CCD是電荷耦合器件(charge-coupled device), 它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料（p-Si）制成，能把光轉(zhuǎn)變成電荷。在一個(gè)用于感光的CCD中，有一個(gè)光敏區(qū)域（硅的外延層），和一個(gè)由移位寄存器制成的傳感區(qū)域。圖像通過透鏡投影在一列電容上（光敏區(qū)域），導(dǎo)致每一個(gè)電容都積累一定的電荷，而電荷的數(shù)量則正比于該處的入射光強(qiáng)。如圖在柵電極（G）中，施加正電壓會(huì)產(chǎn)生勢(shì)阱（黃），并把電荷包（電子，藍(lán)）收集于其中。只需按正確的順序施加正電壓，就可以傳導(dǎo)電荷包，如圖1所示。

圖1 CCD像元及轉(zhuǎn)移示意圖

多個(gè)像素電荷轉(zhuǎn)移如圖2所示，一旦電容陣列曝光，一個(gè)控制回路將會(huì)使每個(gè)電容把自己的電荷傳給相鄰的下一個(gè)電容（傳感區(qū)域）。

圖2 多像元轉(zhuǎn)移示意圖

陣列中最后一個(gè)電容里的電荷，則將傳給一個(gè)電荷放大器，并被轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。通過重復(fù)這個(gè)過程，控制回路可以把整個(gè)陣列中的電荷轉(zhuǎn)化為一系列的電壓信號(hào)，如圖3所示。

圖3 CCD讀出電路示意圖

CMOS是互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N（帶–電）和 P（帶+電）級(jí)的半導(dǎo)體，利用這個(gè)工藝產(chǎn)生的成像傳感器稱為CMOS成像傳感器。目前其基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)光電二極管，一個(gè)浮置柵，傳輸門，復(fù)位門，選擇們以及源級(jí)跟隨讀出管構(gòu)成，稱為4T單元結(jié)構(gòu)。如圖4所示。

圖4 典型的4管像元結(jié)構(gòu)

其他結(jié)構(gòu)有三管結(jié)構(gòu)和二管結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 三管像元結(jié)構(gòu)(左)和二管像元結(jié)構(gòu)(右)

CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器的主要區(qū)別如下：

1.成像過程

    CCD與CMOS圖像傳感器光電轉(zhuǎn)換的原理相同，都是把光子轉(zhuǎn)換為電荷，如圖6所示

圖6 光電轉(zhuǎn)換示意圖

    在制造上的主要區(qū)別是CCD是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱做金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上，他們最主要的差別在于信號(hào)的讀出過程不同；由于CCD僅有一個(gè)（或少數(shù)幾個(gè)）輸出節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一讀出，其信號(hào)輸出的一致性非常好；而CMOS芯片中，每個(gè)像素都有各自的信號(hào)放大器，各自進(jìn)行電荷-電壓的轉(zhuǎn)換，其信號(hào)輸出的一致性較差，數(shù)以百萬的放大器的不一致性卻帶來了更高的固定噪聲，這又是CMOS相對(duì)CCD的固有劣勢(shì)。同時(shí)，CMOS具有更好的高光溢出(blooming)控制性能。

2.集成性

       從制造工藝的角度看，CCD中電路和器件是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，工藝較復(fù)雜，世界上只有少數(shù)幾家廠商能夠生產(chǎn)CCD晶元，如DALSA、SONY、松下等。CCD僅能輸出模擬電信號(hào)，需要后續(xù)的地址譯碼器、模擬轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)處理器處理，并且還需要提供三組不同電壓的電源同步時(shí)鐘控制電路，集成度非常低。而CMOS是集成在被稱作金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上，這種工藝與生產(chǎn)數(shù)以萬計(jì)的計(jì)算機(jī)芯片和存儲(chǔ)設(shè)備等半導(dǎo)體集成電路的工藝相同，因此生產(chǎn)CMOS的成本相對(duì)CCD低很多。同時(shí)CMOS芯片能將圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)處理器及控制器等集成到一塊芯片上，只需一塊芯片就可以實(shí)現(xiàn)相機(jī)的的所有基本功能，集成度很高，芯片級(jí)相機(jī)概念就是從這產(chǎn)生的。隨著CMOS成像技術(shù)的不斷發(fā)展，有越來越多的公司可以提供高品質(zhì)的CMOS成像芯片，包括：Micron、 CMOSIS、Cypress等。

3.速度

CCD采用逐個(gè)光敏輸出，只能按照規(guī)定的程序輸出，速度較慢。CMOS有多個(gè)電荷-電壓轉(zhuǎn)換器和行列開關(guān)控制，讀出速度快很多，大部分500fps以上的高速相機(jī)都是CMOS相機(jī)。此外CMOS的地址選通開關(guān)可以隨機(jī)采樣，實(shí)現(xiàn)子窗口輸出，在僅輸出子窗口圖像時(shí)可以獲得更高的速度。

4.噪聲

CCD技術(shù)發(fā)展較早，比較成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對(duì)CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢(shì)。由于CMOS圖像傳感器集成度高，各元件、電路之間距離很近，干擾比較嚴(yán)重，噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大。隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。

5.感光度

由于CMOS每個(gè)像素包含放大器和AD轉(zhuǎn)換電路，過多的額外電路使得像素的可感光面積變小，因此在相同的像素下，同樣大小的傳感器尺寸，CMOS的感光度要低于CCD

6.功耗

CMOS的讀出方式為主動(dòng)式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由旁邊的晶體管放大輸出，而CCD是被動(dòng)式，必須外加電壓讓每個(gè)像素中的電荷移動(dòng)到讀出讀出通道，這需要外加電壓，通常為12V以上的，因此CCD還必須有更精密的電源設(shè)計(jì)和耐壓強(qiáng)度。同時(shí)CCD為了讀出整幅圖像信號(hào)，要求輸出放大器的信號(hào)帶寬較寬，而在CMOS芯片中，每個(gè)像元中的放大器的帶寬要求較低，大大降低了芯片的功耗。

盡管CCD在圖像品質(zhì)等很多方面優(yōu)于CMOS，但是不可否認(rèn)CMOS具有低成本、低功耗以及高整合度的特點(diǎn)。CMOS的低成本和穩(wěn)定供貨成為了生產(chǎn)廠家的最愛，其制造技術(shù)也在不斷的更新改進(jìn)，使得兩者之間的差異逐漸縮小。