本文档是一份发表于1970年的开创性学术论文。为了向广大中文研究者介绍这一重要工作，以下将根据其内容撰写一份详细的技术研究报告。

电荷耦合半导体器件（Charge Coupled Semiconductor Devices）研究报告

本研究由贝尔实验室（Bell Laboratories）的W. S. Boyle与G. E. Smith共同完成。其核心成果以论文《Charge Coupled Semiconductor Devices》的形式，发表于《The Bell System Technical Journal》1970年4月刊。该论文的收稿日期为1970年1月29日，标志着一种全新的半导体器件概念——电荷耦合器件（Charge Coupled Device, 简称CCD）的正式诞生。

一、 研究的学术背景与目标

这项研究的主要科学领域是半导体器件物理与微电子学。在20世纪60年代末，集成电路技术正处于快速发展阶段，对新型、高效、高密度的信息存储、处理和传输器件有着迫切需求。传统的磁泡存储器和部分半导体存储器在速度、集成度或制造复杂性方面存在局限。当时，金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-Semiconductor， MOS）技术已相对成熟，研究者对半导体表面物理，特别是MOS电容器中的电荷存储与输运机制有了深入理解。然而，如何利用这些基本原理，创造出一种能够可控地存储和移动电荷包，从而实现多种功能的普适性器件结构，是一个尚未解决的挑战。

Boyle和Smith进行此项研究的目的，正是为了提出并论证这样一个全新的器件概念。其研究目标非常明确：1）从理论上描述一种通过在半导体表面创建并移动势阱来存储和传输电荷（代表信息）的基本原理；2）详细阐述该原理在具体MOS结构中的实现方案，包括电荷的产生（注入）、转移和检测方法；3）通过理论计算和初步分析，论证该概念的可行性、关键性能参数（如转移时间、转移效率）及其潜在的应用领域。他们的工作并非基于一项已完成的复杂实验，而是一篇奠基性的理论构想与原理性验证论文，为后续的实验开发和器件制造提供了清晰的理论蓝图。

二、 研究工作的详细流程

本研究是一项理论原理与可行性分析工作，其“工作流程”并非传统的实验步骤，而是一套严密的逻辑推演和理论建模过程。整个过程可以概括为以下几个核心步骤：

1. 核心概念提出与原理阐述： 这是研究的第一步，也是奠基性的一步。作者首先定义了一种全新的器件运作范式。其核心思想在于：在均匀半导体（如硅）表面，通过外部电极施加电压，形成局部的耗尽区，即“势阱”（potential well）。少数载流子（对于n型半导体是空穴）可以被捕获并存储在这些势阱中，电荷包的“有”或“无”即可代表二进制信息“1”或“0”。信息的移动则通过有顺序地改变相邻电极上的电压来实现，使得势阱的位置和深度发生动态变化，从而“引导”电荷包沿着半导体表面从一个电极下方移动到相邻电极下方。这一部分清晰地勾勒出了CCD作为“移位寄存器”的基本工作原理。

2. 具体器件结构设计与工作机制分析： 在提出核心概念后，作者立即将其具体化到一种可实现的物理结构上。他们选择的研究对象是当时技术最为成熟的硅-二氧化硅MOS电容系统。具体而言，他们设计了一种线性排列的金属-绝缘体-半导体（MIS）电容器阵列结构。文中以“三相”驱动为例进行了详尽分析：将多个电极每三个分为一组，并分别连接到三个相位（Φ1, Φ2, Φ3）的时钟电压线上。通过给这三组电极施加具有特定时序和幅值的负电压脉冲（对于n型衬底），可以在半导体表面产生一系列移动的势阱。论文通过一系列示意图（对应文中的图2(a), (b), ©），逐步演示了电荷包如何从一个电极下（如连接Φ1的电极）在电压序列的控制下，逐步转移到下一个电极下（连接Φ2的电极），完成一个位置的移动，并准备进入下一个转移周期。这个过程构成了CCD作为移位寄存器的工作基础。

3. 关键物理参数的定量建模与计算： 为了证明概念的可行性，研究进入了定量分析阶段。作者针对单个MIS电容结构建立了数学模型，推导了表面势（φ_s）、耗尽层宽度（x_d）以及栅极-衬底间电容（C）与存储的电荷密度（q’）之间的函数关系（即文中的公式(1)和(2)）。他们选取了一组在当时硅集成电路工艺下可达的代表性参数（如栅氧化层厚度 x_o = 200 nm，栅压 V_0 = 10 V，衬底掺杂浓度 N_d 等），进行了数值计算，并将结果绘制成曲线图（文中的图3）。这些计算表明，表面势和电容对存储电荷量的变化是敏感的，这为通过电容变化检测电荷（即非破坏性读出）提供了理论依据，也为设计确保电荷完全转移所需的电压条件（要求接收电荷的电极下方表面势始终低于失去电荷的电极）提供了设计准则。

4. 性能极限与影响因素的理论评估： 在建立了静态模型后，作者进一步分析了决定CCD实用性的两个动态关键性能：电荷转移时间和转移效率。他们估算了电荷通过扩散机制从一个电极转移到相邻电极的时间常数 τ_0 ≈ L^2 / D，其中L为电极尺寸，D为载流子扩散系数。以L=10微米，D=10 cm²/s为例，计算得到 τ_0 约为25纳秒。这显示了CCD潜在的高速度。更重要的是，作者指出，除了扩散，还存在由电荷转移引起的表面势变化所产生的自感应电场，这个电场会加速电荷转移，使得实际转移时间可能更短。同时，论文也审慎地指出了可能限制转移效率的因素，主要是表面态和体内深能级对载流子的俘获。此外，热产生电流（导致存储电荷泄漏）决定的存储时间（文中提到可达秒量级）也是器件工作频率上限和可集成位数的限制因素之一。

5. 应用场景的构想与扩展： 在完成了基本原理和性能分析后，研究的最后一步是将这个基本概念扩展到广泛的应用领域。作者富有远见地构想了多种应用方案：在基本移位寄存器结构的两端加上电荷“注入”端（输入）和“检测”端（输出），即可构成完整的串行存储器或延迟线。输入可以通过正向偏置的pn结、MOS结构表面雪崩或光照射产生电子-空穴对来实现；输出则可以通过反向偏置pn结检测电流，或利用前述的电容变化来检测。更进一步，作者提出该概念可扩展至二维阵列，用于实现逻辑运算功能。特别具有前瞻性的是，他们详细描述了如何利用该原理构建成像器件和显示器件：成像时，让光线从衬底背面入射产生电子-空穴对，少数载流子被势阱收集，经过积分时间后通过移位寄存器方式逐行读出，形成图像信号；显示时，则逆向操作，将输入的电信号以电荷包形式写入器件，然后通过正向偏置迫使少数载流子注入体内发生辐射复合而发光。

三、 研究的主要结果

本研究产生了一系列紧密关联、层层递进的理论结果，共同支撑了CCD概念的可行性。

首先，也是最重要的结果，是明确提出了“电荷耦合器件”的完整概念模型。这一模型将信息存储、处理和传输抽象为半导体表面势阱中电荷包的受控移动，提供了一个极其简洁而强大的物理图像。它不仅是本文的核心贡献，也成为了整个CCD技术发展的基石。

其次，针对具体的三相MOS电容阵列结构，论文通过理论推导和图示，清晰地展示了电荷转移的完整时序和物理过程。结果表明，只要电极间距足够小、时钟电压设计合理（V_s > V_t），电荷包就能够跟随移动的势阱实现定向、逐步的转移。这一分析将抽象概念落实到了可工艺实现的具体结构上。

第三，关键物理参数的定量计算结果为器件设计提供了直接指导。图3所示的曲线表明，在合理的工艺参数下，存储电荷量的变化会引起可观的表面势和电容变化。这从理论上验证了利用电容效应检测电荷的可行性（这是CCD作为传感器的基础之一），并定量给出了设计驱动电压以确保完全电荷转移所需满足的条件（φ_s2始终低于φ_s1）。

第四，对转移动力学和性能极限的评估结果揭示了CCD的巨大潜力与主要挑战。计算显示，对于微米级尺寸的电极，仅靠扩散的转移时间常数就在纳秒量级，加上自感应电场的加速，可实现高速操作。同时，分析也明确指出，表面态俘获是影响转移效率的主要限制因素，而热产生电流决定了电荷的最大存储时间。这些结果不仅预测了CCD的高速度潜力，也准确地预见了后续工艺研发中需要攻克的关键问题——降低表面态密度。

最后，提出的多元化应用构想，尤其是作为成像和显示设备的方案，极大地拓展了CCD概念的价值边界。这些构想并非空想，而是基于其工作原理的直接推演，为后续CCD在图像传感、数字存储、信号处理等领域的爆炸式应用埋下了伏笔。

这些结果之间逻辑严密：从核心概念（是什么）到具体实现（怎么做），再到性能分析（能做到多好），最后到应用展望（能用来干什么），构成了一个完整的理论创新链条。每一个环节的结果都为下一个环节提供了基础和支持，共同得出了CCD是一个可行且极具应用前景的新器件概念的最终结论。

四、 研究的结论与价值

本研究的核心结论是：提出并详细论证了一种基于半导体表面势阱中电荷存储与定向移动的全新器件概念——电荷耦合器件（CCD）。理论分析表明，利用当时已有的硅MOS技术，可以制造出这种器件，并在合理的速度下实现高效的电荷转移，从而应用于移位寄存器、存储器、延迟线、成像传感器和显示器等多种电子功能。

这项研究的科学价值极高。它在半导体器件物理领域引入了一种全新的信息处理范式，即“电荷搬运”模式，这与传统的基于电流开关的晶体管逻辑有本质区别。它深刻地将半导体表面物理、载流子输运动力学与信息处理系统设计结合了起来，开辟了一个新的研究分支。

其应用价值更是划时代的。虽然论文发表于1970年，但文中构想的应用场景几乎全部在后来的几十年中成为了现实。CCD最重要的应用无疑是作为图像传感器，彻底改变了摄影、天文观测、医学成像、机器视觉等领域，其影响持续至今。此外，CCD在高速信号处理、模拟延迟线、存储器等方面也曾有重要应用。Boyle和Smith也因发明CCD而获得了2009年的诺贝尔物理学奖，这充分证明了此项原始理论工作的巨大价值。

五、 研究的亮点

本研究的亮点极为突出：

1. 概念的开创性与简洁性： 最大的亮点在于提出了一个极其简洁却又功能强大的核心概念。用“移动势阱来搬运电荷包”这一物理图像，统一了信息存储、移位和检测，显示了深刻的物理洞察力。
2. 理论的前瞻性与完整性： 论文不仅提出了概念，还几乎完整地构想了从基础结构、工作原理、性能分析到多元应用的整个技术链条。尤其是对CCD成像和显示原理的阐述，具有惊人的前瞻性。
3. 与现有技术的巧妙结合： 作者没有空想一种需要全新材料或工艺的器件，而是巧妙地建立在当时已成熟的硅MOS工艺平台上，这使得概念的快速实验验证和后续产业化成为可能。
4. 清晰的定量分析： 尽管是原理性论文，但作者进行了关键的定量计算和估算（如转移时间、信号电流、存储时间），使可行性论证扎实有力，而非停留在定性描述。
5. 明确的问题指向： 在指出潜力的同时，也准确地预见了主要技术挑战（表面态、转移效率），为后续研究指明了攻坚方向。

六、 其他有价值的内容

文中还提及了与电荷注入和检测相关的多种具体技术方案，如利用pn结、肖特基势垒、雪崩效应或光生效应进行注入，以及电流检测或电容检测等方法，这些都为后续的器件设计提供了丰富的技术选项。文末引用的参考文献，特别是关于MOS电容瞬态响应和硅二极管阵列的论文，反映了作者工作所基于的学术背景和技术积累。此外，在同一期期刊中紧随本文发表的另一篇论文《Experimental Verification of the Charge Coupled Device Concept》（由G. F. Amelio, M. F. Tompsett和G. E. Smith完成），作为对本文理论概念的实验验证，报告了转移效率超过98%、转移时间小于100纳秒的初步实验结果，与本文的理论预测形成了完美的呼应，共同宣告了CCD从理论走向现实的伟大开端。