电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号。 所以ＣＣＤ的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它

施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输。ＣＣＤ工作过程的主要问题

是信号电荷的产生，存储，传输，和检测。

电荷的注入

在ＣＣＤ中，电荷注入的方法有很多，归纳起来，可分为光注入和电注入两类。

１:光注入

当光照射到ＣＣＤ硅片上时，，在栅极附近的半导体体内产生电子－空穴对，其多数载流子被栅

极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。ＣＣＤ摄象器件的光敏单元为光注入方

式。光注入电荷 QIP =ηq△neoATC

式中：η为材料的量子效率：q为电子电荷量；△neo为入射光的光子流速；A为光敏单元的受光面积

；TC为光注入时间。

----由此式可以看出，当CCD确定以后，η.q及A均为常数，注入到势阱中的信号电荷QIP与入射光的

光子流速△neo及注入时间TC成正比。注入时间TC由CCD驱动器的转移脉冲的周期TSH决定，当所设计

的驱动器能够保证其注入时间稳定不变时，注入到势阱中的信号电荷只与入射辐射的光子流速率△neo

成正比。正常情况下。光注入的电荷量与入射的谱辐量度在单色入射辐射时，入射光的光子流速率与

入射的光谱辐通量的关系为△neλ=φeλ/hv， h,v,λ均为常数。因此在这种φeλ成线形关系。该

线形关系是应用CCD检测光谱强度和进行多通道光谱分析的理论基础。

2:电注入

所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行电压流进行采样，然后将信号电压或电

流转换为信号电荷。电注入的方法很多，一般常用的是电流注入法和电压注入法，这里就不详细描述

了。

电荷的存储

构成CCD的基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）结构 如图I（a）所示，在栅极G施加正偏压

UO之前，P型半导体中空穴（多数载流子）分布是均匀的。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，如图I（b）所示。偏压继续增加，耗尽区将进

一步向半导体内延伸。当UG>Uth时,半导体与绝缘体截面上的电势(常称为表面势,用ΦS 表示)变得

如此之高,以至于将半导体内的电子(少数载流子)吸引到表面,形成一层极薄的(约10um )但电荷浓

度很高的反型层,如图I(c).

反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能.然而,当栅极电压由零变到高于阈值电压时,轻掺

杂半导体中的少数载流子很少,不能立即建立反型层.在不存在反型层的情况下,耗尽区将进一步向

体内延伸,而且,栅极的衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上,如果随后可以获得少数载流子,那

么耗尽区将收缩,表面势下降,氧化层上的电压增加.当提供足够的少数载流子时,表面势可降低到半

导体材料费密能级ΦP 的两倍.

例如,对于掺杂为10CM的P型半导体,费密能级为0.3V.耗尽区收缩到最小时,表面势ΦS下降到最

底值0.6V,其余电压降在氧化层上.

表面势ΦS随反型电荷浓度QINV,栅极电压UG的变化表示在图II和图III中。

图II中的曲线表示的是在掺杂为10CM的情况下,对于氧化层的不同厚度在不存在反型层电荷时,

表面势ΦS 与栅极电压UG 的关系曲线.图III为栅极电压不变的情况下,表面势ΦS 与反型层电荷

密度的关系曲线.曲线的直线性好,说明表面势ΦS与反型层电荷浓度QVIN 有着良好的反比例线性关

系.这种线性关系很容易用半导体物理中的”势阱”概念描述.电子所以被加有栅极电压UG 的MOS结

构吸引到氧化层与半导体的交界处,是因为那里的势能最低.在设有反型层电荷时,势阱的”深度”

与栅极电压 UG的关系恰如ΦS 与UG 的线性关系,如图IV(a)空势阱的情况.图IV(b)为反型层电荷

填充1/3势阱时，表面势收缩，表面势ΦS 与反型层电荷填充量QP 间的关系如图所示。

图IV势阱

当反型层电荷足够多时，使势阱被填满时，ΦS 降到2ΦF，此时，表面势不再束缚多余的电子，

电子将产生“溢出”现象，这样，表面势可作为势阱深度的量度，而表面势又与栅极电压UG 氧

化层的厚度dox 有关，即与MOS电容容量cox 与UG的乘积有关，势阱的横截面积取决于栅极电

极的面积A。MOS电容存储信号电荷的容量。Q=Cox UG*A