本文于2007年7月17-20日在澳大利亚悉尼召开的SMPTE Australia 07 Conference and Exhibition上提交。Copyright 2007 by SMPTE
为何CMOS得到采用要花如此之长的时间？
任何摄像机的性能无疑得从采用的成像器开始说起。
在高端的成像器应用中，人人都走技术上有可能实现的极端，原因是在一般的意义上来说我们都处于一种囚徒困境。如果我们不做，竞争者将做。
在讨论CMOS和CCD成像器时，开始的一个问题可能是：有可能开发一种受以下条件限制的CMOS成像器吗？它应该是一个具有11mm图像对角线的1920×1080p30成像器，用它可以开发一种三成像器的摄像机，此摄像机在2000lx、f/11、90%和3200K，30MHz带宽内有54dB的亮度信噪比；它有500%的过曝光容限，可被用于1920×1080i60甚或1280×p60，全都具有经得起竞争的图像质量。
CCD就做到了，只要看看目前市场上的所有摄像机就清楚这一点。
为回答CMOS成像器的这个问题，需要更仔细地考查CMOS成像器的历史。
一. 历史
回顾历史，我们发现MOS成像器是由Wecker和Noble于1967年发明的，比Boyle和Smith在1970年发明CCD成像器早了3年。图1显示20世纪60年代末MOS开始出现，在70年代初被CCD接过快步超过。只不过是在1995年后（这年CCD到了成熟期），可见的CMOS开始其快速上升。
但问题是，“CMOS成像器进入市场为什么要花如此长的时间，甚至于它们在CCD前就想到的地方也是如此？”行话是“微影形体尺寸”（LITHOGRAPHIC FEATURE SIZE）。
一般地说CCD像素要比CMOS像素简单。后者包含多得多的活性元素，如每个像素有其三晶体管和一光敏二极管的3T像素。
对某一图像对角线和像素数，像素规模是固定的。例如在2/3’’1920×1080全HDTV成像器的情况下的5?m×5?m。在消费市场，人们争取最小的图像对角线，（如在许多数码像机和手机中），从而使成像器和光学装置价廉。
归纳如下：对某一像素规模，与CCD相比，CMOS像素要求制造出更小的形体尺寸。
对于2/3英寸成像器，像素尺寸在SDTV约为10?m×10?m，而在HDTV为5?m×5?m。与其它对角线尺寸相比，此尺寸按比例减小，如1/2英寸和1/3英寸。
一篇已经很旧但依然非常有效的论文[1]指出微影形体尺寸和像素尺寸间的比例约为20。为支持此结论，图2画出了1993年到2007年期间这2个参数。
显然要使HDTV CMOS成像器（5?m像素）可行，需要一种有0.25?m或更小的形体尺寸的CMOS工艺。而这一点仅仅在最近才得以实现。
第一款2/3英寸HDTV CMOS成像器于2001年公开。它强调了以上的结论，而且回答了为什么CMOS成像器现在才可用于广播的问题。
一般地说CMOS成像器用于原来采用大格式成像器的较高要求的应用，如用于35mm-SLR的成像器。像素比5?m大得多因此更易设计和制造。由于有更大的像素区域，灵敏度问题变小，而且往往既不需要U镜头，也不用。
二. 自验预言
许多人相信CMOS成像便宜且质量低，但这是一种自验预言。将在下一章讨论的运用CCD中已知的解决方案，要求另外的处理步骤和屏蔽，它们导致成像器稍增成本，并且是一个不易实现的结果。
在设计一种成像器时，需要处于技术先进地位的参数永远都是类似的，不管是CCD还是CMOS。这些参数是：
（1）时间噪声或读噪声
（2）灵敏度或量子效率及填充因数
（3）Qmax或过曝光容限，它连同读噪声确定动态范围
（4）暗电流
（5）固定模式噪声
（6）像素间随机非一致性或增益差
以及程度轻些的与如刮痕、漏泄像素、偏离像素等的问题有关的全部产物。
CCD在改进上述所有参数方面有悠久的历史。往往是实现其中一个参数的改进，同时保持其它一个参数的性能不变或使之更好。因此它们代表了一个基准点，而CMOS成像器必须符合。
摄像机的性能由其采用的成像器决定，同样成像器的性能基于像素性能。
1.像素内的晶体管数
CMOS像素包括若干晶体管和光敏二极管，像素类型以每像素的晶体管数表示，例如三晶体管像素被表示为3T像素，四晶体管被表示为4T像素，而1.5晶体管像素被表示为1.5T共享的像素。
2.灵敏度
由于晶体管占据的区域，填充因数（实际上就是光敏二极管区与像素区之比）比100%低得多，50%并不罕见。如果没有其它任何措施，小填充因数将导致低灵敏度。
这个获得在像素/光敏二极管内的光问题很久以前已在CCD中得到解决。解决方案是在每个像素上应用U镜头。它将光聚焦在光敏二极管上，并再聚焦那些通常落在不灵敏部分的光。它提高效率，填充因数可达90%-100%。
3.固定模式噪声
早期的IT和FIT CCD遭受LAG。在像素读操作后，并非全部电荷都被读出，残留的电荷被保持，并在下一周期内读出。特别是场景内有一最亮点，摄像机摇摄时它以一种余晖出现。P+顶层应用解决CCD内的这个问题。令人惊讶的是它还解决暗电流和固定模式噪声问题。现在LAG解决方案已被遗忘，而对暗电流和FPN的关系依然存在。CMOS成像器中碰到同样的LAG和固定模式噪声问题。光敏二极管内同样的P+顶层又解决表面感应的暗电流和固定模式噪声问题。
4.读噪声
每一个CMOS像素都有一个电容性检测结点，与CCD的浮动扩散相似。这里电荷被转换为电压（波动）。每当一个包含视频信息的电荷包被自动检测，准备用于下一个电荷包时，此电容需要重置（放电）。当此电容被重置并准备接受下一个电荷包时，就产生了重置噪声——KTC噪声。它保持在电容器或检测结点上，一直到下一次活动开始。它是一种随机的偏移。此噪声分量非常大。为获得充足的性能，对其的拟制是强制性的。此解决方案又在CCD中找到，被称为相关双取样（CDS）。相关是由于这种处理包括在电容被重置后的黑色电平取样以及在电荷被集聚在光敏二极管上时的重新取样，并且减去这两个电平。电平属于一个和相同的重置时间间隔，因此被相关。这种噪声改进也可以用到CMOS成像器。还有其它的解决方案消除KTC噪声，它们被称为软重置。遗憾的是它们通常有与LAG相关的问题。
三. 更多的CMOS问题
作为一种中间的结论，可能有人宣称CMOS成像中需要解决的若干问题已经在CCD中得到解决。
CMOS其中一种优点是在同一芯片上集成另外电路的可能性。人们可能想到模拟/数字转换器、模拟增益级，以及存储器和校正电路。对于大众市场，人们甚至发现了只需1或2个供电电压及有光输入和CVBS输出的单片PAL或NTSC成像器。
许多小公司基于他们在模拟和数字设计上的经验努力进入CMOS成像器市场。来自代工企业的成套设计工具仅仅有助于实现不错的DC产量和功能性的AC产量。遗憾的是对于这些小公司来说，CMOS成像器在成像上而不在模拟或数字设计内具有其基本要素。成像部分将设计一种CMOS成像器带入一个不同的专业领域。涉及的问题与CCD涉及的完全一样复杂，正常的提取工具无助于事，原因是它们不能应付硅芯片（由于它在像素内）。各方面的问题如可能的成形、耗尽区、污染、晶格损伤、接地跳动、排出空穴和来自像素的剩余电子。成像器加工中的经验和见识是不可缺少的。
代工企业中提供的基本CMOS工艺的产品已处于一个高水平，它是运行良好的商业模式所必需的，这为CMOS成像器提供了收益曲线上开始升高的优点。仅仅需要另外的成像工艺步骤就能带来足够的产量。相比之下，在CCD，人们通常起始于低的产额工程曲线。
四. 图像对角线
在消费市场，有一个认识倾向是像素越多越好。但在更小的芯片区内更高的像素导致少或极少像素。当前的趋势是在约2.5mm2，甚至稀有的0.9?m像素都被设计出来！
在广播应用中，图像对角线长期以来都是2/3英寸，更低程度是1/2英寸。对角线近年来下降到1/3英寸用于专业AV等的应用。
基本问题在于灵敏度。从2/3英寸降至1/2英寸，像素区2倍缩减。1/3英寸成像器甚至有小4倍的像素区。因此对于某一分辨率（读像素数量），1/2英寸有1-fstop（光圈孔径），较低的灵敏度，而1/