電荷耦合器件是一種基于MOS晶體管的器件，由一系列MOS晶體管并列而成，如圖12-1所示。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD的基本工作原理應(yīng)是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。

光電轉(zhuǎn)換，存儲

CCD器件是由許多個光敏像元組成的，每個像元就是一個MOS電容器(現(xiàn)今大多為光敏二極管)，參見圖12 - 2。它是在P型Si襯底的表面上用氧化的方法生成一層厚度約為100~150 nm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一個偏置電壓，于是就構(gòu)成了一個MOS電容器。當(dāng)一束光線投射到MOS電容上時，光子穿過透明電極及氧化層，進(jìn)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(dǎo)帶，如圖12 - 3所示，價電子能否躍至導(dǎo)帶形成電子-空穴對，將由入射光子能量hγ是否大于等于Eg來確定，亦即   Eg=1.24/γc  式中， Eg為半導(dǎo)體禁帶寬度。

對于Si材料來說 ，將Eg=1.12 eV代入式可得γ_c=1.1μm

也就是說波長小于和等于1.1μm的光子能使硅襯底中的價電子躍人導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對；而對于大于1.1μm波長的光子則會穿透半導(dǎo)體層而不起作用。波長太短的光子由于穿透能力弱進(jìn)不了襯底，因而也就不產(chǎn)生電子-空穴對。對于不同的襯底材料，將具有不同的Eg值，因而對應(yīng)了不同的γc。

光子進(jìn)入襯底時產(chǎn)生的電子躍遷 ，形成了電子-空穴對。電子-空穴對在外加電場的作用下，分別向電極兩端移動，這就是光生電荷。這些光生電荷將存儲在由電極形成的“勢阱 ”中。光生電荷的產(chǎn)生決定于入射光子的能量(即投射光波長)及光子的數(shù)量 (入射光強度)。由于光子入射時，經(jīng)歷了多層膜的吸收、反射和干涉，光譜曲線呈現(xiàn)出多個谷、峰，使得量子效率降低，靈敏度也就降低了。再者，由于多晶硅電極對光譜中短波部分吸收厲害，造成藍(lán)光響應(yīng)差，短波長靈敏度更低。鑒于上述有關(guān)原因，目前的CCD器件均采用光敏二極管代替了過去的MOS電容器，光敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖如圖12 -4所示。

光敏二極管是在P^-型Si襯底上擴(kuò)散一個N₊區(qū)域以形成PN結(jié)二極管。通過多晶硅相對二極管反向偏置，于是在二極管中產(chǎn)生一個定向電荷區(qū)(稱之為耗盡層)。在定向電荷區(qū)中，光生電子與空災(zāi)分離，光生電子被收集在空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)對帶負(fù)電的電子而言是一個勢能特別低的區(qū)域，因此通常又稱之為勢阱。投射光產(chǎn)生的光生電荷就存儲在這個勢阱中，勢阱能夠存儲的最大電荷 量又稱之為勢阱容量 ，勢阱容量與所加?xùn)艍航瞥烧?。光敏二極管和MOS電容器相比，光敏二極管具有靈敏度高 ，光譜響應(yīng)寬， 藍(lán)光響應(yīng)好，瞳電流小等特點。如果將一系列的MOS電容器或光敏二極管排列起來，并以兩相，三相或四相工作方式把相應(yīng)的電極并聯(lián)在一起 ，并在每組電極上加上一定時序的驅(qū)動脈沖，這樣就具備了CCD的基本功能。