关于CMOS与CCD成像器的相对优势已经写了很多。似乎只要大多数人都能记住，辩论就会持续下去，而且看不到明确的结论。毫无疑问，确定的答案是难以捉摸的，因为该主题并非一成不变。技术和市场不断发展，不仅影响技术上的可行性，还影响商业上可行的东西。成像仪应用多种多样，需求不同且不断变化。有些应用最好由CMOS成像器提供，有些则由CCD提供。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，并在图片中引入成本考虑因素，为讨论增加一些清晰度。
CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器是用于以数字方式捕获图像的两种不同技术。每种都有独特的优点和缺点，在不同的应用中具有优势。
两种类型的成像器都将光转换为电荷并将其处理成电子信号。在CCD传感器中，每个像素的电荷通过非常有限数量的输出节点（通常只有一个）传输，转换为电压，缓冲，并作为模拟信号发送到片外。所有像素都可以用于光捕获，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 - 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，因此芯片输出数字位。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区域。每个像素进行自己的转换，均匀性较低，但也是大规模并行，
CCD和CMOS成像器都是在20世纪60年代末和70年代发明的（DALSA创始人Savvas Chamberlain博士是开发这两种技术的先驱）。CCD成为主导，主要是因为它们使用可用的制造技术提供了更好的图像。CMOS图像传感器需要比硅晶圆代工厂当时可提供的更均匀和更小的特征。直到20世纪90年代，光刻技术才发展到设计师可以再次开始为CMOS成像器制造外壳的程度。对CMOS的再次兴趣是基于对降低功耗，相机芯片集成以及重复使用主流逻辑和存储器件制造降低制造成本的预期。在实践中实现这些好处，同时提供高质量的图像，花费了更多的时间和金钱，
CMOS设计人员承诺降低功耗，并为更小的元件提供更高的集成度，致力于开发用于移动电话的成像器，这是世界上体积最大的图像传感器应用。为开发和微调CMOS成像器以及制造它们的制造工艺进行了大量投资。通过这项投资，我们目睹了图像质量的巨大改进，即使像素尺寸缩小也是如此。因此，在大容量消费者区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成像器优于CCD。
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机器视觉成像仪
在机器视觉中，区域和线扫描成像器驾驶巨大的移动电话成像器投资以取代CCD。对于大多数机器视觉区域和线扫描成像器，CCD也是过去的技术。
CMOS成像器相对于机器视觉的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音。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。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。这允许每个放大器具有低带宽。当信号到达数据路径瓶颈时（通常是成像器和片外电路之间的接口），CMOS数据牢固地处于数字域中。相比之下，高速CCD具有大量并行快速输出通道，但不像高速CMOS成像器那样大规模并行。因此，每个CCD放大器具有更高的带宽，这导致更高的噪声。所以，
但是，这个一般性陈述有一些重要的例外。
为了在近红外（700至1000nm）成像，成像器需要具有更厚的光子吸收区域。这是因为红外光子比硅中的可见光子更深地被吸收。
大多数CMOS成像器制造工艺都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）不是很敏感。实际上，它们被设计成在NIR中尽可能不敏感。如果较厚的外延层不与较高的像素偏置电压或较低的外延耦合，则增加衬底厚度（或更准确地说，外延层或外延层厚度）以改善红外灵敏度将降低成像器分辨空间特征的能力。兴奋剂水平。改变电压或外延掺杂将影响CMOS模拟和数字电路的操作。
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CCD可以用更厚的外延层制造，同时保留其分辨精细空间特征的能力。在一些近红外CCD中，epi的厚度超过100微米，而大多数CMOS成像器的epi厚度为5到10微米。对于较厚的epi，CCD像素偏置和epi浓度也必须进行修改，但对CCD电路的影响比CMOS更容易管理。
专门设计为近红外高灵敏度的CCD比CMOS成像器灵敏得多。
由于紫外光子非常靠近硅表面被吸收，因此紫外成像器必须不具有阻碍紫外光子吸收的多晶硅，氮化物或厚氧化物层。因此，现代UV成像器背面变薄，大多数在硅成像表面上仅具有非常薄的AR涂层。
虽然背面减薄现在在移动成像仪中无处不在，但紫外线响应并非如此。为了获得稳定的UV响应，成像器表面需要特殊的表面处理，无论成像器是CMOS还是CCD。为可见成像开发的许多背面薄化成像器具有厚的氧化层，在长时间暴露于紫外线后会褪色并吸收紫外线。一些背面减薄的成像器具有成像表面，其被高度掺杂的硼层钝化，该硼层延伸到硅外延中太深，导致大部分UV光生电子失去重组。
所有线扫描成像仪都可以实现UV响应和背面细化，但并非所有区域成像仪都能实现。没有全局快门区CCD可以背面减薄。CMOS区域成像器的情况更好，但仍然没有权衡取舍。具有卷帘门的CMOS区域成像器可以背面减薄。传统的CMOS全局快门区域成像器在每个像素中具有存储节点，当稀疏时需要屏蔽，但仅当这些UV敏感成像器也将在可见光中成像时。在背面减薄区域成像器中，不可能有效地屏蔽部分像素免受入射照射，而不会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）。还有其他类型的CMOS全局快门区域成像器，它们没有光敏存储节点，但噪声较高，
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时间延迟和集成成像仪
除了区域和线扫描成像器之外，还有另一种重要类型的成像器。时间延迟和积分（TDI）成像器通常用于机器视觉和遥感，并且像线扫描成像器一样操作，除了TDI具有许多（通常是数百）线。当对象的图像移过每一行时，每一行都会捕获对象的快照。当信号非常弱时，TDI最有用，因为对象的多个快照被加在一起以产生更强的信号。
目前，CCD和CMOS TDI以不同的方式对多个快照进行求和。CCD组合信号电荷，而CMOS TDI组合电压信号。求和操作在CCD中是无噪声的，但在CMOS中则不是。当CMOS TDI具有多于一定数量的行时，来自求和操作的噪声加起来即使最先进的CMOS TDI也不可能具有比现代CCD TDI更少的噪声。
CMOS TDI的一个前进方向是通过具有类似CCD的像素来模拟CCD TDI，然后可以对电荷求和。我们称之为电荷域CMOS TDI。充电域CMOS TDI在技术上是可行的，但需要大量投资才能开发，微调和完善。与CMOS区域和线扫描成像器不同，经济学不支持电荷域CMOS TDI。手机既不需要TDI也不需要充电。因此，没有用于CMOS TDI的外套。
电子倍增CCD（EMCCD）是具有结构的CCD，其以限制在乘法过程期间添加的噪声的方式倍增信号电荷包。这导致净信噪比（SNR）增益。在信号非常微弱以至于几乎不在成像器本底噪声的应用中，EMCCD可以检测先前难以辨认的信号。
与CMOS相比，当成像器不需要高速成像时，EMCCD是最有利的。高速操作会增加CCD中的读取噪声。因此，即使EMCCD的SNR改善，EMCCD和CMOS成像器之间的差异也可能不大，尤其是与专门设计为具有极低读取噪声的科学CMOS成像器相比时。与传统成像仪相比，高速EMCCD的功耗也大大增加。
低噪声CMOS成像器可能没有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可以达到的相当，EMCCD解决方案总体上仍然可能更好。
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到目前为止，我们一直关注CMOS和CCD成像器之间的性能差异。假设商业决策仅基于绩效权衡，这是天真的。对许多商业决策者而言更重要的是价值，或者所付出的价格。
成本图可能很复杂，因此我们只关注几个重点。
首先，杠杆是关键。有明显的风险，已经上市的成像器的成本远低于全定制成像器，无论是CMOS还是CCD成像器。如果需要定制，除非变化很小，开发定制CCD通常比开发定制CMOS成像器更便宜。CMOS成像器开发通常更昂贵，因为CMOS使用更昂贵的深亚微米掩模。在CMOS器件中还有更多的电路要设计。因此，即使在定制CMOS成像器明显具有更好性能的应用中，价值主张仍然有利于定制CCD。
其次，数量很重要。虽然开发新型CMOS成像器的成本较高，但可以从更大的规模经济中获利的CMOS成像器将具有更低的单位成本。由于产量高，低单位成本在经济上比低开发成本更重要。
第三，供应安全很重要。留下围绕成像仪设计的产品是非常昂贵的。尽管有更好的价值主张，但选择能够长期生产成像器（CMOS或CCD）的公司可能更为明智。
为应用程序选择正确的成像器从来都不是一项简单的任务。各种应用有不同的要求。这些要求会产生影响性能和价格的约束。由于存在这些复杂性，因此不可能对适用于所有应用的CMOS与CCD成像器做出一般性说明。
在大多数可见成像应用中，CMOS区域和线扫描成像器的性能优于CCD。用于高速，低亮度应用的TDI CCD优于CMOS TDI。在NIR中成像的需求可以使CCD成为某些区域和线扫描应用的更好选择。为了在UV中成像，背面减薄后的表面处理是关键，全局快门要求也是如此。对低噪声的需求引入了新的限制，CMOS在高读出速度下通常仍然优于CCD。价格 - 性能折衷可能有利于CCD或CMOS成像器，具体取决于杠杆，体积和供应安全性。
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