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      1970年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.B.Boyle和G.E.Smith等人成功地研制出了新型的電荷耦合器件（CCD）,從而揭開了電荷傳輸器件的序幕。隨著光電與微電子技術(shù)的發(fā)展，CCD的發(fā)展異常迅速，并且在國民經(jīng)濟(jì)、軍事、安防、科研直至生活等各個(gè)領(lǐng)域，均展現(xiàn)了十分廣闊的應(yīng)用。

CCD的結(jié)構(gòu)及原理 1.CCD的基本結(jié)構(gòu)

       CCD是在MOS晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基本結(jié)構(gòu)是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）電容結(jié)構(gòu)，如圖4-5所示，它是在半導(dǎo)體P型硅（Si）作為襯底的表面上用氧化的辦法生成一層厚度為100?150nm的SiCh,再在SiCh表面蒸鍍一層金屬（如鋁），在襯底和金屬電極間加上一個(gè)偏置電壓（稱為柵電壓），就構(gòu)成了一個(gè)MOS電容器。所以，CCD是由一行行緊密排列在硅襯底上的MOS電容器陣列構(gòu)成的。若金屬電極與半導(dǎo)體之間施加的柵電壓為VG,則電壓一部分降落在氧化層（SiO2）上，而另一部分降落在半導(dǎo)體與SiCh界面的半導(dǎo)體表面層，形成表面電勢(shì)ΦS即 

UG=UO+ΦS            (4-1)

式中，Uo是降落在氧化層上的電壓。由于氧化層是絕緣的，所以在絕緣層中無電荷，其電場(chǎng)是均勻的。當(dāng)氧化層厚度一定時(shí)，半導(dǎo)體上的表面電勢(shì)Φs由加在電極上的電壓UG決定。

2.CCD的工作原理

       (1)光電轉(zhuǎn)換。當(dāng)一束信號(hào)光投射到MOS電容上時(shí)，光子穿過透明電極及氧化層，進(jìn)入P型硅(Si)襯底，襯底中處于價(jià)帶的電子將吸收光子的能量而躍入導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。它們?cè)谕饧与妶?chǎng)的作用下，就會(huì)分別向電極兩端移動(dòng)，因而產(chǎn)生光生信號(hào)電荷。

       (2)電荷的存儲(chǔ)。當(dāng)柵極施加正偏壓UG(此時(shí)UG小于P型半導(dǎo)體的閾值電壓Uth)后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)。當(dāng)U/G>Uth時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的表面勢(shì)Φs變高到將半導(dǎo)體體內(nèi)的電子(少數(shù)載流子)吸引到表面，形成一層極薄的(約10¯²μm)但電荷濃度很高的反型層。信號(hào)電子所以被吸引到氧化層與半導(dǎo)體的交界面處，是因?yàn)槟抢锏膭?shì)能最低，即存在勢(shì)阱。據(jù)估算，勢(shì)阱中能存儲(chǔ)的電子數(shù)可高達(dá)106個(gè)。表面勢(shì)與柵極電壓％、氧化層厚度dox有關(guān)，即與MOS電容容量Cox與UG的乘積有關(guān)，因此，勢(shì)阱的橫截面積取決于柵極電極的面積，，所以MOS電容存儲(chǔ)信號(hào)電荷的容量為

Q=COxUGA                         (4-2)

       (3)電荷的轉(zhuǎn)移。三相CCD中電荷的轉(zhuǎn)移過程如圖4-6所示。取CCD中四個(gè)彼此靠得很近的電極來觀察，若開始有一些電荷存儲(chǔ)在偏壓為10V的第二個(gè)電極下面的深勢(shì)阱里，其他電極上均加有大于閾值的較低電壓(如2V)。設(shè)圖4-6(a)為零時(shí)刻(初始時(shí)刻)，過t1時(shí)刻后，各電極上的電壓變?yōu)槿鐖D4-6(b)所示，第二個(gè)電極仍保持為10V,第三個(gè)電極上的電壓由2V變到10V,因這兩個(gè)電極靠得很近(幾μm),它們各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起。即原來在第二個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢(shì)阱所共有，如圖4-6(b)和圖4-6(c)所示。若此后電極上的電壓變?yōu)閳D4-6(d)所示，第二個(gè)電極電壓由10V變?yōu)?V,第三個(gè)電極電壓仍為10V,則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第三個(gè)電極下面的勢(shì)阱中，如圖4-6(e)所示。由此可見，深勢(shì)阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。通常把CCD電極分為幾組，每一組稱為一相，并施加同樣的時(shí)鐘脈沖。CCD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了使其正常工作所需的相數(shù)。圖4-6所示的結(jié)構(gòu)需要三相時(shí)鐘脈沖，其波形如圖4-6(f)所示，這樣的CCD稱為三相CCD。其電荷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(zhuǎn)移。

圖4-6   三相CCD中電荷的轉(zhuǎn)移過程

       顯然，CCD電極間隙必須很小，如電極間隙比較大，則兩相鄰電極間的勢(shì)阱將被勢(shì)壘隔開，而不能合并，電荷也不能從一個(gè)電極向另一個(gè)電極平滑地轉(zhuǎn)移。能夠產(chǎn)生電荷完全耦合（這就是電荷耦合器件名稱的由來，顯然它不是什么光耦合器件）條件的最大間隙一般由具體電極結(jié)構(gòu)、表面態(tài)密度等因素決定。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，間隙的長(zhǎng)度應(yīng)小于3μm，這大致是同樣條件下半導(dǎo)體表面深耗盡區(qū)寬度的尺寸。當(dāng)然，如果氧化層厚度、表面態(tài)密度不同，結(jié)果也會(huì)不同。但對(duì)絕大多數(shù)CCD,1μm的間隙長(zhǎng)度是足夠小的。

       值得指出的是，我們通常所說的CCD的位數(shù)的位，不是這里的一個(gè)柵電極。對(duì)三相CCD來說，電荷包轉(zhuǎn)移了三個(gè)柵電極是時(shí)鐘脈沖的一個(gè)周期，我們把這三個(gè)柵電極稱為CCD的一個(gè)單元或CCD的一位，也就是我們通常所說的一個(gè)像元。顯然，對(duì)二相CCD來說，就是兩個(gè)柵電極為一位；對(duì)四相CCD則一位是四個(gè)柵電極了，所以千萬不能混淆。