Diferencias entre CMOS y CCD

Cualquier diseño para aplicaciones de imágenes, visión por computadora y fotónica necesitará algún tipo de ensamblaje óptico y sensor para funcionar correctamente. Su próximo sistema óptico incorporará una amplia gama de componentes ópticos, y los sensores de imágenes son el puente entre los mundos óptico y electrónico.

 

La selección juiciosa del sensor requiere considerar una serie de factores. Algunos de estos factores se relacionan con el tiempo de respuesta, el factor de forma, la resolución y la aplicación. La elección entre un sensor CCD o CMOS puede ser difícil, pero determinará qué tan rápido su sistema puede resolver imágenes mientras evita la saturación. Si necesita trabajar fuera del rango visible, deberá considerar materiales alternativos al Si para obtener imágenes efectivas. En algunas aplicaciones, puede tener más sentido trabajar con una matriz de fotodiodos. Esto es lo que necesita saber sobre estos diferentes tipos de sensores y cómo elegir el componente adecuado para su aplicación.

 

 

El material activo utilizado en su sensor determinará el rango de longitud de onda sensible, las pérdidas de cola de banda y la sensibilidad a la temperatura. Puede estar trabajando en los rangos infrarrojo, visible o UV, según su aplicación. Para los sistemas de cámara, querrá sensibilidad en todo el rango visible, a menos que esté trabajando en un sistema de imágenes térmicas. Para aplicaciones de imágenes especializadas, como imágenes de fluorescencia, puede estar trabajando en cualquier lugar, desde el rango IR hasta el UV.

 

Algunos materiales activos aún se encuentran en la etapa de investigación, mientras que otros están fácilmente disponibles como componentes comercializados. Si está comparando componentes de sensores CCD y CMOS, el material activo es un buen punto de partida para seleccionar sensores candidatos.

• Si:Este es el material más común utilizado en los sensores de imágenes. Su banda prohibida indirecta de 1,1 eV (borde de absorción de ~1100 nm) lo hace más adecuado para longitudes de onda visibles y NIR.
• InGaAs:Este material III-V proporciona detección IR hasta ~2600 nm. Su baja capacitancia de unión de<1 nF makes InGaAs sensors ideal for applications at SMF wavelengths (1310 and 1550 nm). Tuning is achieved by altering the stoichiometry of In(1-x)GaxAs. InGaAs CCD sensors are available on the market from photonics suppliers, and companies like IBM have demonstrated InGaAs compatibility with CMOS processes.
• Ge:Este material es menos común en cámaras y sensores CCD debido a su mayor costo que el Si, y los sensores CMOS de SiGe y totalmente Ge siguen siendo un tema de investigación candente.

Una vez considerados el estándar de oro para el rendimiento en visión artificial, los sensores CCD (Dispositivo acoplado de carga) se están descontinuando en favor de los modernos sensores de imágenes CMOS (Semiconductor de óxido de metal complementario) en muchas aplicaciones. ¿A qué se debe esto y cómo sabe qué tipo de sensor es el adecuado para su proyecto?

 

Aquí hay una explicación simplificada de cómo funcionan las tecnologías:

 

Los sensores de imagen CCD y CMOS convierten la luz en electrones al capturar fotones de luz con miles, o millones, de pozos de captura de luz llamados fotositos. Cuando se está tomando una imagen, los fotositos se descubren para recolectar fotones y almacenarlos como una señal eléctrica.

 

El siguiente paso es cuantificar la carga acumulada de cada fotosito en la imagen. Aquí es donde las tecnologías comienzan a diferir: en un dispositivo CCD, la carga se transporta a través del chip y se lee en una esquina de la matriz, y un convertidor de analógico a digital convierte la carga de cada fotosito en un valor digital.

 

 

En la mayoría de los dispositivos CMOS, por otro lado, hay varios transistores en cada fotosito que amplifican y mueven la carga utilizando cables más tradicionales. Esto hace que el sensor sea más flexible para diferentes aplicaciones, ya que cada fotosito se puede leer individualmente.

 

Un proceso de fabricación especial brinda a los dispositivos CCD la capacidad de transportar cargas a través del chip sin distorsión, lo que da lugar a sensores altamente sensibles y de alta calidad. Los chips CMOS utilizan procesos de fabricación más convencionales (y más económicos).

 

Todo esto se suma a varias diferencias principales entre los sensores CMOS y CCD:

• Los sensores CCD crean imágenes de alta calidad y bajo ruido. Los sensores CMOS suelen ser más susceptibles al ruido.
• Debido a que cada sitio de fotos en un sensor CMOS tiene varios transistores ubicados junto a él, la sensibilidad a la luz de un chip CMOS tiende a ser menor, ya que muchos de los fotones golpean los transistores en lugar del sitio de fotos.
• Los sensores CCD consumen hasta 100 veces más energía que un sensor CMOS equivalente.
• Los sensores CMOS se pueden fabricar en la mayoría de las líneas de producción de silicio estándar, por lo que su producción es económica en comparación con los sensores CCD.

En general, los sensores CMOS son mucho menos costosos de fabricar que los sensores CCD y su rendimiento está mejorando rápidamente, pero es posible que aún se requieran sensores CCD para algunas aplicaciones exigentes.