如下图所示,CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中,由最底端部分输出,再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中,每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路,用类似内存电路的方式将数据输出。左图为CCD传感器的结构,右图为CMOS传感器的结构造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真,因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声,因此,必须先放大,再整合各个象素的数据。

由于数据传送方式不同,因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异,这些差异包括：

1、灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路),使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积,因此在象素尺寸相同的情况下,CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。

2、成本差异：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺,可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中,因此可以节省外围芯片的成本；除此之外,由于CCD采用电荷传递的方式传送数据,只要其中有一个象素不能运行,就会导致一整排的数据不能传送,因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多,即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破 50%的水平,因此,CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。

3、分辨率差异：如上所述,CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂,其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平,因此,当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时,CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如,目前市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平(OmniVision的 OV2610,2002年6月推出),其尺寸为1/2英寸,象素尺寸为4.25μm,但Sony在2002年12月推出了ICX452,其尺寸与 OV2610相差不多(1/1.8英寸),但分辨率却能高达513万象素,象素尺寸也只有2.78mm的水平。

4、噪声差异：由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器,而放大器属于模拟电路,很难让每个放大器所得到的结果保持一致,因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比,CMOS传感器的噪声就会增加很多,影响图像品质。

5、功耗差异：CMOS传感器的图像采集方式为主动式,感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出,但CCD传感器为被动式采集,需外加电压让每个象素中的电荷移动,而此外加电压通常需要达到12~18V；因此,CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC),高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例来说,OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA),在 30 fPS的速度下运行,功耗仅为40mW；而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等级的产品,其功耗却仍保持在90mW 以上,虽然该公司近期将推出35mW的新产品,但仍与CMOS传感器存在差距,且仍处于样品阶段。

综上所述,CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器,而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过,随着CCD与CMOS传感器技术的进步,两者的差异有逐渐缩小的态势,例如,CCD传感器一直在功耗上作改进,以应用于移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo)；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足,以应用于更高端的图像产品,我们可以从以下各主要厂商的产品规划来看出一些端倪。

CMOS图像传感器利用上述原理形成CMOS开关来控制光电二极管,将一个CMOS开关和一个光电二极管组合成一个像元。当入射光照射光敏面时,每个像素内产生对应大小的电荷,该行的电路根据需要导通某一行的CMOS开关,行像素内的信号通过它所在列的传输线传输到其信号处理电路,处理过后的模拟信号通过模数转换电路转换成相应的数字信号并输出,图像的窗口提取功能可以通过行列选择逻辑单元联合使用来实现。

CMOS 图像传感器的一个缺点是读出路径中有几个有源器件会产生随时间变化的噪声。此外,制造不一致会导致不同像素的电荷-电压放大器之间的不匹配。这会导致固定模式噪声,即使它们暴露在均匀照明下,不同的像素也会产生不同的值。

对于许多 CMOS 图像传感器,不同像素行的曝光周期开始时间略有不同。通常,行从上到下依次重置。在给定行的积分时间过去后,它的读数应该开始。因此,光积分从上到下依次发生,就像复位过程一样。在捕捉快速移动的物体时,这可能会导致一种称为卷帘快门伪影的失真。这是因为在捕捉到所有像素时,具有快速移动对象的场景可能会发生变化。滚动快门伪影表现为捕捉场景中的一些非刚性或弯曲。

现代 CMOS 传感器具有更快的读出速率,并且可以更轻松地避免这种非理想效应。此外,还有带全局快门的 CMOS 图像传感器,所有像素的复位和曝光周期同时发生。在积分时间结束时,不同像素的累积电荷同时传输到存储区域以进行进一步处理。由于所有像素的曝光周期是同时发生的,所以不会出现卷帘快门效应。

反向偏置光电二极管产生与入射光强度成比例的电流分量。这些光电探测器的二维阵列可用于实现 CMOS 图像传感器。CMOS 图像传感器中的像素可能具有不同级别的复杂性。例如,CMOS 图像传感器的像素不仅可以包含光电二极管,还可以包含放大器。DPS（数字像素传感器）设备使用更复杂的像素,其中每个像素都有自己的模数转换器和内存块。

CMOS 图像传感器的优点是可以将传感器与成像系统所需的其他模拟和数字电路集成在一起。可能会降低 CMOS 图像传感器性能的两个噪声源是不同像素组件之间的制造不匹配以及来自读出路径中的有源器件的噪声。