CCD 与 CMOS哪个更好？情况很复杂...

关于 CMOS 与 CCD 成像器的相对优势已有很多文章。这场争论似乎从大多数人记事起就一直在持续，但目前还没有明确的结论。确切的答案难以捉摸也就不足为奇了，因为这个话题并不是一成不变的。技术和市场的发展不仅影响技术上的可行性，也影响商业上的可行性。成像仪应用多种多样，具有不同且不断变化的要求。有些应用最适合使用 CMOS 成像器，有些则适合使用 CCD。在本文中，我们将尝试通过检查不同的情况、解释一些鲜为人知的技术权衡以及引入成本考虑因素来使讨论更加清晰。

一开始...

CCD(电荷耦合器件)和 CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器是两种不同的数字捕捉图像技术。每个都有独特的优点和缺点，在不同的应用中具有优势。

两种类型的成像仪都将光转换为电荷并将其处理为电子信号。在 CCD 传感器中，每个像素的电荷都通过数量非常有限的输出节点(通常只有一个)传输，然后转换为电压、进行缓冲并作为模拟信号发送到芯片外。所有像素都可以专门用于光捕获，并且输出的均匀性(图像质量的关键因素)很高。在CMOS传感器中，每个像素都有自己的电荷到电压转换，传感器通常还包括放大器、噪声校正和数字化电路，以便芯片输出数字位。这些其他功能增加了设计复杂性并减少了可用于光捕获的面积。由于每个像素都进行自己的转换，均匀性较低，但它也是大规模并行的，允许高总带宽以实现高速。

CCD 和 CMOS 成像器都依靠光电效应从光中产生电信号

CCD 和 CMOS 成像仪均发明于 20 世纪 60 年代末和 1970 年代(DALSA 创始人 Savvas Chamberlain 博士是开发这两种技术的先驱)。 CCD 之所以占据主导地位，主要是因为它们利用现有的制造技术提供了更优质的图像。 CMOS 图像传感器需要比硅晶圆代工厂当时能够提供的更高的均匀性和更小的特征。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使用 CMOS 成像器的程度。人们对 CMOS 重新产生兴趣是基于对降低功耗、片上相机集成以及通过重用主流逻辑和存储器件制造来降低制造成本的期望。在实践中实现这些好处，同时提供高图像质量需要花费更多的时间、金钱、和工艺适应比最初的预测建议的要好，但 CMOS 成像器已加入 CCD 成为主流、成熟的技术。

适用于消费类应用的大容量成像仪

凭借较小组件的更低功耗和更高集成度的承诺，CMOS 设计人员将精力集中在移动电话成像器上，这是世界上产量最高的图像传感器应用。我们投入了大量资金来开发和微调 CMOS 成像器及其制造工艺。由于这项投资，我们见证了图像质量的巨大改进，即使像素尺寸缩小了。因此，在大批量消费领域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 成像器都优于 CCD。

手机推动 CMOS 成像器体积

机器视觉成像仪

在机器视觉领域，面扫描成像仪和线扫描成像仪借助移动电话成像仪的巨大投资来取代 CCD。对于大多数机器视觉区域和线扫描成像仪来说，CCD 也已成为过去的技术。

CMOS 成像器相对于机器视觉 CCD 的性能优势值得简要解释。对于机器视觉，关键参数是速度和噪声。 CMOS 和 CCD 成像器的不同之处在于信号从信号电荷转换为模拟信号并最终转换为数字信号的方式。在 CMOS 区域和线扫描成像器中，该数据路径的前端是大规模并行的。这使得每个放大器具有低带宽。当信号到达数据路径瓶颈(通常是成像器和片外电路之间的接口)时，CMOS 数据就牢牢地处于数字域中。相比之下，高速 CCD 具有大量并行快速输出通道，但不如高速 CMOS 成像器大规模并行。因此，每个 CCD 放大器具有更高的带宽，从而导致更高的噪声。最后，高速 CMOS 成像器的噪声可以比高速 CCD 低得多。

然而，这一一般性声明也有一些重要的例外情况。

近红外成像仪

为了在近红外(700 至 1000 nm)范围内成像，成像仪需要具有更厚的光子吸收区域。这是因为红外光子在硅中比可见光子被吸收得更深。

大多数 CMOS 成像器制造工艺均针对仅在可见光中成像的大批量应用进行了调整。这些成像仪对近红外 (NIR) 不太敏感。事实上，它们被设计为在近红外范围内尽可能不敏感。如果较厚的外延层未与较高的像素偏置电压或较低的外延电压相结合，则增加基板厚度(或更准确地说，外延或外延层厚度)以提高红外灵敏度将降低成像仪解析空间特征的能力。兴奋剂水平。改变电压或外延掺杂将影响 CMOS 模拟和数字电路的运行。

近红外成像中硅太阳能电池的裂纹很明显

CCD 可以用更厚的外延层制造，同时保留其解析精细空间特征的能力。在一些近红外 CCD 中，外延层厚度超过 100 微米，而大多数 CMOS 成像器中的外延层厚度为 5 至 10 微米。对于较厚的外延层，还必须修改 CCD 像素偏置和外延层浓度，但对 CCD 电路的影响比 CMOS 更容易管理。

专门设计为在近红外区域具有高灵敏度的 CCD 比 CMOS 成像器灵敏得多。

紫外成像仪

由于紫外光子在非常靠近硅表面的地方被吸收，因此紫外成像仪不得含有阻碍紫外光子吸收的多晶硅、氮化物或厚氧化层。因此，现代紫外成像仪的背面都变薄了，大多数在硅成像表面上只有一层非常薄的增透膜。

尽管背面减薄现在在移动成像仪中普遍存在，但紫外线响应却并非如此。为了实现稳定的紫外线响应，无论成像器是 CMOS 还是 CCD，成像器表面都需要特殊的表面处理。许多为可见光成像而开发的背面减薄成像仪都具有厚氧化层，在长时间暴露于紫外线后会变色并吸收紫外线。一些背面减薄成像器的成像表面被高掺杂硼层钝化，该硼层延伸到硅外延太深，导致大部分紫外光生电子因复合而丢失。

当今的深亚微米光刻需要深紫外光进行质量检查

所有线扫描成像仪都可以实现紫外线响应和背面减薄，但并非所有区域成像仪都可以实现。全局快门区域 CCD 都不能进行背面减薄。 CMOS 区域成像器的情况更好，但仍然需要权衡。带有卷帘快门的 CMOS 区域成像仪可以进行背面减薄。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，在变薄时需要屏蔽这些节点，但前提是这些紫外线敏感成像器也将在可见光下成像。在背面减薄区域成像器中，如果不严重降低成像器的填充因子(光敏区域与总像素区域的比率)，则不可能有效地屏蔽部分像素免受入射照明。还有其他类型的 CMOS 全局快门区域成像器没有光敏存储节点，但噪声较高，降低全井、卷帘快门或这些的组合。

时间延迟和积分成像仪

除了面扫描和线扫描成像仪之外，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，其操作方式与线扫描成像器非常相似，不同之处在于 TDI 有许多(通常是数百)条线。当对象的图像移动经过每条线时，每条线都会捕获该对象的快照。当信号非常弱时，TDI 最有用，因为将对象的多个快照添加在一起以创建更强的信号。

TDI 成像仪结合了与物体运动同步的多次曝光

CCD 结合信号电荷，而 CMOS TDI 可以结合电压或电荷信号。电荷求和操作可以是无噪声的，但 CMOS 电压求和却不能。当 CMOS 电压域 TDI 的行数超过一定数量时，求和操作产生的噪声会累积到无法与电荷域 TDI 匹配的程度。权衡是速度和成本。 CCD TDI 提供很高的灵敏度，但最终会达到速度限制。 CMOS 具有速度优势，但电荷域 CMOS TDI 的设计和制造难度更大、成本更高。对于较少数量的行求和，电压域 TDI 求和可以提供经济高效的高性能，但对于最具挑战性(最高速度、最低光)的应用，电荷域 CMOS TDI(如 Teledyne 的 Linea HS 相机中的那样))提供最高的性能。

电子倍增

电子倍增 CCD (EMCCD) 是具有以限制倍增过程中添加的噪声的方式倍增信号电荷包的结构的 CCD。这会产生净信噪比 (SNR) 增益。在信号非常微弱以至于仅高于成像仪本底噪声的应用中，EMCCD 可以检测到以前难以辨别的信号。

与 CMOS 相比，当成像器不需要高速成像时，EMCCD 最具优势。高速运行会增加 CCD 的读取噪声。因此，即使 EMCCD 的 SNR 有所提高，EMCCD 和 CMOS 成像器之间的差异可能也不会太大，特别是与专门设计为具有极低读取噪声的科学 CMOS 成像器相比。高速 EMCCD 还比传统成像仪消耗更多的功率。

EMCCD 适用于信号极低的应用，通常在科学成像中

低噪声 CMOS 成像器可能不具备 CCD 的 NIR、UV 或 TDI 集成优势。因此，由于信号可能要弱得多，即使读取噪声与 EMCCD 所能达到的性能相当，EMCCD 解决方案总体上仍然可能更好。

成本考虑

到目前为止，我们主要关注 CMOS 和 CCD 成像器之间的性能差异。如果认为业务决策仅基于性能权衡，那就太天真了。对于许多业务决策者来说，更重要的是价值，或者说付出的代价所获得的性能。

成本情况可能很复杂，因此我们将只关注几个重要的点。

杠杆、体积、良率和每个晶圆上的器件数量都会影响成本

首先，杠杆是关键。冒着声明显而易见的风险，市场上已有的成像器的成本将比完全定制的成像器低得多，无论它是 CMOS 还是 CCD 成像器。如果需要定制，除非更改很小，否则开发定制 CCD 通常比开发定制 CMOS 成像器更便宜。 CMOS 成像器的开发通常更昂贵，因为 CMOS 使用更昂贵的深亚微米掩模。 CMOS 器件中还有更多的电路需要设计。因此，即使在定制 CMOS 成像器明显具有更好性能的应用中，其价值主张仍然有利于定制 CCD。

其次，数量很重要。尽管开发新型 CMOS 成像器的成本较高，但能够利用更大规模经济的 CMOS 成像器的单位成本将会更低。对于大批量，低单位成本在财务上可能比低开发成本更重要。

第三，供给保障很重要。留下围绕已停产的成像仪设计的产品的成本非常高。尽管有更好的价值主张，但选择最有能力长期生产成像器(CMOS 或 CCD)的公司可能更为明智。

结论

为应用选择正确的成像仪从来都不是一件简单的任务。不同的应用有不同的要求。这些要求施加了影响性能和价格的约束。考虑到这些复杂性，不可能对 CMOS 与 CCD 成像器做出适用于所有应用的一般性陈述也就不足为奇了。

在大多数可见光成像应用中，CMOS 面阵和线扫描成像仪的性能优于 CCD。 TDI CCD 用于高速、低照度应用，其性能优于 CMOS TDI。由于需要在近红外范围内成像，CCD 成为某些面扫描和线扫描应用的更好选择。为了在紫外线下成像，背面减薄后的表面处理是关键，全局快门要求也是如此。对极低噪声的需求带来了新的限制，但 CMOS 在高读出速度下通常仍优于 CCD。性价比的权衡可能有利于 CCD 或 CMOS 成像器，具体取决于杠杆、数量和供应安全。

审核编辑 黄宇