原理
電荷耦合器件的突出特點是以電荷作為信號，而不同於其他大多數器件是以電流或者電壓為信號。 所以CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉移。它存儲由光或電激勵產生的信號電荷，當對它施加特定時序的脈衝時，其存儲的信號電荷便能在CCD內作定向傳輸。CCD工作過程的主要問題是信號電荷的產生，存儲，傳輸和檢測。
電荷的注入
在CCD中，電荷注入的方法有很多，歸納起來，可分為光注入和電注入兩類。
光注入
當光照射到CCD矽片上時，在柵極附近的半導體體內產生電子－空穴對，其多數載流子被柵極電壓排開，少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。CCD攝象器件的光敏單元為光注入方式。光注入電荷 QIP =ηq△neoATC式中：η為材料的量子效率：q為電子電荷量；△neo為入射光的光子流速；A為光敏單元的受光面積；TC為光注入時間。
----由此式可以看出，當CCD確定以後，η.q及A均為常數，注入到勢阱中的信號電荷QIP與入射光的光子流速△neo及注入時間TC成正比。注入時間TC由CCD驅動器的轉移脈衝的周期TSH決定，當所設計的驅動器能夠保證其注入時間穩定不變時，注入到勢阱中的信號電荷只與入射輻射的光子流速率△neo成正比。正常情況下。光注入的電荷量與入射的譜輻量度在單色入射輻射時，入射光的光子流速率與入射的光譜輻通量的關係為△neλ=φeλ/hv， h,v,λ均為常數。因此在這種φeλ成線形關係。該線形關係是套用CCD檢測光譜強度和進行多通道光譜分析的理論基礎。
電注入
所謂電注入就是CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行電壓流進行採樣，然後將信號電壓或電流轉換為信號電荷。電注入的方法很多，一般常用的是電流注入法和電壓注入法，這裡就不詳細描述了。
電荷的存儲
構成CCD的基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導體）結構 如圖I（a）所示，在柵極G施加正偏壓UO之前，P型半導體中空穴（多數載流子）分布是均勻的。當柵極施加正偏壓UG（此時UG小於P型半導體的閾值電壓Uth）後，空穴被排斥，產生耗盡區，如圖I（b）所示。偏壓繼續增加，耗盡區將進一步向半導體內延伸。當UG>Uth時,半導體與絕緣體截面上的電勢(常稱為表面勢,用ΦS 表示)變得如此之高,以至於將半導體內的電子(少數載流子)吸引到表面,形成一層極薄的(約10um )但電荷濃度很高的反型層,如圖I(c).
反型層電荷的存在表明了MOS結構存儲電荷的功能.然而,當柵極電壓由零變到高於閾值電壓時,輕摻雜半導體中的少數載流子很少,不能立即建立反型層.在不存在反型層的情況下,耗盡區將進一步向體內延伸,而且,柵極的襯底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區上,如果隨後可以獲得少數載流子,那么耗盡區將收縮,表面勢下降,氧化層上的電壓增加.當提供足夠的少數載流子時,表面勢可降低到半導體材料費密能級ΦP 的兩倍.
例如,對於摻雜為10CM的P型半導體,費密能級為0.3V.耗盡區收縮到最小時,表面勢ΦS下降到最底值0.6V,其餘電壓降在氧化層上。表面勢ΦS隨反型電荷濃度QINV,柵極電壓UG的變化表示在圖II和圖III中。
圖II中的曲線表示的是在摻雜為10CM的情況下,對於氧化層的不同厚度在不存在反型層電荷時,表面勢ΦS 與柵極電壓UG 的關係曲線.圖III為柵極電壓不變的情況下,表面勢ΦS 與反型層電荷密度的關係曲線.曲線的直線性好,說明表面勢ΦS與反型層電荷濃度QVIN 有著良好的反比例線性關係.這種線性關係很容易用半導體物理中的”勢阱”概念描述.電子所以被加有柵極電壓UG 的MOS結構吸引到氧化層與半導體的交界處,是因為那裡的勢能最低.在設有反型層電荷時,勢阱的”深度”與柵極電壓 UG的關係恰如ΦS 與UG 的線性關係,如圖IV(a)空勢阱的情況.圖IV(b)為反型層電荷填充1/3勢阱時，表面勢收縮，表面勢ΦS 與反型層電荷填充量QP 間的關係如圖所示。
圖IV勢阱
當反型層電荷足夠多時，使勢阱被填滿時，ΦS 降到2ΦF，此時，表面勢不再束縛多餘的電子，電子將產生“溢出”現象，這樣，表面勢可作為勢阱深度的量度，而表面勢又與柵極電壓UG 氧化層的厚度dox 有關，即與MOS電容容量cox 與UG的乘積有關，勢阱的橫截面積取決於柵極電極的面積A。MOS電容存儲信號電荷的容量。
Q=Cox UG*A
