MOS光敏单元的结构
MOS光敏单元本质上是一个MOS电容器，其结构由三层构成：
- 金属电极（栅极）：位于最上层，实际材料通常为多晶硅薄膜而非金属，以便透过一定波长范围的光。栅极用于施加控制电压 。
- 氧化物绝缘层：位于栅极与半导体之间，材料为二氧化硅（SiO₂），起绝缘和电容介质作用。
- 半导体衬底：位于最底层，作为衬底电极，常用P型硅（P-Si），也可用N型硅（N-Si）。
CCD即由大量这样的MOS光敏单元按一定规律排列构成阵列，各单元共用同一半导体衬底，氧化层均匀连续，相邻金属电极间距极小（约15～20 μm）。
电荷存储原理
以P型硅衬底为例，衬底接地，在栅极施加正电压 时：
- 金属电极板上充上正电荷。
- P型硅中的多数载流子——空穴被正电荷排斥离开表面，在Si-SiO₂界面附近形成耗尽区。
- 耗尽区中表面势 ，表面处电子的静电位能为 （ 为单个电子的电荷量，单位C； 为表面势，单位V），由于 ，电子位能为负，表面处具有储存电子的能力。
- 半导体内的电子被吸引到界面处，在表面附近积累，形成电子势阱（或表面势阱）。电子在此处势能较低，沉积于此，成为积累电荷的场所。耗尽区的净负电荷主要来自失去空穴后的离化受主，存储电子属于反型/信号电荷，二者不应混同。
势阱深度与所加栅压大小在一定条件下近似成正比关系：在栅压超过形成耗尽区的阈值、且信号电荷量固定或未使表面势显著减小的偏置范围内， 增加，栅极上正电荷数目增加，耗尽区宽度增加，表面势阱加深。
若半导体材料为N型硅，则 加负电压时，在SiO₂附近的N-Si中形成空穴势阱。
光信号向电荷信号的转换
当光照射在硅片上时，半导体硅吸收光子，产生电子-空穴对：
- 光生电子被附近的势阱吸收。在固定曝光/积分时间、光谱量子效率及未饱和的线性范围内，收集的电子数量与势阱附近的光强度成正比：光强度越大，产生的电子-空穴对越多，势阱中收集的电子数越多；反之光越弱，收集的电子数越少。
- 产生的空穴被电场排斥出耗尽区。
因此，势阱中电子数目的多少反映了光的强弱和图像的明暗程度，即MOS电容器实现了光信号向电荷信号的转变。若给光敏单元阵列同时加上 ，整个图像的光信号将同时变为电荷包阵列。
当有部分电子填充到势阱中时，耗尽层深度和表面势将随着电荷的增加而减小。势阱中的电子处于被存储状态，即使停止光照，一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。
电荷转移原理
由于所有光敏单元共用一个电荷输出端，需要进行电荷转移。电荷转移通过在电极上加不同的电压（驱动脉冲）实现。
若两个相邻MOS光敏单元所加栅压分别为 、，且 ：
- 高，表面形成的负离子多，表面势 。
- 电子的静电位能 ， 吸引电子能力强，形成的势阱深。
- 单元1中的电子有向单元2中转移的趋势。
若串联多个光敏元，且使 ，可形成一个输运电子的路径，实现电子的转移。
电极结构按所加电压的相数分为二相、三相和四相系统。以三相CCD为例，三个驱动脉冲 、、 形状相同，彼此间有相位差（差1/3周期），顺序为 。电极分为三组： 驱动1、4电极， 驱动2、5电极， 驱动3、6电极。
三相时钟脉冲控制电荷转移的过程：
- ： 相高电平，、 低电平，电极1、4下出现势阱，存入电荷。
- ： 相也高电平，电极2、5下出现势阱，相邻势阱连通形成大势阱，电荷向电极2、5下转移；接着 相电压下降，电极1、4下势阱变浅。
- ：更多电荷转移到电极2、5下势阱内。
- ：只有 相高电平，信号电荷全部转移到电极2、5下的势阱内。
依此下去，通过脉冲电压的变化，在半导体表面形成不同的势阱，使信号电荷自左向右做定向运动，在时钟脉冲控制下从一端移位到另一端，直到输出。
电荷的注入方式
CCD的信号电荷有两种产生方法：
- 光信号注入：光照射到CCD衬底硅片表面时，在电极附近的半导体内产生电子-空穴对，空穴被排斥入地，电子被收集在势阱内，形成信号电荷存储起来。存储电荷的多少与光照强度成正比。
- 电信号注入：CCD通过输入结构（如输入二极管），将信号电压或电流转换为信号电荷，注入势阱中。当输入栅IG加上宽度为 的正脉冲时，输入二极管PN结的少数载流子通过输入栅下的沟道注入 电极下的势阱中，注入电荷量为 （ 为二极管电流，单位A； 为脉冲宽度，单位s； 为注入电荷量，单位C）。
适用范围与条件
- 上述电荷存储与转移原理以P型硅衬底、栅极加正电压为例；N型硅衬底则需加负电压形成空穴势阱。
- 势阱深度与栅压成正比关系需在一定条件下成立，即栅压超过形成耗尽区的阈值。
- 电荷转移要求各驱动脉冲严格满足相位要求，以保证信号电荷按确定方向和路线转移。
- 在传输过程中继续的光照会产生电荷，使信号电荷发生重叠，导致图像模糊，因此CCD摄像器件中需将摄像区和传输区分开，并保证信号电荷从摄像区转移到传输区的时间远小于摄像时间。
