1970年，美国贝尔实验室的W.B.Boyle和G.E.Smith等人成功地研制出了新型的电荷耦合器件（CCD）,从而揭开了电荷传输器件的序幕。随着光电与微电子技术的发展，CCD的发展异常迅速，并且在国民经济、军事、安防、科研直至生活等各个领域，均展现了十分广阔的应用。

       CCD是在MOS晶体管的基础上发展起来的，其基本结构是MOS（金属-氧化物-半导体）电容结构，如图4-5所示，它是在半导体P型硅（Si）作为衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度为100?150nm的SiCh,再在SiCh表面蒸镀一层金属（如铝），在衬底和金属电极间加上一个偏置电压（称为栅电压），就构成了一个MOS电容器。所以，CCD是由一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器阵列构成的。若金属电极与半导体之间施加的栅电压为VG,则电压一部分降落在氧化层（SiO2）上，而另一部分降落在半导体与SiCh界面的半导体表面层，形成表面电势ΦS即 

UG=UO+ΦS            (4-1)

式中，Uo是降落在氧化层上的电压。由于氧化层是绝缘的，所以在绝缘层中无电荷，其电场是均匀的。当氧化层厚度一定时，半导体上的表面电势Φs由加在电极上的电压UG决定。

       (1)光电转换。当一束信号光投射到MOS电容上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型硅(Si)衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带，从而产生电子-空穴对。它们在外加电场的作用下，就会分别向电极两端移动，因而产生光生信号电荷。

       (2)电荷的存储。当栅极施加正偏压UG(此时UG小于P型半导体的阈值电压Uth)后，空穴被排斥，产生耗尽区。当U/G>Uth时，半导体与绝缘体界面上的表面势Φs变高到将半导体体内的电子(少数载流子)吸引到表面，形成一层极薄的(约10¯²μm)但电荷浓度很高的反型层。信号电子所以被吸引到氧化层与半导体的交界面处，是因为那里的势能最低，即存在势阱。据估算，势阱中能存储的电子数可高达106个。表面势与栅极电压％、氧化层厚度dox有关，即与MOS电容容量Cox与UG的乘积有关，因此，势阱的横截面积取决于栅极电极的面积，，所以MOS电容存储信号电荷的容量为

Q=COxUGA                         (4-2)

       (3)电荷的转移。三相CCD中电荷的转移过程如图4-6所示。取CCD中四个彼此靠得很近的电极来观察，若开始有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大于阈值的较低电压(如2V)。设图4-6(a)为零时刻(初始时刻)，过t1时刻后，各电极上的电压变为如图4-6(b)所示，第二个电极仍保持为10V,第三个电极上的电压由2V变到10V,因这两个电极靠得很近(几μm),它们各自的对应势阱将合并在一起。即原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有，如图4-6(b)和图4-6(c)所示。若此后电极上的电压变为图4-6(d)所示，第二个电极电压由10V变为2V,第三个电极电压仍为10V,则共有的电荷转移到第三个电极下面的势阱中，如图4-6(e)所示。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。通常把CCD电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。CCD的内部结构决定了使其正常工作所需的相数。图4-6所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形如图4-6(f)所示，这样的CCD称为三相CCD。其电荷传输方式必须在三相交叠脉冲的作用下才能以一定的方向，逐单元地转移。

图4-6   三相CCD中电荷的转移过程

       显然，CCD电极间隙必须很小，如电极间隙比较大，则两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，而不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极平滑地转移。能够产生电荷完全耦合（这就是电荷耦合器件名称的由来，显然它不是什么光耦合器件）条件的最大间隙一般由具体电极结构、表面态密度等因素决定。理论计算和实验证实，间隙的长度应小于3μm，这大致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽度的尺寸。当然，如果氧化层厚度、表面态密度不同，结果也会不同。但对绝大多数CCD,1μm的间隙长度是足够小的。

       值得指出的是，我们通常所说的CCD的位数的位，不是这里的一个栅电极。对三相CCD来说，电荷包转移了三个栅电极是时钟脉冲的一个周期，我们把这三个栅电极称为CCD的一个单元或CCD的一位，也就是我们通常所说的一个像元。显然，对二相CCD来说，就是两个栅电极为一位；对四相CCD则一位是四个栅电极了，所以千万不能混淆。