数码相机之眼——CCD与CMOS

周新
1999年 第28期 40版

    光电传感器是将光信号转换为电信号的装置，它在图像输入领域有着广泛的应用。光电传感器在数码相机中负责捕捉影像的重要工作，是决定数码相机成像质量的重要器件。目前，数码相机采用的光电传感器有CCD电荷耦合器和CMOS光电传感器。本文讨论CCD电荷耦合器和CMOS光电传感器的有关技术。
#1    一、CCD电荷耦合器
    CCD（Charge－Coupled Device） 电荷耦合器是1970年以来发展起来的一种半导体器件，起步早、技术成熟，在数码相机、扫描仪、摄像机中得到广泛的应用，外观如^284001a^1所示。
#1    1.结构
    CCD电荷耦合器由众多（现已可达两百万个）微小的光敏元件、电荷转移电路、电荷信息读取电路组成。
    CCD电荷耦合器以一块杂质浓度较低的P型硅片作衬底，然后在硅片表面用高温氧化的方法覆盖二氧化硅（SiO2）绝缘层，在绝缘层上方制作金属铝电极，金属铝电极上方放置光敏元件。
    光敏元件在CCD电荷耦合器表面成矩阵排列，就像一行行、一列列整齐排列放置的“小桶”，光线进行入数码相机后像雨滴样撒入各个“小桶”中，每个“小桶”代表一个像素。快门开启到关闭的拍摄过程，就是光敏元件感应光信号的过程。
    为避免各光敏元件之间的信号相互干扰，在半导体P型硅衬底上应有必要的隔离措施，高档CCD采用二氧化硅（SiO2）隔离，低档CCD在P型硅衬底上制作反向的PN结实施隔离。
#1    2.工作原理
    CCD电荷耦合器采集图像信号可分为三个过程，首先将光信号转换成电荷；然后在MOS存储器中暂时存放；最后用时钟脉冲顺序扫描读出信息，工作原理如^284001b^2。
    ·采光积累电荷
    当入射光照射到光敏元件上时，由于光线（光量子）的激发，使光敏材料中的导电粒子（电子空穴对）增加，在金属电极下的P型硅衬底上表面形成电荷积累。入射光越强，在光敏材料中激发的导电粒子（电子空穴对）越多，形成的电荷积累也越多。
    ·电荷转移及电荷信息读取
    为取出存储区中积累的电荷信息，在金属铝电极和P型硅衬底加上同步控制电压，使存储区中积累的电荷向下一电荷存储区转移，送至电荷信息读取电路读出。也就是说，CCD电荷耦合器像串行移位寄存器一样，以行为单位一位一位地输出信息，实施电荷转移输出。
    电荷转移电路、电荷信息读取电路的构造和原理较为复杂，需在P型硅衬底上制作电荷转移存储器（MOS电容）、输出电极（N＋），还需有三组不同的电源相配合方能输出信息，深入讨论电荷转移机理、电荷信息读取电路需半导体集成电路方面的知识，本文从略。
    ·输出信息处理
    CCD电荷耦合器采集输出的信号是与入射光强度成比例的模拟电信号（大小连续变化的电信号），此电信号需送往A／D转换器转换，经转换形成一个与入射光强度成比例的二进制数，该二进制数即对应一个像素的数据。
#1    二、CMOS光电传感器
    互补金属氧化物场效应管简称CMOS（C：Complement互补；M:Metal金属；O:Oxide二氧化硅；S:Semiconductor场效应管），一般情况是指一种高集成度的大规模集成电路。而在数码相机中是指新一代数码相机采用的CMOS光电传感器。CMOS光电传感器使用的光敏元件、光敏元件排列方式与前述CCD电荷耦合器相同，只是在光电转换后信息传送方式不同。
    CMOS集成电路制作形式多样，本文以NMOS器件为例，介绍CMOS光电传感器的结构和工作原理。
#1    1.结构
    NMOS光电转换器件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（电极），这两个电极称为源极（S）和漏极（D），然后在硅表面用高温氧化的方法覆盖二氧化硅（SiO2）绝缘层，在源极（S）和漏极（D）之间的绝缘层上方制作一层金属铝，称为栅极（G），在金属铝上方放置光敏元件。
#1    2.工作原理
    CMOS光电传感器工作时，P型硅衬底和源极（S）接电源负极，漏极（D）接电源正极。无光线照射时，源极（S）、漏极（D）之间无电流通路，不能形成电流，电阻R上无电压输出。当入射光照射到金属铝上方放置的光敏元件上时，由于光线（光量子）的激发，在源极（S）和漏极（D）之间的P型硅衬底上表面积累电荷，从而形成电流通路，电流流经电阻R形成电压输出，如^284001c^3。
    入射光越强，在光敏材料中激发的导电粒子（电子空穴对）越多，从而使源极（S）和漏极（D）之间的电流越大，电阻R上的输出电压也越高，电阻电压降直接反映了入射光强度。
    实际制作时，生产厂家通常将CMOS光电传感器、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换器、图像信号处理器等集成在同一芯片上（外观如^284001d^4），使CMOS光电传感器对获得的图像信息读出及处理变得简单而快捷。
#1    三、CCD与CMOS各自的特点
#1    1.光电转换
    CMOS和CCD使用相同的感光元件，具有相同的灵敏度和光谱特性，但光电转换后的信息读取方式不同。
    CCD电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位的实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单。
#1    2.电路结构
    CCD电荷耦合器仅能输出模拟电信号，输出的电信号还需经后续地址译码器、模数转换器、图像信号处理器处理，并且还须提供三组不同电压的电源和同步时钟控制电路，集成度非常低。由CCD电荷耦合器构成的数码相机通常有六只芯片，有的多达八片，最少的也有三片，使CCD电荷耦合器制作的数码相机成本较高。
    CMOS光电传感器的加工采用半导体厂家生产集成电路的流程，可以将数码相机的所有部件集成到一块芯片上，如光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换器、图像信号处理器及控制器等都可集成到一块芯片上，还具有附加DRAM的优点。只需要一只芯片就可以实现数码相机的所有功能，因此采用CMOS芯片的光电图像转换系统的整体成本会很低。
#1    3.速度
    CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢；而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。
#1    4.电源及耗电量
    CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS光电传感器只需使用一个电源，耗电量非常小，仅为CCD电荷耦合器的十分之一，CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。
#1    5.消除噪声
    CCD电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。
    由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。
#1    四、小结
    CCD电荷耦合器制作技术起步早，具有结构简单、自扫描、低噪声、长寿命、高精度和可靠性高等优点，由于其技术日益成熟，在成像质量方面相对CMOS传感器有一定的优势，主要应用于数码相机、扫描仪、摄像机中。
    CMOS光电传感器具有集成度高、重量轻、体积小、价格便宜，将会在办公及家用电脑、笔记本电脑、掌上电脑、视频电话、扫描仪、数码相机、摄影机、监视器、车载电话、指纹认证等图像输入领域得到广泛的应用。


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