CCDとCMOSに関する疑問

質問

スキャナなどに使われるCCDとCMOSのもっとも大きな違いは、
一つ一つのフォトダイオードに対してIVコンバータがついているか（CMOS)、
全てのフォトダイオードに対して一つだけIVコンバータがついているかということだと思います。

http://www.ic.is.tohoku.ac.jp/~swk/lecture/ic2005/kagami_ic20050419.pdf
しかし、このページの12ページ目の表に書かれてあるように
CCDの方がCMOSよりも高感度であるが、消費電力が高く、製造プロセスも複雑という特徴を持っています。
これって逆ではないのでしょうか？

IVコンバータが多くあるほど、電力消費が高く、製造プロセスのややこしくなり、
一方でフォトダイオードに直接IVコンバータを接続することで電流電圧変換を行う前のノイズを減らすことができ、
感度も上げられるのではないのでしょうか？

それと同じフォトダイオードを使う限りはどうしてもショットノイズという制限がかかるので
こういった回路構成を見直すよりもアバランシェフォトダイオードのような、より高感度な光検出器を
集積化することを考えた方が良いように思うのですが、どうなのでしょうか？

回答No.1

mtaka2 · ベストアンサー

CCDもCMOSも「I-V変換」はやってません。強いて言えば「I-Q変換」と「Q-V変換」ですね。
CCDもCMOSも、個々の画素について、フォトダイオードの出力をコンデンサに充電することで電荷に変換してます。コンデンサの容量が一定なら、電荷と電圧は比例しますから、コンデンサの電圧を測ることで光量が測定できます。つまり、個々の画素で 電流から電荷に変換(I-Q変換)を行ってます。
この部分は「コンデンサに充電」を行ってるわけですから、それなりな電力を消費します。
一方、電荷から電圧への変換(Q-V変換)は、CMOSでは個々の画素にありますし、CCDは外側に一つだけですが、この部分は電力の消費はたいしたことありません。ですから、CMOSで個々の画素にスイッチがあることは、消費電力上はそれほどデメリットではありません。

一方、上記動作で「コンデンサに充電する」と書きましたが、CCDは、それ自身がコンデンサです。個々の画素について、フォトダイオードからの電流でCCDに直接充電し、そこに貯まった電荷を外に取り出すことができます。機構的に単純で小さく作れるので、相対的にフォトダイオードの占める面積を増やせられます。ですが、CCDのバケツリレーを動作させるにかかる消費電力が大きいという欠点があります。

CMOSは、個々のコンデンサにスイッチを付けることで、特定の画素の電圧を外に取り出せるようにしたものです。
個々の画素について、フォトダイオードとコンデンサとトランジスタなどをいろいろ並べる必要がありますから、相対的に、フォトダイオードの面積が小さくなるため、感度的に不利になります。