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短兵相接:CMOS与CCD图像传感器的疯狂较量

导读: 如今,CCD与CMOS已呈两者共存的局面,模拟产品CCD是主流,但高清产品CMOS逐步成为图像传感器的主角。究竟谁会笑到最后?下面我们对其结构、原理和优劣势进行一一对比。

  图像传感器包括CCD与CMOS两种。其中,CCD是“电荷耦合器件”(Charge Coupled Device)的简称,CMOS是“互补金属氧化物半导体”(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的简称。CCD是1970年美国贝尔实验室的W•B•Boyle和G•E•Smith等人发明的,从而揭开了图像传感器的序幕。据恒业国际控股集团生产中心经理刘勇介绍:“CCD是一种用于捕捉图像的感光半导体芯片,广泛运用于扫描仪、复印机、摄像机及无胶片相机等设备”,即光学图像(实际场景)经镜头投射到CCD上,随后将电子图像不停留地送入一个A/D转换器、信号处理器等器件。理论上说其能无限次地完成光电图像转换,方便长期使用,最终从摄像机输出的图像其图质很大程度上取决于CCD的品质。

  随CCD迅猛发展之时,有人发现CMOS引入半导体光敏二极管后也可作为一种感光传感器,但在分辨率、噪声、成像质量等方面都比当时的CCD差,故未获得实际的规模应用。近年,随着CMOS工艺技术的飞速发展,现在已能制造出高质量、低成本的CMOS成像器件,且已可实际投入大规模生产,其高速率、高集成、低功耗及成本低廉等特性已影响着行业内图像传感器选用走向。随之,CCD一统江湖的地位开始动摇,恒业国际刘勇表示:“如今,CCD与CMOS已呈两者共存的局面,模拟产品CCD是主流,但高清产品CMOS逐步成为图像传感器的主角。”究竟谁会笑到最后?下面我们对其结构、原理和优劣势进行一一对比。

  内外部:结构原理PK

  无论任何产品,品质的好坏主要取决于性能的优劣,而性能优劣的关键跟产品结构和工作原理又有着较大的关系,CCD和CMOS也既如此。

  基本组成

  CCD是在MOS晶体管的基础上发展起来的,其基本结构是MOS(金属—氧化物—半导体)电容结构。它是在半导体P型硅(Si)作衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度约1000?~1500?的SiO2,再在SiO2表面蒸镀一层金属(如铝),在衬底和金属电极间加上一个偏置电压(称栅电压),就构成了一个MOS电容器。所以,CCD是由一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器阵列构成的。

  而最基本的CMOS图像传感器是以一块杂质浓度较低的P型硅片作衬底,用扩散的方法在其表面制作两个高掺杂的N+型区作为电极,即场效应管的源极和漏极,再在硅的表面用高温氧化的方法覆盖一层二氧化硅(SiO2)的绝缘层,并在源极和漏极之间的绝缘层的上方蒸镀一层金属铝,作为场效应管的栅极。最后,在金属铝的上方放置光电二极管,这就构成了最基本的CMOS图像传感器。

  恒业国际刘勇解释道:“在CMOS摄像器件中,电信号是从CMOS晶体管开关阵列中直接读取的,而不像CCD那样需要逐行读取。”

  内部结构

  CCD成像器需有辅以较多的外围驱动电路才能工作,它仅能输出模拟电信号,这种信号要经后续的地址译码器、模数转换器,图像信号处理器等进行处理,CCD本身集成度相对较低。如有CCD数码相机常会有六个芯片组成,有的多达八片,最少也要三片,从而使相机体积不能减小,制作成本也较高。

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