CCD的基本結構和工作原理
電荷耦合器件的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其他大多數器件是以電流或電壓為信號。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉移。因此，CCD工作過程的主要問題是信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測。
CCD有兩種基本類型：一是電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面傳輸，這類器件稱為表面溝道CCD（簡稱SCCD）；二是電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內，并在半導體體內沿一定方向傳輸，這類器件稱為體溝道或埋溝道器件（簡稱BCCD）。下面以SCCD為主討論CCD的基本工作原理。
1.CCD的基本結構
構成CCD的基本單元是MOS（金屬—氧化物—半導體）結構。如圖2-7(a)所示，它是在p型Si襯底表面上用氧化的辦法生成1層厚度約為1000?～1500?的SiO2，再在SiO2表面蒸鍍一金屬層(多晶硅)，在襯底和金屬電極間加上1個偏置電壓，就構成1個MOS電容器。當有1束光線投射到MOS電容器上時，光子穿過透明電極及氧化層，進入p型Si襯底，襯底中
處于價帶的電子將吸收光子的能量而躍入導帶。光子進入襯底時產生的電子躍遷形成電子－空穴對，電子－空穴對在外加電場的作用下，分別向電極的兩端移動，這就是信號電荷。這些信號電荷存儲在由電極組成的“勢阱”中。如圖1所示。
2.電荷存儲
如圖2 (a)所示，在柵極G施加正偏壓UG之前，p型半導體中空穴（多數載流子）的分布是均勻的。當柵極施加正偏壓UG（此時UG小于p型半導體的閾值電壓Uth）后，空穴被排斥，產生耗盡區，如圖2 (b)所示。偏壓繼續增加，耗盡區將進一步向半導體體內延伸。當UG>Uth時，半導體與絕緣體界面上的電勢（常稱為表面勢，用ΦS表示）變得如此之高，
以致于將半導體體內的電子（少數載流子）吸引到表面，形成一層極薄的（約10-2μｍ）電荷濃度很高的反型層，如圖2 (c)所示。反型層電荷的存在表明了MOS結構存儲電荷的功能。然而，當柵極電壓由零突變到高于閾值電壓時，輕摻雜半導體中的少數載流子很少，不能立即建立反型層。在不存在反型層的情況下，耗盡區將進一步向體內延伸，而且，柵極和襯底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區上。如果隨后可以獲得少數載流子，那么耗盡區將收縮，表面勢下降，氧化層上的電壓增加。當提供足夠的少數載流子時，表面勢可降低到半導體材料費密能級ΦF的兩倍。例如，對于摻雜為1015cm-3的p型半導體，費密能級為0.3V。耗盡區收縮到最小時，表面勢ΦS下降到最低值0.6V，其余電壓降在氧化層上。
表面勢ΦS隨反型層電荷濃度QINV、柵極電壓UG的變化如圖3和圖4所示。圖3中的曲線表示的是在摻雜為1021cm-3的情況下，對于氧化層的不同厚度在不存在反型層電荷時，表面勢ΦS與柵極電壓UG的關系曲線。圖4為柵極電壓不變的情況下，表面勢ΦS與反型層電荷濃度QINV的關系曲線。
曲線的直線性好，說明表面勢ΦS與反型層電荷濃度QINV有著良好的反比例線性關系。這種線性關系很容易用半導體物理中的“勢阱”概念描述。電子所以被加有柵極電壓UG的MOS結構吸引到氧化層與半導體的交界面處，是因為那里的勢能最低。在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度”與柵極電壓UG的關系恰如ΦS與UG的線性關系，如圖5(a)空勢阱的情況。圖5(b)為反型層電荷填充1/3勢阱時，表面勢收縮，表面勢ΦS與反型層電荷濃度QINV間的關系如圖2-10所示。當反型層電荷足夠多，使勢阱被填滿時，ΦS降到2ΦF。此時，表面勢不再束縛多余的電子，電子將產生“溢出”現象。這樣，表面勢可作為勢阱深度的量度，而表面勢又與柵極電壓UG、
氧化層的厚度dOX有關，即與MOS電容容量COX與UG的乘積有關。勢阱的橫截面積取決于柵極電極的面積A。MOS電容存儲信號電荷的容量
(1)
3.電荷耦合
圖6表示一個三相CCD中電荷轉移的過程。
假定開始時有一些電荷存儲在偏壓為10V的第一個電極下面的深勢阱里，其他電極均加有大于閾值的較低電壓（例如2V）。設圖6(a)為零時刻（初始時刻）。經過t1時刻后，各電極上的電壓變為如圖6(b)所示，第一個電極仍保持為10V，第二個電極上的電壓由2V變到10V，因為這兩個電極靠得很緊（間隔只有幾微米），它們各自的對應勢阱將合并在一起，
原來在第一個電極下的電荷變為這兩個電極下勢阱所共有，如圖6(b)和圖6(c)。若此后電極上的電壓變為如圖6(d)所示，第一個電極電壓由10V變為2V，第二個電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉移到第二個電極下面的勢阱中，如圖6(e)。由此可見，深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。
通過將一定規則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導體表面按一定方向移動。通常把CCD電極分為幾組，每一組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。CCD的內部結構決定了使其正常工作所需要的相數。圖所示的結構需要三相時鐘脈沖，其波形圖如圖6(f)所示，這樣的CCD稱為三相CCD。三相CCD的電荷耦合（傳輸）方式必須在三相交疊脈沖的作用下，才能以一定的方向逐單元地轉移。
電極結構的一個關鍵問題是CCD電極間隙。如果電極間隙比較大，兩相鄰電極間的勢阱將被勢壘隔開，不能合并，電荷也不能從一個電極向另一個電極完全轉移，CCD便不能在外部脈沖作用下正常工作。能夠產生完全耦合條件的最大間隙一般由具體電極結構、表面態密度等因素決定。理論計算和實驗證實，為了不使電極間隙下方界面處出現阻礙電荷轉移的勢壘，間隙的長度應小于3μｍ。這大致是同樣條件下半導體表面深耗盡區寬度的尺寸。
如果氧化層厚度、表面態密度不同，結果也會不同。但對絕大多數CCD，1μｍ的間隙長度是足夠小的。
4.電荷的注入和檢測
4.1電荷的注入
1. 光注入
當硅照射到CCD硅片上時，在柵極附近的半導體體內產生電子－空穴對，其多數載流子被柵極電壓排開，少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。光注入方式又可分為正面照射式與背面照射式。圖7所示為背面照射式光注入的示意圖。CCD攝像器件的光敏單元為光注入方式。光注入電荷
(2)
式中：η為材料的量子效率；q為電子電荷量；Δneo為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積；TC為光注入時間。
由式(2)可以看出，當CCD確定以后，η、q及A均為常數，注入到勢阱中的信號電荷QIP與入射光的光子流速率Δneo及注入時間TC成正比。注入時間TC由CCD驅動器的轉移脈沖的周期TSH決定。當所設計的驅動器能夠保證其注入時間穩定不變時，注入到CCD勢阱中的信號電荷只與入射輻射的光子流速率Δneo成正比。在單色入射輻射時，入射光的光子流速率與入射光譜輻通量的關系為，h、ν、λ均為常數。因此，在這種情況下，光注入的電荷量與入射的光譜輻亮度Φeλ成線性關系。
2.電注入
所謂電注入就是CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣，然后將信號電壓或電流轉換為信號電荷。電注入的方法很多，這里僅介紹兩種常用的電流注入法和電壓注入法。
1) 電流注入法
如圖8(a)所示，由n+擴散區和p型襯底構成注入二極管。IG為CCD的輸入柵，其上加適當的正偏壓以保持開啟并作為基準電壓。模擬輸入信號UIN加在輸入二級管ID上。當Φ2為高電平時，可將n＋區（ID極）看作MOS晶體管的源極，IG為其柵極，而Φ2為其漏極。當它
工作在飽和區時，輸入柵下溝道電流為
(2-6)
式中：W為信號溝道寬度；LG為注入柵IG的長度；μ是載流子表面遷移率；COX為IG柵電容。
經過TC時間注入后，Φ2下勢阱的信號電荷量
(2-7)
可見這種注入方式的信號電荷QS不僅依賴于UIN和TC，而且與輸入二極管所加偏壓的大小有關。因此，QS與UIN的線性關系很差。
2) 電壓注入法
如圖8(b)所示，電壓注入法與電流注入法類似，也是把信號加到源極擴散區上，所不同的是輸入IG電極上加有與Φ2同位相的選通脈沖，但其寬度小于Φ2的脈寬。在選通脈沖的作用下，電荷被注入到第一個轉移柵Φ2下的勢阱里，直到勢阱的電位與n+區的電位相等時，注入電荷才停止。Φ2下勢阱中的電荷向下一級轉移之前，由于選通脈沖已經終止，輸入柵下的勢壘開始把Φ2下和n+的勢阱分開，同時，留在IG下的電荷被擠到Φ2和n+的勢阱中。由此而引起起伏，不僅產生輸入噪聲，而且使信號電荷Q與UID線形關系變壞。這種起伏，可以通過減小IG電極的面積來克服。另外，選通脈沖的截止速度減慢也能減小這種起伏。電壓注入法的電荷注入量Q與時鐘脈沖頻率無關。
4.2電荷的檢測（輸出方式）
在CCD中，信號電荷在轉移過程中與時鐘脈沖沒有任何電容耦合，而在輸出端則不可避免。因此，選擇適當的輸出電路可以盡可能地減小時鐘脈沖容性地饋入輸出電路的程度。目前，CCD的輸出方式主要有電流輸出、浮置擴散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。
1.電流輸出
如圖9(a)所示，當信號電荷在轉移脈沖的驅動下向右轉移到末極電極（圖中Φ2電極）下的勢阱中后，Φ2電極上的電壓由高變低時，由于勢阱提高，信號電荷將通過輸出柵（加有恒定的電壓）下的勢阱進入反向偏置的二極管（圖中n+區）。
由UD、電阻R、襯底p和n+區構成的反向偏置二極管相當于無限深的勢阱。進入到反向偏置二極管中的電荷，將產生輸出電流ID，且ID的大小與注入到二極管中的信號電荷量成正比，而與電阻R成反比。電阻R是制作在CCD內的電阻，阻值是常數。所以，輸出電流ID與注入到二極管中的電荷量成線性關系，且
(3)
由于ID的存在，使得A點的電位發生變化，ID增大，A點電位降低。所以可以用A點的電位來檢測二極管的輸出電流ID，用隔直電容將A點的電位變化取出，再通過放大器輸出。
圖中的場效應管TR為復位管。它的主要作用是將一個獨處周期內輸出二極管沒有來得及輸出的信號電荷通過復位場效應輸出。因為在復位場效應管復位柵為正脈沖時復位場效應管導通，它的動態電阻遠遠小于偏置電阻R，使二極管中的剩余電荷被迅速抽走，使A點的電位恢復到起始的高電平。
2. 浮置擴散放大器輸出
由圖9(b)所示，前置放大器與CCD同做在一個硅片上，T1為復位管，T2為放大管。復位管
在Φ2下的勢阱未形成之前，在RG端加復位脈沖ΦR，使復位管導通，把浮置擴散區剩余電荷抽走，復位到UDD。而當電荷到來時，復位管截止，由浮置擴散區收集的信號電荷來控制T2管柵極電位變化。設電位變化量為ΔU，則有
(4)
式中：CFD是與浮置擴散區有關的總電容。如圖10所示，總電容包括浮置二極管勢壘電容Cd和OG、DG與FD間的耦合電容C1、C2，及T管的輸入電容Cg，即
(5)
經放大器放大KV倍后，輸出的信號
