电荷耦合器件是一种基于MOS晶体管的器件，由一系列MOS晶体管并列而成，如图12-1所示。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD的基本工作原理应是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
光电转换，存储
CCD器件是由许多个光敏像元组成的，每个像元就是一个MOS电容器(现今大多为光敏二极管)，参见图12-2。它是在P型Si衬底的表面上用氧化的方法生成一层厚度约为100~150nm的SiO2，再在SiO2表面蒸镀一金属层(多晶硅)，在衬底和金属电极间加上一个偏置电压，于是就构成了一个MOS电容器。当一束光线投射到MOS电容上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带，如图12-3所示，价电子能否跃至导带形成电子-空穴对，将由入射光子能量hγ是否大于等于Eg来确定，亦即Eg=1.24/γc式中，Eg为半导体禁带宽度。
对于Si材料来说，将Eg=1.12eV代入式可得γc=1.1μm
也就是说波长小于和等于1.1μm的光子能使硅衬底中的价电子跃人导带，产生电子-空穴对；而对于大于1.1μm波长的光子则会穿透半导体层而不起作用。波长太短的光子由于穿透能力弱进不了衬底，因而也就不产生电子-空穴对。对于不同的衬底材料，将具有不同的Eg值，因而对应了不同的γc。
光子进入衬底时产生的电子跃迁，形成了电子-空穴对。电子-空穴对在外加电场的作用下，分别向电极两端移动，这就是光生电荷。这些光生电荷将存储在由电极形成的“势阱”中。光生电荷的产生决定于入射光子的能量(即投射光波长)及光子的数量(入射光强度)。由于光子入射时，经历了多层膜的吸收、反射和干涉，光谱曲线呈现出多个谷、峰，使得量子效率降低，灵敏度也就降低了。再者，由于多晶硅电极对光谱中短波部分吸收厉害，造成蓝光响应差，短波长灵敏度更低。鉴于上述有关原因，目前的CCD器件均采用光敏二极管代替了过去的MOS电容器，光敏二极管结构示意图如图12-4所示。
光敏二极管是在P-型Si衬底上扩散一个N+区域以形成PN结二极管。通过多晶硅相对二极管反向偏置，于是在二极管中产生一个定向电荷区(称之为耗尽层)。在定向电荷区中，光生电子与空灾分离，光生电子被收集在空间电荷区。空间电荷区对带负电的电子而言是一个势能特别低的区域，因此通常又称之为势阱。投射光产生的光生电荷就存储在这个势阱中，势阱能够存储的最大电荷量又称之为势阱容量，势阱容量与所加栅压近似成正比。光敏二极管和MOS电容器相比，光敏二极管具有灵敏度高，光谱响应宽，蓝光响应好，瞳电流小等特点。如果将一系列的MOS电容器或光敏二极管排列起来，并以两相，三相或四相工作方式把相应的电极并联在一起，并在每组电极上加上一定时序的驱动脉冲，这样就具备了CCD的基本功能。
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