電荷耦合器件是一種基于MOS晶體管的器件，由一系列MOS晶體管并列而成，如圖12-1所示。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉移。因此，CCD的基本工作原理應是信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測。
光電轉換，存儲
CCD器件是由許多個光敏像元組成的，每個像元就是一個MOS電容器(現今大多為光敏二極管)，參見圖12 - 2。它是在P型Si襯底的表面上用氧化的方法生成一層厚度約為100~150 nm的SiO2 ，再在SiO2 表面蒸鍍一金屬層(多晶硅) ，在襯底和金屬電極間加上一個偏置電壓，于是就構成了一個MOS電容器。當一束光線投射到MOS電容上時，光子穿過透明電極及氧化層，進入P型Si襯底， 襯底中處于價帶的電子將吸收光子的能量而躍入導帶，如圖12 - 3所示，價電子能否躍至導帶形成電子-空穴對，將由入射光子能量hγ是否大于等于Eg來確定，亦即 Eg=1.24/γc 式中， Eg為半導體禁帶寬度。
對于Si材料來說 ，將Eg=1.12 eV代入式可得γc=1.1μm
也就是說波長小于和等于1.1μm的光子能使硅襯底中的價電子躍人導帶，產生電子-空穴對；而對于大于1.1μm波長的光子則會穿透半導體層而不起作用。波長太短的光子由于穿透能力弱進不了襯底，因而也就不產生電子-空穴對。對于不同的襯底材料，將具有不同的Eg值，因而對應了不同的γc。
光子進入襯底時產生的電子躍遷 ，形成了電子-空穴對。電子-空穴對在外加電場的作用下，分別向電極兩端移動，這就是光生電荷。這些光生電荷將存儲在由電極形成的“勢阱 ”中。光生電荷的產生決定于入射光子的能量(即投射光波長)及光子的數量 (入射光強度)。由于光子入射時，經歷了多層膜的吸收、反射和干涉，光譜曲線呈現出多個谷、峰，使得量子效率降低，靈敏度也就降低了。再者，由于多晶硅電極對光譜中短波部分吸收厲害，造成藍光響應差，短波長靈敏度更低。鑒于上述有關原因，目前的CCD器件均采用光敏二極管代替了過去的MOS電容器，光敏二極管結構示意圖如圖12 -4所示。
光敏二極管是在P-型Si襯底上擴散一個N+區域以形成PN結二極管。通過多晶硅相對二極管反向偏置，于是在二極管中產生一個定向電荷區(稱之為耗盡層)。在定向電荷區中，光生電子與空災分離，光生電子被收集在空間電荷區。空間電荷區對帶負電的電子而言是一個勢能特別低的區域，因此通常又稱之為勢阱。投射光產生的光生電荷就存儲在這個勢阱中，勢阱能夠存儲的最大電荷 量又稱之為勢阱容量 ，勢阱容量與所加柵壓近似成正比。光敏二極管和MOS電容器相比，光敏二極管具有靈敏度高 ，光譜響應寬， 藍光響應好，瞳電流小等特點。如果將一系列的MOS電容器或光敏二極管排列起來，并以兩相，三相或四相工作方式把相應的電極并聯在一起 ，并在每組電極上加上一定時序的驅動脈沖，這樣就具備了CCD的基本功能。
