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前言
提到CCD或CMOS，即使是攝影愛好者（進階者除外）也可能會不知所云。但如果說「相機芯片」「影像傳感器」「全畫幅芯片」之類的，大家便會瞬間覺得熟悉很多。在不嚴謹討論的情況下，我們大概可以認為CCD、CMOS和影像傳感器就是一回事，但事實上它們並不等價，不能混為一談。
並非影像君故弄玄虛，而是因為CCD和CMOS分別代表了兩種主流的、不同設計、不同原理的影像傳感器技術——這便是本文想要探討的話題。我們不僅要討論「是什麼」（What），而且還要嘗試討論「如何」（How）和「為什麼」（Why）。
「芯片」的話題很大，我們不妨先從半導體的概念開始說起。
一、半導體
「半導體」是一個相對導體和絕緣體而提出的概念，因此，我們有必要先了解一下何為導體和絕緣體。
1.1 導體、絕緣體
從「導電性」的角度而言，我們大致可將物體分為「導體」和「絕緣體」：前者導電，後者不導電。
是什麼本質原因導致了兩者在導電性能上的差異呢？這便不得不提「原子結構」的問題。
1913年，丹麥理論物理學家玻爾（Niels Bohr）在前輩盧瑟福（Ernest Rutherford）的研究基礎上提出了「盧瑟福-玻爾原子模型」，如圖1-1所示：
圖1-1
理論認為，原子由帶正電的原子核和帶負電的電子組成，原子核又可細分為帶正電的質子和不帶電的中子，電子則處於原子核外的離散軌道上。電子距原子核越遠（電子軌道越高），其受到的約束力越小。
該模型還從「能級」（energy level）的角度描述了電子的運動特性。電子所處的軌道越高，其能級也越高，反之亦然。最外層的軌道能級最高，通常用「價帶」（valence band）來描述。當吸收能量時，電子受激發，從低能級（低軌道）向高能級（高軌道）遷躍（如圖1-2所示）。
圖1-2
若吸收的能量足夠多，電子便能突破原子核的束縛，從價帶躍遷至導電帶（conduction band），成為可以自由遊動的電子。自由電子越多，則物體導電性能越強。
1.2 半導體
半導體是一種介於導體和絕緣體之間的材料，在自然狀態下，其導電性能接近於絕緣體，但只要有少量電子吸收了能量，便能躍遷至導電帶，成為導體。
常見的半導體材料是在硅（Si）材料中摻雜其它元素，如磷（P）或硼（B）。三者在元素週期表中的位置相鄰，它們有相近的原子結構——最外層的電子數分別為4、5、3。因此，當在硅材料中摻雜磷元素時，由於兩兩共價而達到穩定的電子層結構，每個磷原子會多出一個自由電子，這種提供自由電子 （也稱為「供體」）的半導體稱為「N型半導體」（N為negative的縮寫），如圖1-3所示[1]：
圖1-3
同理，當在硅材料中摻雜硼時，由於共價的關係，每個硼原子會多出一個呈正極的電子空位，稱為電子穴（hole），這種有吸引電子 （也稱為「受體」）能力的材料稱為「P型半導體」（P為positive的縮寫），如圖1-4所示：
圖1-4
1.3 PN結
P型半導體和N型半導體整合在一起時，便形成了一個PN結 ，中間邊界附近、束縛較弱的電子會自由移動並填充P型硅的電子穴，逐漸達到一種動態平衡，在中間形成了一個耗盡區（depletion area），如圖1-5所示：
圖1-5
當給兩極施加反向偏壓（即P側加負電壓，N側加正電壓）時，耗盡區增加，導電性能下降 ；當施加正向偏壓（即P側加正電壓，N側加負電壓）時，耗盡區減少，導電性能上升。這種通過控制偏壓達到單向導電的目標的元件，即為二極管。
二、數字影像之「芯」：CCD
1969年，美國貝爾實驗室的兩位科學家 Willard Boyle和George E. Smith發明了數字影像傳感芯片——CCD。CCD的英文全稱為Charge-Coupled Device，直譯為「電荷耦合設備」。
2.1 CCD結構
根據CCD的結構，我們大致可將其分為上下兩大部分：
光學濾鏡和集成電路。
CCD芯片的表面是一系列光學濾鏡組件，主要由抗紅外線的微型透鏡和拜耳彩色濾鏡 兩部分組成，如圖2-1所示：
圖2-1
拜耳陣列（Bayer array）彩色濾鏡是彩色成像的重要組件，它使用了RGB（紅綠藍）色彩模型。由於人眼對綠色的敏感度是紅色和藍色的兩倍，因此綠色濾鏡的數量是紅色和藍色的兩倍。
濾鏡下一層便是傳感器集成電路。上面是數以千萬計的像素（即感光單元），每一個像素均由
4個（2個綠色濾鏡、1個紅色濾鏡和1個藍色濾鏡）光電二極管構成。像素呈分層結構，從上至下依次為：多晶硅電極、二氧化硅、N型半導體和P型半導體。其橫截面示意圖如圖2-2所示：
圖2-2，Photo via MicroscopyU
2.2 CCD運行原理
繼續看上面的圖2-2。我們可以看到，PN結處有一個耗盡區，當施加反向電壓（上為正極，下為負極）時，電子吸收了入射光的能量而躍遷成為了自由電子，存儲於正電極下方所形成的
電勢井（potential well）中。若把電勢井類比為杯子，光生電子（光電效應所產生的電子）則類似於杯子裡的水。入射光越強，光生電子也越多，杯裡的水便越多。電壓的開啟與關閉由一系列的時序門電路控制，電勢井會隨著電壓的改變而向鄰近高電壓處遷移，從而達到了電荷轉移的目的。其動態示意圖如圖2-3所示：
圖2-3
2.3 CCD的三種架構
CCD設計通常有三種架構：
幀轉移（FT）、全幀（FF）和行間轉移（IL）。
三種架構代表了三種不同的電荷轉移方式，其示意圖如圖2-4所示（箭頭即為電荷轉移方向）：
圖2-4
下面我們簡單來了解一下這3種架構的CCD。
2.3.1 幀轉移架構
幀轉移架構（frame transfer）的CCD分為兩部分：影像區和存儲區。前者由光電二極管組成，負責將光電信號轉換成模擬電信號；後者則有遮光塗層，不感光，主要用於存儲並讀取電荷數據。其結構示意圖如圖2-5所示：
圖2-5，Photo via Hamamatsu.magnet.fsu.edu
平行時鐘控制偏壓電路，將電荷從影像區轉移至存儲區，系列移位寄存器以「行」為單位讀取電荷數據後傳輸至芯片外部的信號放大器。最後一行的電荷數據從芯片轉移出去之後，開始重複下一行數據的轉移[1]。
此類CCD的優點是較高的幀轉移效率，無需機械快門。缺點是較低的影像解析度（較小的感光區，可容納的像素較少）和較高的成本（兩倍的硅基面積）。
2.3.2 全幀架構
與幀轉移架構最大的不同是，全幀架構（full frame）的全部區域均為感光區，不設獨立存儲區。平行移位寄存器位於感光區下一層，也是以行為單位讀取電荷，餘者與幀轉移類似。如圖2-6所示：
圖2-6，Photo via Hamamatsu.magnet.fsu.edu
正如前文所述，為了便於大家理解，可將電勢井類比為杯子，電子類比為水，則，其電荷轉移原理示意圖可用圖2-7來表示：
圖2-7
此類CCD的優點是：擁有更高的芯片使用率，製作成本相對低廉。若寄存器在讀取光電二極管的數據時，後者仍然處於曝光狀態，則最終的影像將會出現拖尾效應（如圖2-8所示）。因此，此類CCD需配合機械快門一起使用，後者起到了遮光和控制曝光的作用。
圖2-8
2.3.3 行間轉移架構
行間轉移架構（interline transfer）在外觀設計上與全幀CCD類似，不同之處在於，每個像素旁邊即有一個不感光的寄存器，每兩個像素成對耦合在一起，電荷以「每兩個像素為單位」轉移至寄存器，這便是「電荷耦合」名稱的由來。如圖2-9所示：
圖2-9，Photo via Hamamatsu.magnet.fsu.edu
此類型CCD最大的優點是，無需搭配機械快門，較高的幀轉移效率，因此，影像拖尾效應也相對減少。缺點是，更復雜的設計架構和更高的製作成本。
三、數字影像之「芯」：CMOS
3.1 CMOS結構
1992年，美國航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室科學家Eric Fossum博士發表了長篇論文，討論了有源像素傳感器技術的應用，後來便有了CMOS傳感器的出現。
CMOS，英文全稱為Complementary Metal-Oxide Semiconductor，譯為「互補金屬氧化物半導體」。CMOS影像傳感器主要由以下四部分構成：
（1）微透鏡：位於傳感器最頂層，主要作用是將入射光線聚焦 於光電二極管，提高光線的利用率。
（2）彩色濾鏡：與CCD類似，也是拜耳濾鏡，包含紅、綠、藍三種顏色，用於過濾不同波長的光線。
（3）金屬連接層（電路）：金屬（鋁或銅）連接線和氧化物保護膜。
（4）硅基：內置主要元件為光電二極管，將光信號轉換成電信號。
其橫截面示意圖如圖3-1所示：
圖3-1，Photo by IBM。
3.2 CMOS運行原理
與CCD最大的不同是，CMOS的每個像素都內置有一個獨立的信號放大器，因此，CMOS傳感器也被稱為有源像素傳感器（APS，Active Pixel Sensor）。光線進入CMOS後與光電二極管發生光電效應，偏壓門電路控制後者的光敏性，從上至下逐行掃描式曝光，每個像素內產生的電信號均被立即放大（相關知識，可閱讀影像派之前的文章《攝影知識科普 | 你最熟悉的「快門」，卻藏有這些你最陌生的認知》）。傳感器的每一列都有模數轉換器（ADC）， 以「列」為單位讀取電荷數據並轉移至並行處理總線，然後輸送至信號放大器，最後傳至圖像處理器。
示意圖如圖3-2所示：
圖3-2
3.3 前照式 vs 背照式
根據結構的不同，CMOS影像傳感器可分為「前照式」和「背照式」兩種。
傳統CMOS的光電二極管位於傳感器的最底部、金屬線下方，入射光從光電二極管的前面（與電路相連的一側）進入，此類CMOS傳感器因此被稱為「前照式傳感器」（FSI, Front-side Illuminated Sensor）。如圖3-3所示：
圖3-3
前照式傳感器有一個最大的缺點：
光線在照射到光電二極管時要先經過電路，電路中的金屬線會反射一部分入射光，這不僅直接降低了光線的利用率，而且光線的散射也增加了系統的噪聲，降低了傳感器的寬容度。
為了提升傳感器在弱光環境下的感光表現，減少系統噪聲，後來在前照式設計的基礎上進行了改進與升級，將光電二級管置於電路上方，入射光經過濾鏡後直接從二極管的背面（背對電路的一側）進入。因此，此類CMOS被稱為「背照式傳感器」（BSI, Back-side Illuminated Sensor）。如圖3-4所示：
圖3-4
背照式傳感器的優點在於：
大大縮短了光線抵達光電二極管的路徑，減少了光線的散射，使光線更聚焦，從而提升了在弱光環境中的感光能力，減少了系統噪聲和串擾。背照式設計是CMOS技術的重大改進，對傳統CMOS具有更大的競爭優勢。
四、CCD vs CMOS
最後，我們來簡單對比一下兩類影像傳感器的優劣。
4.1 CCD的優劣
CCD傳感器的主要優點是高畫質（噪點較少）和高光敏性（感光區域面積更大），但同時也有高能耗、易發熱、製作成本高和低處理效率等缺點。CCD主要應用於對畫質和寬容度要求較高的領域，如航天、醫學等。
4.2 CMOS的優劣
由於每像素都有獨立放大器，而且每一列都有模擬/數字信號轉換器，CMOS傳感器比CCD有更高的數據處理效率高。由於所需電壓比CCD低，能耗也大幅減少，無發熱問題。低廉的生產成本使得CMOS有技術應用普及、高度商業化的優勢。CMOS的這些優點，都是CCD所不具有的。
然而，CMOS並非完美。大量增加了信號放大器固然提升了數據處理效率，但同時也無可避免地抬高了系統的底噪，使得最終影像的噪點問題更為突出，畫質方面的表現不及CCD。此外，CMOS的像素區域（感光區）尺寸不如全幀架構CCD，導致前者的弱光表現能力亦不及後者。
雖然CMOS憑藉其小尺寸、低成本、低能耗等優勢，一直主宰著消費級數碼相機和手機攝影領域，但並不意味著CCD已被市場淘汰，兩者不是誰取代誰的問題，而是兩者各有千秋，各有各的江湖。
結語
綜觀全文，我們從原子結構的角度切入，引出了半導體，繼而深入探討了CCD和CMOS，分別向大家簡要介紹了各自的物理結構和運行原理。文章雖長，但依舊難免疏漏，無法做到面面俱到，只因傳感器的真實世界遠比我們想象中要複雜和浩瀚。限於篇幅與個人能力，【影像派】也只能略陳一二，權當拋磚引玉。不足之處，還望讀者斧正。
參考文獻
[1]Mortimer Abramowitz，Michael W. Davidson，
Concepts in Digital Imaging Technology，hamamatsu.magnet.fsu.edu
[2]Elizabeth Allen,Sophie Triantaphillidou,The Manual_of_Photography (10th ed.) Oxford Focal Press；
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