CMOS与CCD的发展趋势大解剖

2004年5月A版

　　有关CCD与CMOS的应用争论是80年代CMOS取像组件问世后正式展开，90年代CCD成为数字相机与数字摄影机的取像组件主流，尤其是在数字相机领域，CCD更具有压倒性的占有率。CMOS取像组件为了避免与CCD正面决战，因此在行动电话等领域另辟战场并获得大胜，不过却也招致CCD的觊觎，并且迅速与CMOS形成竞争局面，2003年开始取像组件的像素数从30万一口气提高4倍，甚至超过130万像素以上，使得CCD取像组件更因它的影像品质优势蚕食CMOS既有的生存空间 (图1)。

　　相关业者普遍认为内附取像镜头的行动电话(以下简称为照相手机)的像素数量短期内不易再向上攀升，假设像素数不再增加，而且2004年~2005年CMOS取像组件也跨越100~130万像素技术门槛，如此一来CMOS就可充分发挥小型低耗电量等优势，进而再度夺回在照相手机的占有率。

应用趋势

　　最近几年相关业者对CCD与CMOS取像组件的认知发生重大改变，具体内容分别如下:

　　图2是以往与最近对CCD与CMOS两取像组件的认知比较。

　　莸挠跋欤��伊计仿嗜杂写©克服。此外加大扩散层改变基本结构，更造成无法与周边高性能化数字电路整合，达成所谓的两全其美目标，事实上这意味CMOS已经丧失单芯片的优势。

　　由于CMOS与CCD两者的优缺点随着技术的进化，以往所谓的“要求高画质的高阶产品使用CCD，低耗量电低价为诉求时使用CMOS”壁垒分明的格局，正受到行动电话的发展快速瓦解，形成二分天下相互竞争的局面，该趋势可见图3，2002年内建取像镜头的行动电话已经成为市场主流的统计结果获得证实，一般认为2005年全球照相手机的比率可达20%，届时市场规模将超过1亿台(图4)。

　　早期的照相手机基于价格与耗电量优先等考量，因此取像镜头大多使用CMOS传感器，随后市场才出现高画质要求，三洋电机随即在2001年2月推出内建1/7英寸~11万像素CCD取像模块的照相手机，2002年5月SHARP则推出内建1/5英寸~31万像素CCD取像模块的照相手机，由于两种截然不同的取像相继被应用在照相手机，使得CMOS与CCD正式展开竞争局面，在此同时CMOS为了要与CCD一争高低，试图藉由高画质化的改善阻挡CCD的攻势，结果造成互不相让的局面。

　　如图5所示可知综观2000年~2003年照相手机的发展动向，由于取像模块由31万像素提高至百万像素已经成为业界普遍的共识，因此CMOS与CCD究竟何者会胜出，事实上取决于何者可达成100~130万像素的目标，而能否达成100~130万像素目标，则取决于何者可将像素尺寸微缩成3mm大小(图6)，尤其是照相手机用取像模块对取像组件的高度有严格限制，由于光学上的限制因此取像组件外形尺寸不可超过1/4英寸，依此换算100~130万像素取像组件的像素尺寸大约是3mm大小，为达成上述目标并非单纯采用更微细工艺即可，因为像素尺寸越小受光量相对减少，为了维持影像品质必需提高单位面积的感度，亦即像素尺寸微细化技巧成为各厂商的技术指针，一般认为100~130万像素取像组件在2003年仍然是CCD占优势。

　　技术动向

　　为了要与CCD取像组件竞争，CMOS厂商正努力改善组件特性，具体内容大多与画质有关，分别是:

　　寥〉缪狗浅５停��酝耆�谇妒焦獾缍™极管聚集方式始终不易达成，有鉴于此，该公司针对晶体管与CMOS的结构进行改善，因此CMOS读取电压即使只有2.8V亦可工作，而且暗电流降至对策前的1/10以下(图8)。

　　相较于CMOS的急起直追，CCD厂商也加快步伐进行新技术开发，其中又以三洋电机最积极。如图9所示该公司自从2001年2月首度推出照相手机用11万像素CCD取像组件之后，便不断进行耗电量的改善，由图可知2001年1/7英寸11万像素CCD取像组件的耗电量是90mW，2003年2月问世的1/9英寸11万像素CCD取像组件的耗电量只有35mW，单就耗电量而言，该CCD不比CMOS的40~80mW逊色。有关低耗电量的改善，三洋电机坚持采取其它厂商非常忌讳的Frame Transfer方式(以下简称为FT)，由于光电二极管与电荷转送部分可作成一体化，因此FT可比其它方式更易获得低电压化效应，例如垂直CCD的工作电压其它公司是12~15V，三洋电机的CCD则只有一半大约是7~8V左右，此外只需中耐压工艺即可，因此更容易与其它数字电路整合，以耗电量为35mW的CCD为例，该CCD就是将周边的驱动电路、电源电路、模拟前端处理电路与DSP整合成单芯片。值得一提的是FT方式的纵向光纹，极易沿着转送路径渗入造成smear噪声，三洋电机根据各列计算35mW的CCD的smear噪声，藉由消除smear噪声的影像演算处理进行补正。
　　
　　图10是利用CMOS制程制作与CCD像素相同结构，试图藉此获得低噪声化效果的VMIS(Threshold Voltage Modulation Image Sensor)新技术的概念图，VMIS是拥有CMOS 生产线的LSI厂商ENO-TECH Co开发的技术，该公司除了授权给EPSON之外，今后会再提供相关技术给日本两家公司。

　　表2与表3是日本各取像组件(光电传感器)厂商针对照相手机开发的产品发展动向统计表，由表可知三洋电机目前是以耗电量11万像素CCD取像组件为主要诉求。有关100~130万像素取像组件的规格与研发日程仍在研拟阶段；同时拥有CCD与CMOS两种技术的SHARP也是抱持与三洋电机相同的策略，亦即目前是以11万像素CMOS为主，未来100~130万像素取像组件则倾向采用CCD方式；2002年第三季加入照相手机用CMOS取像组件行列的SONY，则在2003年推出100~130万像素CMOS取像组件，该公司预测2004~2005年CMOS取像组件的画质若能达到CCD的水准，具备小型低耗电优点的CMOS将成为市场主流；同样拥有CCD与CMOS两种技术的松下电器虽然尚未公布量产日程，不过该公司在2003年已建立1/4英寸100~130万像素取像组件的制作技术；三菱与松下电器一样已建立百万像素取像组件的制作技术，不过量产日程则尚未确定。

结语

　　由于数字相机与高频通信技术的进步，行动电话可轻易沿用数字相机的取像组件技术，建构具备摄影功能又可作实时影像传输的照相手机。在CMOS与CCD两取像组件僵持不下的同时，梦幻般的可变倍焦(zoom lens)镜头即将登场，这意味着未来数字相机与照相手机，将出现严重的市场重叠现象，何者可胜出则取决于取像组件的性能。■(选自《零组件》杂志)