介紹完CCD後，本篇則將繼續介紹影像感測器另一發展主流--CMOS。到目前為止，CMOS影像感測器仍屬新興的光電產品，市場不大，但成長率卻相當驚人。根據In-Stat的資料，2000年全球CMOS市場量大約是1475萬個，比1999年的635萬個成長了132%，未來二、三年內由於應用領域擴大，市場將持續高度成長，到2003年市場量大約是7800萬個，其複合年成長率也將超過七成。

CMOS影像感測器發展現況

CMOS(Complementary MOS)影像感測器也是由陣列式的感光畫素構成，畫素結構可為MOS電容或是p-n Junction的感光二極體，以MOS電容為感光畫素的稱為「Photogate型」，而以二極體為感光元件的CMOS稱為「Photodiode型」。由於Photgate會吸收藍光，因此目前的CMOS發展以Photodiode型為主流。CMOS影像感測器的特點是，在每一個畫素上除了感光部份外，還包含由N-type及P-type的MOS電晶體構成的電路，使各畫素感光所累積的電荷訊號能夠跟DRAM一樣，用行列式的電極隨機讀取(Random Access)。

Passive Pixel及Active Pixel：

依畫素上電路複雜程度不同，CMOS影像感測器又有Passive Pixel及Active Pixel之分。主要的差別在於Passive Pixel的電路，是由單個電晶體構成列的選擇開關，讓位於每一行末端的放大器能夠讀取行、列交會處的畫素所積存的電子訊號；Passive Pixel的優點是電路單純，不會佔掉太多感光面積而影響到感測器的靈敏度(Sensitivity)，缺點則是訊號輸出線路阻抗高，容易產生隨機雜訊(Random Noise)，使影像品質不佳。

Active Pixel畫素上的電路是由二個或二個以上的電晶體構成具有放大功能的放大器。電荷訊號在畫素所在的地方，即被放大器轉換成電壓訊號，同時被放大後輸出至感測器外部。Active Pixel的設計解決了隨機雜訊的問題，不過由於放大器的線路會佔掉畫素的感光面積，使感測器的靈敏度降低；另外，畫素上的放大器特性不容易做得每個都一致，因此會產生所謂的固定圖案雜訊(Fixed Pattern Noise)，使擷取到的影像有如透過骯髒窗戶所看到的景物一般。

次微米製程技術造就CMOS：

以CMOS為影像感測器的構想，早在1968年便被提出來了，不過當時由於光刻蝕(Photolithography)技術未成熟，並未開發出有實用價值的感測器，直到1990年代初期次微米半導體製程技術成熟，才又使CMOS影像感測器成為注目的焦點。

《圖一 全球CMOS影像感測器市場》

以2μm的製程為例，採用Passive Pixels的設計，雖然在13.5x13.5μm的畫素上可得到54%的開口率，但是隨機雜訊使影像品質不佳的問題卻無法克服。若採用Active Pixel的設計，則因為放大器的電晶體線路佔掉太多的感光面積，影響到感測器的靈敏度。

近幾年來，由於次微米半導體製程技術的發展，使Active Pixel CMOS影像感測器的開口率及靈敏度得以提高；目前使用0.5μm的CMOS技術，已可做到8x8μm大小的畫素，開口率為30%，這樣的規格已跟Inter-line的CCD已經很接近了。加上固定圖案雜訊修正電路(或特殊的半導體電路設計)的開發，固定圖案雜訊的問題已獲得解決。Active Pixel的CMOS感測器的性能如雜訊、動態範圍、均勻度等，都能與CCD相比擬。美、日、韓等國的研究單位正努力從事Active Pixels的研發，並已有成果。

《圖二 CMOS感測器構造》

CMOS影像感測器與CCD之比較

CMOS影像感測器與CCD最大的不同，在於所使用的製程及設備。由於CCD的訊號須一行一行的讀出，離輸出放大器較遠的畫素，電荷必須經過多次的傳遞才能被讀出，因此在製作CCD時，必須使每個畫素都完美無缺，否則某一列的訊號便無法完整的讀出；另外，每次電荷傳遞必須非常的乾淨，即電荷傳遞效率要非常的高，否則因電荷的屯積而造成影像的smear。

因此CCD雖然是以矽晶片為材料，但必須發展特殊的製程技術，以確保高畫素的良率及高電荷傳輸效率，所以CCD的製造需累積相當的經驗，製造商也必須各自發展其特有的製程技術，因而形成市場由少數廠商所攏斷的局面。

CMOS影像感測器的製作，則跟DRAM類似，使用一般的半導體製程技術與設備即可，開發CMOS影像感測器的廠商，不必自備昂貴的半導體製程設備，只須將CMOS線路設計好，請半導體廠代工即可，在開發及製造成本上很具競爭力。除了在開發及製造成本上具競爭力外，CMOS還有以下的優點:

系統整合性：

由於CMOS影像感測器，是使用標準的半導體製程製作，因此可將感測器所需的週邊電路(如timing、control、multiplexer、A/D轉換、影像壓縮、電腦介面等)，一起製作在一片矽晶片上，甚至可將相機所有的電路，整合在單一個晶片上，製成所謂的”單晶片相機(Camera on a chip)”，不但可降低系統的成本及組裝所需的時間，亦可縮小系統的體積及複雜度。

《圖三 CMOS技術演進 》 資料來源：NIKKEI ELECTRONICS

低消耗功率：

CCD畫素為MOS電容構成的，讀取電荷訊號時需要使用電壓相當大(5-15V)的時序(clock)信號，才能有效地達到電荷傳遞的功能，因此使用CCD的取像系統，除了要有多個電源外，CCD的週邊電路也會消耗相當大的功率。CMOS感測器則只需要單一個5V(或3.3V)電源，能大幅提高電源的使用效率。典型的CCD取像系統須消耗2-5 W的功率，而有些使用CMOS的取像系統則只須消耗20-50 mW的功率。

區域讀取：

CMOS影像感測器各畫素感光所產生電荷後，隨即由畫素上的放大器轉換成電壓的訊號，此訊號可用行、列式的電極讀出，因此可以選擇隨機讀取感測器上任何區域的訊號，可增加取像的靈活性。CCD影像感測器則無此功能。

Anti-blooming：

CCD的Blooming是指某個畫素受到強光照射時，因電位井內積存的電荷飽和而擴散到鄰近畫素的現象，CMOS影像感測器畫素之間各自獨立，不會發生blooming的現象。

高Frame Rate：

CMOS感測器的行、列電極可以被高速地驅動，加上在同一晶片上做A/D轉換，影像訊號可以快速地取出，因此可在相當高的Frame Rate下運作，有些設計用來做機器視覺應用的CMOS，聲稱高達每秒1000個畫面的Frame Rate。

智慧型畫素：

Active Pixel CMOS畫素上的電路除了基本的訊號轉換及放大功能外，還可以將一些簡單的影像處理功能如邊緣辨識(Edge Detection)、移動偵測(Motion Detection)等做在電路 堙A構成所謂的智慧型畫素，可簡化系統結構及增加信號處理的速度。

跟CCD比起來，CMOS的主要缺點為雜訊高及靈敏度低，雜訊的問題可用Active pixel設計及雜訊補正線路加以降低，已有廠商聲稱所開發出來的技術，影像品質已不比CCD差；靈敏度低是因為畫素部份面積，須被用來製作放大器的線路，在固定的晶片面積上，除非採用更精細的製程技術，否則為了維持相當水準的靈敏度，感測器解析度不能做得太高(反過來說，固定解析度的感測器，晶片尺寸無法做得太小)，因此在超高解析度(數百萬畫素以上)及高靈敏度方面的應用，CCD仍將是較佳的選擇。

《表一　CCD與CMOS/APS特性比較》

CMOS影像感測器應用分析

CMOS影像感測器的發展跟其它新興的產品一樣，發展初期品質不佳，只被應用在低階的產品上，由於市場的需求，促使廠商改善技術提升品質，進而拓展新的應用領域，擴大市場規模。

目前已商業化的CMOS影像感測器，所擷取的影像雖然品質不是很好(雜訊大、解析度低，動態範圍小)，但由於製作簡單、價格低廉，因此大都被用在影像品質要求不高，但具成本壓力的產品上，例如安全監視、玩具、門禁(Door Phone)等。未來CMOS在此類應用的市場繼續成長，並拓展新的應用。

近年來由於多媒體電腦及網際網路的蓬勃發展，視訊會議、影像電話、視訊通信(Video E-mail)、PC Camera等多媒體應用紛紛興起，此類應用對影像品質的要求不是很高，但卻必須是低成本、低耗電及輕、薄、短、小，這些要求正好與CMOS的特性相符，因此視訊會議、影像電話等多媒體視訊傳輸應用可說是CMOS影像感測器應用的下一波。

數位相機及數位攝影機的應用，對影像品質要求較高，CMOS的影像品質無法滿足此類應用的需求，但是由於數位相機及數位攝影機應用市場相當龐大，因此吸引不少廠商投入開發高畫素的CMOS，目前已有Motorola及Kodak開發出1.3Mega pixel數位相機等級的感測器。

CMOS影像感測器發展趨勢

CMOS影像感測器未來的發展，除了提高畫質以拓展其應用領域外，將朝低單價及高附加價值兩個方向發展；一方面將感測器與週邊電路整合成為單晶片，以小體積、低成本、低消耗電力、單一電源等優勢，擴大在行動影像通訊設備(如筆記型電腦、PDA、PHS等)應用市場的佔有率；另一個發展方向，則是結合感光與影像處理或辨識的功能，使CMOS影像感測器成為高附加價值的智慧型感測器，應用在一些較特殊的用途上，如機器視覺、指紋辨識、動態檢測等。

目前從事開發或製造CMOS影像感測器的廠商規模大、小都有，最先投入的以歐、美廠商居多，而且不是剛起步的公司，便是中小企業，這是因為CMOS影像感測器的製作，使用典型的半導體製程及設備，只須要懂得感測器的設計，實際生產可請半導體廠代工，使小型公司亦有機會與CCD大廠在影像感測器的領域一爭長短。

結語

雖然CCD的技術已相當成熟，但是切入的技術障礙卻相當高，我國廠商並無技術跨入此門檻。不過CMOS影像感測器的興起，給了我國一個重新建立面型影像感測器產業的機會；由於CMOS影像感測器的製作使用典型的半導體製程，使我國發達的半導體工業，成為發展CMOS影像感測器的有利條件之一，加上初期的CMOS影像感測器可用在電腦資訊產品(我國另一頗具競爭力的產業)上，等技術成熟後，再發展高階的產品，十分值得政府研究單位或廠商投入研發。

不過在往後發展的過程上，仍將面臨日本及歐美大廠的激烈競爭；尤其是日本大廠，利用長期發展CCD的經驗，投入CMOS影像感測器的研發工作，使其開發過程更為縮短，這些都是我國產業未來需面對的挑戰。