2024年3月29日发(作者：伊芷荷)
CMOS成像器件的结构、工作原理、发展现状及应用举例
摘 要：目前数字摄像技术，主要采用两种方式：一种是使用CCD(电容耦合器件)图
像传感器，另一种是使用CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器。CMOS成像器件[1]
是近些年发展较快的新型成像器件，由于采用了CMOS技术，可以将像素阵列与外围支持
电路(如图像传感器核心、单一时钟、所有的时序逻辑、可编程功能和模数转换器)集成在
同一块芯片上。因此与CCD相比，CMOS图像传感器将整个图像系统集成在一块芯片上，
具有体积小、重量轻、功耗低、编程方便、易于控制等优点。对于手持式设备来说，体积
和功耗是进行软硬件设计时重点考虑的问题，因此CMOS成像器件应用在手持式设备当中
将会有广阔的前景。本文对CMOS成像器件进行研究，介绍了CMOS成像器件的结构、
工作原理、发展现状及应用举例。
关键词：互补金属氧化物半导体；场效应管集成电路；像敏单元；
1引言
20世纪70年代，CCD图像传感器和CMOS图像传感器同时起步。CCD图像传感
器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因，敏感元件
和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成由CCD图像传感器组装的摄像机体积大、功
耗大。CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。但最初市场
上的CMOS图像传感器，一直没有摆脱光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点，图像质量还
无法与CCD图像传感器相比。
如果把CMOS图像传感器的光照灵敏度再提高5倍～10倍，把噪声进一步降低，
CMOS图像传感器的图像质量就可以达到或略微超过CCD图像传感器的水平，同时能保
持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等优点，如此，CMOS图像传感器取代
CCD图像传感器就会成为事实。
由于CMOS图像传感器的应用，新一代图像系统的开发研制得到了极大的发展，并
且随着经济规模的形成，其生产成本也得到降低。现在，CMOS图像传感器的画面质量也
能与CCD图像传感器相媲美，这主要归功于图像传感器芯片设计的改进，以及亚微米和深
亚微米级设计增加了像素内部的新功能。
实际上，更确切地说，CMOS图像传感器应当是一个图像系统。一个典型的CMOS
图像传感器通常包含：一个图像传感器核心（是将离散信号电平多路传输到一个单一的输
出，这与CCD图像传感器很相似），所有的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功能，
比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。事实上，当一位设计者购买了CMOS图像
传感器后，他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器
在内的全部系统。与传统的CCD图像系统相比，把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降
低了功耗，而且具有重量较轻，占用空间减少以及总体价格更低的优点。
2 CMOS成像器件结构
CMOS成像器件的组成原理框图如图所示，它的主要组成部分是像敏单元阵列和MOS
场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列由光电二极管阵
列构成。
2024年3月29日发(作者：伊芷荷)
CMOS成像器件的结构、工作原理、发展现状及应用举例
摘 要：目前数字摄像技术，主要采用两种方式：一种是使用CCD(电容耦合器件)图
像传感器，另一种是使用CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器。CMOS成像器件[1]
是近些年发展较快的新型成像器件，由于采用了CMOS技术，可以将像素阵列与外围支持
电路(如图像传感器核心、单一时钟、所有的时序逻辑、可编程功能和模数转换器)集成在
同一块芯片上。因此与CCD相比，CMOS图像传感器将整个图像系统集成在一块芯片上，
具有体积小、重量轻、功耗低、编程方便、易于控制等优点。对于手持式设备来说，体积
和功耗是进行软硬件设计时重点考虑的问题，因此CMOS成像器件应用在手持式设备当中
将会有广阔的前景。本文对CMOS成像器件进行研究，介绍了CMOS成像器件的结构、
工作原理、发展现状及应用举例。
关键词：互补金属氧化物半导体；场效应管集成电路；像敏单元；
1引言
20世纪70年代，CCD图像传感器和CMOS图像传感器同时起步。CCD图像传感
器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因，敏感元件
和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成由CCD图像传感器组装的摄像机体积大、功
耗大。CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。但最初市场
上的CMOS图像传感器，一直没有摆脱光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点，图像质量还
无法与CCD图像传感器相比。
如果把CMOS图像传感器的光照灵敏度再提高5倍～10倍，把噪声进一步降低，
CMOS图像传感器的图像质量就可以达到或略微超过CCD图像传感器的水平，同时能保
持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等优点，如此，CMOS图像传感器取代
CCD图像传感器就会成为事实。
由于CMOS图像传感器的应用，新一代图像系统的开发研制得到了极大的发展，并
且随着经济规模的形成，其生产成本也得到降低。现在，CMOS图像传感器的画面质量也
能与CCD图像传感器相媲美，这主要归功于图像传感器芯片设计的改进，以及亚微米和深
亚微米级设计增加了像素内部的新功能。
实际上，更确切地说，CMOS图像传感器应当是一个图像系统。一个典型的CMOS
图像传感器通常包含：一个图像传感器核心（是将离散信号电平多路传输到一个单一的输
出，这与CCD图像传感器很相似），所有的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功能，
比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。事实上，当一位设计者购买了CMOS图像
传感器后，他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器
在内的全部系统。与传统的CCD图像系统相比，把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降
低了功耗，而且具有重量较轻，占用空间减少以及总体价格更低的优点。
2 CMOS成像器件结构
CMOS成像器件的组成原理框图如图所示，它的主要组成部分是像敏单元阵列和MOS
场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列由光电二极管阵
列构成。