偶然看到有人討論量子效率QE, 我就隨便寫寫我知道的

先放結論, 技術補足的情況下, cmos和ccd沒有太大區別, 都是si

以前也回過一個關於qe的答案, cmos能捕獲到百分之多少光線？25%？, 裡面我用matlab畫的圖就是不同epi厚度對於qe的影響, 不考慮任何非理想因素的理想狀態

  • CMOS在一般情況下比CCD長波效率低, 主要是因為受限於電壓範圍, ccd甭管它是稍厚的oxide還是deep depletion, 總之結果就是CCD工作電壓高了, 它的PN結電場向下延伸的範圍更深一點, 所以消費級的, CCD長波QE會好點

下面這個圖是cmos的photodiode, 我5/6年前仿的(當然和實際有差別, 這是最簡單的結構), 不特殊設計的話, 這個電場邊界也就2um這個範圍. 當然這個邊界之下還存在弱電場, 對於QE也是有貢獻的.

  • 手機vertical PD可能會深一點點, 因為pd doping設計取向不一樣, 比如下面這個, sony某背照型號, 一般這種類型的背照, 整個si厚度就是2~4um左右, 長波QE自然被限制了

取自論文, Reverse Engineering the Raspberry Pi Camera V2: A study of Pixel Non-Uniformity using a Scanning Electron Microscope, 2019

  • 但是cmos很多方法可以提升長波QE, 最簡單的就是加厚(背照加厚會犧牲短波的響應性能(crosstalk之類的), 這很好理解, 因為短波在很淺的深度吸收, 但是背照pd強電場範圍跑到反面去了), 下圖取自e2V, 裡面3條線是不同的厚度

當然加厚的同時, 可以給底部加偏置電壓之類的

圖取自, Teledyne e2v sensors for adaptive optics wavefront sensing on ELTs: high rate, large format, and low noise, 2017

  • 還有非常妙的技術來提升長波QE, 比如black silicon這種在表面做文章的, 也有類似的錐形體表面, 下面是個示意圖, 是sony的, 成果發在了nature上, IR sensitivity enhancement of CMOS Image Sensor with diffractive light trapping pixels, 2017, 在表面結構做文章, 等效增加光在si裏的路徑, 提升長波QE

當然這個技術國內公司也有用了類似的, 有一些SEM圖, 不過考慮一下還是不貼了

先寫這些吧

  • 補張圖, si材料對於光的吸收係數/深度和波長的關係, 頂天了, 可吸收的光子hυ, 不能小於si禁帶寬度

技術補足的情況下, cmos和ccd沒有太大區別, 都是si

圖取自, &, 2007

這個就是圖像感測器的發展問題了。

上個世紀60年代，cmos和ccd差不多同時出現。但是商業化的只是ccd而不是cmos。主要cmos的雜訊太高而被捨棄。然後只到90年代，見這篇論文。

1993-Fossum, Active Pixel Sensors: Are CCDs Dinosaurs?

cmos中提出了新的結構，在pixel中加入晶體管，這些晶體管提高像素輸出的驅動能力，從而也可以拉低雜訊。93這篇論文就提到了ccd的弱點，1，抗輻射能力不夠，因為ccd讀出的時候是電荷包轉移，路徑長，然後被輻照影響，2，解析度，依然是由於ccd是電荷包轉移，轉移的時候是有一定損失得，比如效率是0.999，轉移1000次之後損失了80%以上，如果效率是0.9999，轉移1000次損失20%的信號，CCD是做在Si裡面，Si裡面要是有鍵斷掉，那也會導致電子的損失；3，讀出速率不夠快。

其實上面說了這些點，cmos能商業化成功，最最主要的還是cost，貼一張圖[1]. 雖然有點老，但是信息足夠了，APS就表示cmos圖像感測器。

CCD雖然式微，但是對cmos在一些應用上依然有著優勢，1，TDI（時間延遲積分），CCD由於在電荷域操作，做到無雜訊的累加[2]，不過目前在基於CMOS的TDI也有研究；2，scientific camera，這種camera裡面用的EMCCD，目的在於低光照下的探測[3]，號稱可以探測單光子，常常用於生物熒光檢測之中，因為熒光是微弱的光。不過目前CMOS方面研究出了量子圖像感測器[4]，也可以探測到單光子，EMCCD的優勢也會日漸衰落，被CMOS取代。

如有錯誤或疑問請指出，謝謝。

Ref:

[1] http://ericfossum.com/Presentations/Part%203%20-Technology.pdf

[2] TDI CCDs are still the sensors of choice for demanding applications

[3] Electron Multiplying Charge-Coupled Devices (EMCCDs)

[4] http://www.mems.me/mems/optical_mems_201802/6027.html

1、可見光下，兩者性能差不太多

2、CMOS能大批量買得到，大批量製造成本低於CCD

3、CMOS適應性廣（High Gain、Long Exposure、Video）

那麼，關注主要幾個廠家的單反，Kodak、Canon、Nikon、Sony/Minolta、Olympus

Kodak的早期產品是CCD、比如DCS 760，到了14N則為CMOS

Canon只有第一代1D是CCD，其後基本上都使用CMOS，算是較早投入研究的大廠

Nikon則是兩者都有，D1X、D80這種用CCD、D3X、D90這種用CMOS，當然還有自家設計的LBCAST

Sony/Minolta在A390之後，由CCD全面轉入CMOS，現在能見到的Sony CCD，一般是工業用途

Olympus那些Kodak CCD的機器，E-1、E-300一類，只存在歷史記錄了吧

具體討論的話：

可見光情況下，CCD能做到的，CMOS大部分能夠做到。

可見光之外的話，CCD還是能感知的，比CMOS要廣，因此一般相機需要更厚的IR的來滿足IR Cut。例如Leica M8，高反射率的黑色會發紫，由於0.5mm的UVIR效率不佳引起。

由於這個特性，很多應用選擇天文專屬CCD，可冷凍。對於一般玩家，選擇Nikon D810A即可。

因為行業上持續的投資，CMOS一直在改進，其特點：低耗電、高感光、背照式感測器、堆棧式感測器、高讀取速率

當然，還有CMOS大批量製造的價格，少於同等的CCD

一般說來，單反是一個幹活的機器，最好的是能夠直接拿到可用的圖，大部分廠家是選擇了：1、禁止用戶觸碰內部Bayer RAW轉化，2、禁止關閉Black Reference獲取，3、默認高反差的Gamma和較為鮮艷的增益表。這點對於CCD機器的高級玩法，不太友好。

至於更容易的日常感知，現在的相機，不只是要拍照，還要拍視頻

拍視頻，全局快門非常爽快，但CCD比較慢，無法拍攝高幀速率的視頻，一般行業裏的CCD，720P達到30FPS，已經算是很快了。而CMOS的話，不說別的，當代手機都可以720P下的960FPS了。即便找到最早的高速攝影機器Casio EX-F1（2008年），也可以達到1200fps呢（336x96 px）。

CCD給夠電，能夠達到更好的畫面感知，但這個電壓通常有一點高，以至於大部分CCD機器都有電老虎的稱呼。

以上

當年在ISO大戰中CMOS系的佳能打敗了CCD系的尼康，賓得，索尼和奧林巴斯，後來除了奧林巴斯大家都用CMOS了。

奧林巴斯則是用PMOS作為感測器了，可能是當時松下搞出來的CMOS還不如PMOS，一直到索尼入股，才用上CMOS

這個轉換大概是06-08年。

當年CCD感測器的成像風格，其實是比CMOS好的，主要是CMOS太過線性化。CCD出的片一般飽和度比較好。

CCD也有一些比較明顯的缺點，比如耗電（因為是流控元件），發熱（也是高ISO不行的原因之一），還有速度慢（CCD是全幀讀取的，讀取期間沒法曝光，奧林巴斯在E330因為要實現LiveView所以向松下定製了叫做LiveMOS的PMOS感測器）

ccd和數字cmos工藝不兼容，必須在片外進行數模轉換，前端雜訊控制能力差，暗部純凈度差，弱光能力差

功耗極高，ccd做到135幅面幾乎無法進行長時間的實時取景，否則過熱燒毀，更不要說視頻拍攝

刷新率低，影響了實時取景和視頻的使用

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