CCD是能完成光學圖像轉換、信息存貯和按順序輸出（稱自掃描）視頻信號的全過程的光電器件。

它的自掃描輸出方式消除了電子束掃描造成的圖像光電轉換的非線性失真。即CCD圖像傳感器的輸出信號能夠不失真地將光學圖像轉換成視頻電視圖像。與真空攝像器件相比,CCD還有以下優點：

(1)體積小，重量輕，功耗低；耐沖擊，可靠性高，壽命長；

(2)無象元燒傷、扭曲，不受電磁場干擾；

(3)象元尺寸精度優于1μm,分辨率高；

(4)基本上不保留殘象（真空攝像管有15%～20%的殘象）。

(5)視頻信號與微機接口容易。6.1電荷耦合器件的基本原理6.1電荷耦合器件的基本原理CCD背景介紹W.S.Boyle與G.E.Smith1969年秋，美國貝爾實驗室的W.S.Boyle和G.E.Smith受磁泡的啟示，提出了CCD的概念。CCD是英文ChargeCoupledDevice的縮寫，中文為“電荷耦合器件”。

6.1電荷耦合器件的基本原理電荷耦合器件ChargeCoupledDevice簡稱CCD6.1電荷耦合器件的基本原理CCD的分類

表面溝道電荷耦合器件（SCCD）——信號電荷存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面傳輸。

體內溝道或埋溝道電荷耦合器件（BCCD）——信號電荷存儲在離半導體表面一定深度的體內，并在半導體內部沿一定方向傳輸。按電荷轉移的溝道分：按光敏元的排列分：

線陣CCD

面陣CCD6.1電荷耦合器件的基本原理CCD圖像傳感器目前已經成為圖像傳感器的主流產品。其應用研究成為當今高新技術的主流課題。它的發展推動了廣播電視、工業電視、醫用電視、軍用電視、微光與紅外電視技術的發展，帶動了機器視覺的發展，促進了公安刑偵、交通指揮、安全保衛等事業的發展。

CCD的應用6.1電荷耦合器件的基本原理

CCD是在MOS晶體管的基礎上發展起來的，但與MOS晶體管的工作原理不同。MOS晶體管是利用在電極下的半導體表面形成的反型層進行工作的，而CCD是利用在電極下SiO2—半導體界面形成的深耗盡層（勢阱）進行工作的，屬非穩態器件。

6.1電荷耦合器件的基本原理6.1.1MOS結構特征CCD的特點是以電荷作為信號，不是以電流或電壓作為信號。

在P型或N型硅單晶的襯底上生長一層厚度約為0.1-0.2微米的SiO2層，然后按一定次序沉積N個金屬電極作為柵極，柵極間的間隙約2.5μm，電極的中心距離15～20μm，于是每個電極與其下方的SiO2和半導體間構成了一個金屬-氧化物-半導體結構，即MOS結構。CCD線陣列CCD單元這種結構再加上輸入、輸出結構就構成了N位CCD。6.1電荷耦合器件的基本原理MOS結構單元－像素由多個像素組成線陣,金屬柵極是分立的，氧化物與半導體是連續的6.1電荷耦合器件的基本原理在柵極加正偏壓之前，P型半導體中的空穴（多子）的分布是均勻的。當柵極施加正電壓UG（此時UG≤Uth）時，在電場的作用下，電極下Ｐ型區域里的多數載流子空穴被排斥到襯底的底側，硅表面處留下不能移動的帶負電的粒子，產生耗盡區。6.1電荷耦合器件的基本原理

勢阱

施加正電壓

空穴耗盡區6.1電荷耦合器件的基本原理

對于半導體器件，當金屬電極加上正電壓時，接近半導體表面的空穴被排斥，電子增多，在表面下一定范圍內只留下受主離子，形成耗盡區。該區域對電子來說是一個勢能很低的區域，也稱勢阱。加在柵極上的電壓愈高，表面勢越高，勢阱越深；若外加電壓一定，勢阱深度隨勢阱中電荷量的增加而線性下降。6.1電荷耦合器件的基本原理柵極正向電壓增加時，勢阱變深。－－改變UG，調節勢阱深度勢阱的形成6.1電荷耦合器件的基本原理UG＞Uth時，半導體與絕緣體界面上的電勢變得非常高，以致于將半導體內的電子(少子)吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層（溝道）。深度耗盡狀態N型(P溝道）P型(N溝道）UG＞Uth時，6.1電荷耦合器件的基本原理耗盡區對于帶負電的電子來講是一個勢能很低的區域，若注入電子，電場則吸引它到電極下的耗盡區。表面處構成了對于電子的“陷阱”，稱之為表面勢阱，勢阱積累電子的容量取決于勢阱的“深度”，而表面勢的大小近似與柵壓VG成正比。MOS電容具有存儲電荷的能力當勢阱中填滿了電子,勢阱中的電子不再增加了，便達到穩態（熱平衡狀態）。因此信號電荷的儲存必須在達到穩態之前完成。6.1電荷耦合器件的基本原理CCD的工作條件：穩定條件下，不能向勢阱中注入電荷，在非穩定條件下，即在深耗盡時，人為的注入信號電荷，如電注入和光注入，就能達到人為的存儲和轉移電荷的目的。電子

－－被吸入勢阱產生電子－空穴對空穴

－－柵極電壓排斥光注入：

產生電子－空穴對6.1電荷耦合器件的基本原理6.1.2CCD的勢阱深度與電荷的存儲

6.1電荷耦合器件的基本原理

勢阱的深度與存儲能力都是由表面勢所決定。6.1電荷耦合器件的基本原理6.1電荷耦合器件的基本原理簡單寫成以下形式：這些關系即為CCD的基礎理論6.1電荷耦合器件的基本原理勢阱內吸收的光電子數量與入射光勢阱附近的光強成正比。一個勢阱所吸收集的若干個光生電荷稱為一個電荷包。光照射到光敏元上時，會產光生電子—空穴對，光生電子將被吸入勢阱存儲起來，空穴則被排斥到半導體的底側。電荷包的存儲通常在半導體硅片上制有成千上萬個相互獨立的MOS光敏單元，如果在金屬電極上加上正電壓，則在半導體硅片上就形成成千上萬的個相互獨立的勢阱。如果此時照射在這些光敏單元上是一副明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就會產生出一幅與光照強度相對應的光電荷圖像。6.1電荷耦合器件的基本原理信號電荷包的傳輸1）通過控制相鄰MOS電容柵極電壓高低來調節勢阱深淺，使信號電荷包由勢阱淺的位置流向勢阱深的位置。2）必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。3）柵極脈沖電壓必須嚴格滿足位相時序要求，保證信號轉移按確定方向進行。CCD中電荷包的轉移：將電荷包從一個勢阱轉入相鄰的深勢阱。

基本思想：

－－調節勢阱深度

－－利用勢阱耦合6.1電荷耦合器件的基本原理6.1.3電荷耦合原理

下圖是四個彼此緊密排列的MOS電容結構，當柵極電壓變化時，我們看看勢阱及阱內的信號電荷是如何變化與傳輸的。6.1電荷耦合器件的基本原理

當t=t2時，①電極和②電極均加有+10V電壓，且兩電極靠得很近，這樣①電極和②電極下面所形成的勢阱就連通，①電極下的部分電荷就流入②電極下的勢阱中。當t=t3時，①電極上的電壓已由+10V變為+2V，下面的勢阱由深變淺，勢阱內電荷全部移入②電極下的深勢阱中。由上面過程可知，從t1→t3

，深勢阱從①電極下移動到②電極下面，勢阱內的電荷也向右轉移了一位。如果不斷地改變電極上的電壓，就能使信號電荷可控地一位一位地順序傳輸，這就是電荷耦合。

假設t=t1時，已有信號電荷存貯在偏壓為+10V的①號電極下的勢阱里，