CCD按电荷存储位置的不同，有两种基本类型：一种的电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，称为表面沟道CCD（简称SCCD）；一种的电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，称为体沟道或埋沟道器件（简称BC－CD）。本节以SCCD为例，讨论CCD的基本结构和工作原理。
4.1.1 CCD的基本结构
CCD的基本组成为MOS光敏单元。CCD将MOS光敏单元阵列和读出移位寄存器集成为一体，形成具有自扫描功能的图像传感器。MOS光敏单元的结构原理图如图4－1所示。它是在半导体基片上（如P型硅或N型硅）生长具有介质作用的氧化物（如二氧化硅），再在氧化物上沉积一层金属电极，从而形成MOS结构单元。通常在一个半导体硅片上生成几百或几千个相互独立的MOS光敏单元。也就是说，CCD包含的是MOS单元的阵列。
图4－1 MOS光敏单元结构
读出移位寄存器是电荷图像的输出电路。它也是MOS结构，但与MOS光敏单元不同的是：它在半导体的底部覆盖了一层遮光层，以防止外来光线的干扰，并且它由三组（也有二组、四组等）邻近的电极组成一个耦合单元，可实现信号的转移传输。
4.1.2 CCD的工作原理
CCD的特点是以电荷作为信号，它的基本功能是电荷的存储和转移。因此，CCD的基本工作原理是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
1.电荷的存储
CCD对电荷的存储由MOS光敏单元实现。如图4－1所示，当在MOS的金属电极上施加一正电压UG时，在电场的作用下，电极下的P型硅区域里的空穴被赶尽，从而形成耗尽区。这个耗尽区对带负电的电子而言，是一个势能很低的区域，称为势阱。当入射光照到半导体硅片上时，在光子作用下便产生电子－空穴对，其中的电子被势阱俘获，而光生空穴则被电场排斥出耗尽区。势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强度成正比。习惯上，可以把势阱想象成一个容器，把聚集在里面的电子想象成容器中的液体。在同一入射光下，势阱积累电子的容量取决于势阱的“深度”，即表面势的大小，而它与栅压UG近似成正比。势阱填满是指电子在半导体表面堆积后使表面势下降。不是任意栅压都可以产生势阱，UG必须大于开启电压Uth。
2.电荷的耦合
CCD中每一耦合单元称为一个像素或一位，一般有256位、1024位、2160位等线阵CCD可供使用。CCD一位中含有的MOS单元个数即为CCD的相数，通常有二相、三相、四相等几种结构，它们施加的时钟脉冲也分为二相、三相、四相的三种。二相脉冲的两路脉冲相位相差180°；三相及四相脉冲的相位差分别为120°、90°。当把这种时序脉冲加到CCD驱动电路上循环时，将实现信号电荷的定向转移及耦合。图4－2所示为二相线阵CCD（TCD1206）的驱动波形，其中两路驱动脉冲Φ1、Φ2的相位差为180°。
图4－2 二相线阵CCD的驱动波形
图4－2中的相邻两像素，每一像素含2个MOS单元。取表面势增加的方向向下，其工作过程如图4－3所示。
（1）当t＝t1时，Φ1所在电极处于高电平，而Φ2所在电极处于低电平。由于Φ1所在电极上栅压大于开启电压，故在Φ1所在电极下形成势阱，假设此时光敏单元接收光照，每一像素的电荷都进入Φ1所在电极下的势阱。
（2）当t＝t2时，Φ1所在电极上栅压下降，Φ2所在电极上栅压上升，故Φ1所在电极下的势阱变浅，Φ2所在电极下的势阱变深，电荷更多流向Φ2所在电极下的势阱。由于势阱的不对称性，电荷只能朝右转移。
（3）当t＝t3时，Φ2所在电极处于高电平，而Φ1所在电极处于低电平，故电荷聚集到Φ2所在电极下，实现了电荷从Φ1所在电极下势阱到Φ2所在电极下势阱的转移。
（4）同理可知，当t＝t4时，电荷包从上一位的Φ1所在电极下势阱的转移到下一位的Φ1所在电极下的势阱。因此，时钟脉冲经过一个周期，电荷包在CCD上移动一位。
3.电荷的注入
在CCD中，电荷注入分为两类：光注入和电注入。
1）光注入方式
当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的体内产生电子－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到势阱中形成信号电荷。
图4－3 二相线阵CCD的工作过程
2）电注入方式
电注入方式有电流积分法和电压注入法两种。电注入用于滤波器、延迟线和存储器等，通过输入二极管给输入栅极施加电压来实现。
4.电荷的检测
CCD输出结构的作用是将CCD中的信号电荷变为电流或电压输出，以检测信号电量的大小。CCD主要有三种输出方式：电流输出、浮置栅放大器输出和浮置扩散放大器输出。早期的电流输出方式由于集成度不高、寄生电容大、信噪比小，已不再使用。浮置扩散放大器的基本结构和工作原理如图4－4（a）所示，其采用电压输出方式，该方式目前采用最多。图中采用二相CCD，因此只有Φ1、Φ2所在的两个电极，另外有放大管VT1、复位管VT2和输出二极管VT3。复位脉冲ΦR施加在复位管VT2的RG端上。G0是直流偏置输出栅，位于器件内部，总处于打开状态。放大管VT1是源跟随器，复位管VT2工作在开关状态，输出二极管VT3始终处于强反偏状态。A点的等效电容C由VT3管的结电容加上VT1管的栅电容构成，它构成一个电荷积分器。此电荷积分器随VT2管的开与关而处于选通或关闭状态，称为选通电荷积分器。图4－4（b）为电压输出波形图。
CCD电压输出原理为：在每个时钟脉冲周期内，伴随着时钟脉冲Φ1或Φ2的下降，有一个电荷包（设电荷量为Q）从CCD转移到输出二极管VT3的N区，即转移到电荷积分器上，引起A点电位的变化为
式中：C为A点处电容的值。因为是N型沟道，信息电荷为电子，故加负号。放大管VT1的电压增益为
图4－4 CCD浮置栅扩散放大器式输出的基本结构和工作原理
式中：gm为跨导；RL为负载电阻。故VT1管源极输出电压变化为
读出Uo后，VT2管栅极RG在复位脉冲ΦR的作用下导通，将电荷包Q通过VT2管的沟道抽走，使A点电位重新置在URD值，为下一次读出Uo作准备。脉冲ΦR结束，VT2管关闭后，A点的URD电位作用于VT1管的栅极，电荷积分器无放电回路，所以A点电位一直维持在URD值，直到下一个时钟脉冲信号到来为止。
从以上分析可知，CCD器件的输出信息是一个个脉冲，脉冲的幅度取决于对应光敏单元上所受的光强度，而输出脉冲的频率则和驱动脉冲的频率一致。因此，改变驱动脉冲的频率就可以改变输出脉冲的频率。
4.1.3 CCD驱动电路
在应用CCD进行检测时，要解决两个主要问题：CCD时序的产生和输出信号的采集处理。几种常用的CCD驱动方法如下。
1）直接数字电路驱动方法
这种方法用数字门电路及时序电路构成CCD驱动时序电路，一般由振荡器、单稳态触发器、计数器等组成。可用标准逻辑器件搭成或用可编程逻辑器件制成。其特点是驱动频率高，但逻辑设计比较复杂。
2）单片机驱动方法
即利用单片机产生CCD驱动时序，主要是依靠程序编制，直接由单片机I／O口输出驱动时序信号。时序信号由程序的延时指令产生。这种方法的特点是调节时序灵活方便、编程简单，但通常驱动频率较低。如果使用指令周期很短的单片机（高速单片机），则可克服这一缺点。
3）EPROM驱动方法
在可擦除编程器（EPROM）中事先存放驱动CCD的所有时序信号数据，并由计数电路产生EPROM的地址，使之输出相应的驱动时序。这种方法所用结构简单，与单片机驱动方法相似。
4）专用集成电路驱动方法
利用专用集成电路产生CCD驱动时序，该方法的优点是集成度高、功能强、使用方便。在大批量生产中，对于驱动摄像机等应用场合首选此法，但在工业测量中该方法又显得灵活性不好。可用可编程逻辑器件代替专用集成驱动电路。
4.1.4 CCD的主要性能参数
1.电荷转移效率η和转移损失率ε
电荷转移效率是表征CCD性能好坏的重要参数。在一次转移过程中，某一个势阱到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中电荷之比为转移效率。在t＝0时刻，某个电极下的电荷为Q（0）。在t时刻，大部分电荷在电场作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电荷被遗留下来。若遗留下来的电荷量为Q（t），则转移效率为
而转移损失率为
理想情况下η应为1，但实际上η的值总是小于1，一般在0.9999以上。一个电荷量为Q（0）的电荷包，经过n次转移之后，所剩下的电荷量为
Q（n）＝Q（0）ηn （4－6）
则n次转移的效率为
如果η＝0.99，那么根据式（4－7），经过24次转移后的转移效率为78％，而经过192次转移后的转移效率为14％，可见提高转移效率是提高CCD器件实用性的关键。影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获。常采用“胖零”工作模式，即让“零”信号时势阱中也有一定的电荷。
2.工作频率f
CCD的工作频率即为驱动脉冲的频率。
一方面，为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用时间t必须小于少数载流子的平均寿命τ，即
t＜τ （4－8）
对于正常工作条件下的三相CCD，有
因此，有
另一方面，当工作频率升高时，电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需时间t大于驱动脉冲使其转移的时间T／3，那么，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，将会使转移效率大大下降。为此，要求t≤
，即
由此可知，CCD工作频率的下限由少数载流子的寿命决定，上限由电荷自身的转移时间决定。由于电荷转移快慢与载流子迁移率、电极长度、衬底杂质浓度和温度等因素有关，因此，对于相同的结构设计，N型表面沟道CCD比P型表面沟道CCD的工作频率更高。图4－5所示的是三相多晶硅N型表面沟道CCD驱动脉冲频率f与损失率ε之间的关系曲线。由图可以看出，表面沟道CCD的驱动脉冲频率的上限为10MHz，高于10MHz后，CCD的转移损失率急剧增加。
图4－5 驱动脉冲频率f与损失率ε之间的关系
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