變或吸收紫外光。某些背面減薄成像器的成像表面則 經過高硼摻雜膜的鈍化處理，可延展硅外延的深度，從而導致大量紫外光生光 子在復合過程丟失。紫外響應和背面減薄技術可應用在所有線陣成像器上，但不能應用在所有面 陣成像器上。所有全局快門面陣CCD成

10、像器均不可采用背面減薄。在這點上，雖 然有些代價，但是CMO面陣成像器的情況較好。卷簾快門面陣CMO成像器可背 面減薄。如果紫外敏感成像器也需要在可見光中成像，傳統CMO全局快門面陣 成像器的每個像素的存儲節點經過背面減薄處理后需要被遮擋。背面減薄成像器無法有效地屏蔽部分像素的入射光， 除非大大降低成像器的填充系數（光敏感面 積與總像素面積的比率）。有些類型的 CMO全局快門面陣成像器盡管沒有光敏 感存儲節點，但是具備以下全部或部分特性：高噪聲、低阱容或卷簾快門。時間延遲積分成像器除了面陣和線陣成像器外，時間延遲積分成像器也是一種重要的成像器類 型。時間延遲積分（TDI）成像器通常用于機器視覺

11、和遙感操作。它的操作與線 陣成像器類似，不同之處在于時間延遲積分成像器擁有上百條線陣。當物體影像移動通過每條線時，每條線都會 捕捉到物體的快照。因為在時間延遲積分成像 器中，物體的多重快照能夠相加在一起，從而產生強烈的信號，因此時間延遲積 分成像器特別適合信號很弱的情況。如今，CC刖CMOS寸間延遲積分成像器相加多重快照的方式有所不同。CCD將信號電荷相加在一起，而CMOSU將電壓信號相加在一起。CC岡實現無噪聲 相加，但CMO不能。當CMO時間延遲積分成像器的行數較多時， 相加的噪聲極 高。即使是最先進的CMOS寸間延遲積分成像器，它的噪聲也不可能比 CCD寸間 延遲積分成像器低。CMOS寸

12、間延遲積分成像器的一個發展方向在于模擬 CCD時間延遲積分成 像器，使其具備類似CCD的像素，從而實現電荷相加。我們稱之為電荷域 CMOS 時間延遲積分成像器。電荷域CMOS寸間延遲積分成像器在技術上是可行的，但 是如果需要進一步開發、微調和完善這一技術需要投入更多的成本。與CMO面陣和線陣成像器相比，電荷域 CMOS寸間延遲積分成像器的成本很高。手機既不 需要時間延遲積分成像器也不需要相加電荷。因此，CMOS寸間延遲積分成像器的前景并不太樂觀。電子倍增EMCCD是低信號應用的絕佳選擇，特別是在科學成像應用電子倍增CCD(EMCCD是指帶有相乘信號電荷包結構的 CCD同時避免在相 乘過程中帶來

13、噪聲。因此，凈信噪比(SNR)增加了。在信號微弱至略高于成像器 本底噪聲的應用中，EMCC能夠檢測到先前難以檢測到的信號。在無需高速成像的應用中，EMCC的性能優于CMOS高速操作會增加CCD 的讀出噪聲。因此，對于改進了信噪比的EMCCDEMCC和 CMO成像器的差別并 不大，特別是 專為低讀出噪聲設計的科學級 CMO成像器。與傳統成像器相比， 高速EMCC還可顯著降低功率。低噪聲CMO成像器在信噪比、紫外吸收或時間延遲積分方面的性能不及 CCD有鑒于此，由于信號可能很弱，即使其他成像器能夠達到EMCC所具備的讀出噪聲，但是EMCC解決方案從整體上而言也是最具優勢的。成本因素影響成本的因素包

14、括價格杠桿、規模、產量和每晶圓的設備數量至此為止，我們已經討論了 CMO和CCD成像器在性能上的不同點。如果認為商 業決策的決定因素只有性能，那這個想法實屬天真。許多商業決策者更多關注的 是產品的價值，或者說是在相同價格下能夠獲取的性能有多少。成本因素十分復雜，本文只關注最重要的幾點。首先，價格杠桿是關鍵。正如前述風險所述，無論是 CMO或是CCD市場在售 的成像器的價格比全定制成像器低得多。 如果非要定制，除非變化很小，那么定 制CCDS像器的價格一般低于定制 CMOS勺價格。由于CMO成像器采用的深亞微 米掩膜價格較高，因此CMO成像器的研發價格也相應地高于 CCD成像器。此外, CMO設

15、備需要設計的電路也更多。因此，即使定制CMO成像器的應用性能較好， 但是考慮到價格因素，客戶仍然更加親睞定制 CCD成像器。第二，規模。雖然研發新款CMO成像器的價格較高，考慮到CMO成像器的規模 經濟，其單位成本卻相對較低。在考慮規模后，與低研發成本相比，低單位成本 顯然更具吸引力。第三，供應安全性。如果成像器的相關產品斷產，也將大大增加成本。除價格因 素外，選擇一個能夠持續生產成像器 -CMOS或 CCD-的公司也很重要。結論根據特定應用要求選擇一個正確的成像器絕非易事。不同應用有不同的要 求。這些要求將對性能和價格產生影響。 鑒于上述種種復雜因素， 難以斷言 CMOS 或CCD成像器在所有應用中哪個更勝一籌也就不足為奇了。