CMOS器件的基本原理及結構

CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），互補金屬氧化物半導體，電壓控制的壹種放大器件。是組成CMOS數字集成電路的基本單元。 在計算機領域，CMOS常指保存計算機基本啟動信息(如日期、時間、啟動設置等)的芯片。有時人們會把CMOS和BIOS混稱，其實CMOS是主板上的壹塊可讀寫的RAM芯片，是用來保存BIOS的硬件配置和用戶對某些參數的設定。CMOS可由主板的電池供電，即使系統掉電，信息也不會丟失。CMOS RAM本身只是壹塊存儲器，只有數據保存功能。而對BIOS中各項參數的設定要通過專門的程序。BIOS設置程序壹般都被廠商整合在芯片中，在開機時通過特定的按鍵就可進入BIOS設置程序，方便地對系統進行設置。因此BIOS設置有時也被叫做CMOS設置。 CMOS制造工藝也被應用於制作數碼影像器材的感光元件（常見的有TTL和CMOS），尤其是片幅規格較大的單反數碼相機。雖然在用途上與過去CMOS電路主要作為固件或計算工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工藝，只是將純粹邏輯運算的功能轉變成接收外界光線後轉化為電能，再透過芯片上的模-數轉換器（ADC）將獲得的影像訊號轉變為數字信號輸出。 CMOS與CCD的區別　CCD與CMOS傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管(photodiode)進行光電轉換，將圖像轉換為數字數據，而其主要差異是數字數據傳送的方式不同。　CCD傳感器中每壹行中每壹個象素的電荷數據都會依次傳送到下壹個象素中，由最底端部分輸出，再經由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個象素都會鄰接壹個放大器及A/D轉換電路，用類似內存電路的方式將數據輸出。　造成這種差異的原因在於：CCD的特殊工藝可保證數據在傳送時不會失真，因此各個象素的數據可匯聚至邊緣再進行放大處理；而CMOS工藝的數據在傳送距離較長時會產生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個象素的數據。　由於數據傳送方式不同，因此CCD與CMOS傳感器在效能與應用上也有諸多差異，這些差異包括： 1. 靈敏度差異：　由於CMOS傳感器的每個象素由四個晶體管與壹個感光二極管構成(含放大器與A/D轉換電路)，使得每個象素的感光區域遠小於象素本身的表面積，因此在象素尺寸相同的情況下，CMOS傳感器的靈敏度要低於CCD傳感器。2. 成本差異：　由於CMOS傳感器采用壹般半導體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到傳感器芯片中，因此可以節省外圍芯片的成本；除此之外，由於CCD采用電荷傳遞的方式傳送數據，只要其中有壹個象素不能運行，就會導致壹整排的數據不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多，即使有經驗的廠商也很難在產品問世的半年內突破50%的水平，因此，CCD傳感器的成本會高於CMOS傳感器。3. 分辨率差異：　CMOS傳感器的每個象素都比CCD傳感器復雜，其象素尺寸很難達到CCD傳感器的水平，因此，當比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時，CCD傳感器的分辨率通常會優於CMOS傳感器的水平。例如，市面上CMOS傳感器最高可達到210萬象素的水平(OmniVision的 OV2610，2002年6月推出)，其尺寸為1/2英寸，象素尺寸為4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸與 OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率卻能高達513萬象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。4. 噪聲差異：　由於CMOS傳感器的每個感光二極管都需搭配壹個放大器，而放大器屬於模擬電路，很難讓每個放大器所得到的結果保持壹致，因此與只有壹個放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪聲就會增加很多，影響圖像品質.5. 功耗差異：　CMOS傳感器的圖像采集方式為主動式，感光二極管所產生的電荷會直接由晶體管放大輸出，但CCD傳感器為被動式采集，需外加電壓讓每個象素中的電荷移動，而此外加電壓通常需要達到12~18V；因此，CCD傳感器除了在電源管理電路設計上的難度更高之外(需外加 power IC)，高驅動電壓更使其功耗遠高於CMOS傳感器的水平。舉例來說，OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下運行，功耗僅為40mW；而致力於低功耗CCD傳感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等級的產品，其功耗卻仍保持在90mW 以上。因此CCD發熱量比CMOS大，不能長時間在陽光下工作。　　綜上所述，CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優於CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。不過，隨著CCD與CMOS傳感器技術的進步，兩者的差異有逐漸縮小的態勢，例如，CCD傳感器壹直在功耗上作改進，以應用於移動通信市場(這方面的代表業者為Sanyo)；CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足，以應用於更高端的圖像產品。 發展前景　 專家們認為，21世紀初全球CMOS圖像傳感器市場將在PC攝像機、移動通信市場、數碼相機、攝像機市場市場等領域獲得大幅度增長，在未來的幾年時間內，在130 萬像素至200萬像素之下的產品中，將開始以CMOS傳感器為主流。以小型化和低功耗CMOS圖像傳感器為核心的攝像機正在成為消費類產品的主流，上述領域將為圖像傳感器市場帶來巨大發展。