CCD（Charge Coupled Device）图像传感器是一种基于半导体技术的光电转换装置，起源于70年代，它在MOS集成电路的基础上发展起来。CCD的主要功能包括光电转换、信息存储和传输，具有高集成度、低功耗、结构简单、寿命长、性能稳定等优势。这些特性使得CCD在众多领域得到广泛应用，如军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信、工业检测和自动化控制系统等。
CCD的核心结构包括光敏单元、转移栅、移位寄存器和辅助电路。光敏单元负责接收光信号，并将其转换为电荷；转移栅则将光敏单元捕获的电荷转移到移位寄存器中；移位寄存器在驱动时钟的控制下，将电荷顺序移至输出端，最后这些信号会被显示或进一步处理。
CCD的基本构建单位是MOS电容器，它能存储电荷。以P型硅为例，MOS电容器由金属栅极、SiO2绝缘层和P型硅衬底组成。当在栅极施加正电压时，会在硅衬底上形成电子势阱，光子能量被吸收后产生的电子会被吸引存储在势阱中，实现光到电的转换。光的强度决定了势阱中存储的电子数量，从而记录下光的强弱，即图像信息。
电荷的转移和传输是通过CCD的移位寄存器来实现的。移位寄存器由一系列紧密排列的MOS电容器组成，它们之间通过电荷自感生电场实现电荷的流动。通过控制相邻电容的栅极电压，可以调节势阱的深度，进而实现信号电荷的转移。通常使用二相、三相或四相时钟脉冲系统来控制电荷的移动路径。例如，三相CCD的工作原理是通过三个相位相差120度的时钟脉冲（φ1、φ2、φ3）驱动，每个像元包含三个相邻电极。时钟脉冲的切换会改变势阱的深度，促使电荷从一个势阱转移到另一个，从而实现电荷在阵列中的移动。
在三相CCD中，信息电荷在φ1、φ2、φ3的电压变化下，从一个电极组的势阱转移到下一个电极组的势阱，每次时钟周期电荷包向右移动一个像元。这样的过程不断重复，最终信号电荷从输入端传输至输出端，完成图像信息的读出。
CCD图像传感器通过其独特的MOS电容器结构和电荷转移机制，能够有效地捕捉和处理光信号，形成高质量的图像。其高分辨率和稳定性使其成为许多科学和工业应用中的首选图像传感器。
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