1969年，美国贝尔实验室（Bell Labs）的W.博伊尔和G.E.史密斯发明了CCD。当时贝尔实验室为了利用二极管阵列开发图像电话（Picturephone），正在进行独立二极管存储电荷的研究，玻意耳与史密斯二人在探讨以半导体实现类似磁泡存储器（magnetic bubble memory）功能的可能性时，萌生了CCD的概念，他们1970年发表最早公布CCD发明的论文，并提出CCD可用于线阵和面阵图像探测。在美国国家航空航天局（NASA）空间探测项目的推动下，CCD作为图像传感器得以迅速发展到实用阶段。由于在可见光和近红外波段的灵敏度是电视摄像管的5倍、感光胶片的100倍，且具有良好的线性响应，CCD在20世纪70年代中期便被天文观测热捧，迅速取代了感光胶片，成为天文观测的主流图像传感器，为图像探测技术带来了革命性的进步。因CCD的发明，博伊尔与史密斯两人获2009年诺贝尔物理学奖。

CCD由半导体基板及规律排布其上的多组栅极组成，基板及各组栅极之间相互电绝缘。以三相CCD为例，CCD像元加载的钟频电压（习惯上称为垂直钟频）有3个，同相栅极上加载同一钟频电压，每相栅极可根据读出端口数量再分组，每组栅极内部之间是电导通的，3个不同相也不同组的栅极构成一个CCD像元。在CCD开始曝光积分时，通过在各相栅极上加载不同的电压，在每个像元下的基板内电场耦合形成一个势阱，在整个基板内形成一个个排列整齐的相互隔绝的电势阱，半导体吸收光子电离出载流子对后，由于电场的存在，一对电性相反的两个载流子不是复合而是向各自相反的方向运动，其中一种载流子电荷被势阱收集。通过在栅极上加不同的钟频电压，可使势阱在基板内定向移动，因此在完成曝光后，可以通过设计好的钟频驱动，将势阱内的电荷包依次转移至读出寄存器再由读出寄存器在水平钟频电压驱动下依次转移读出，从而完成将整幅图像由光信号转换为模拟电流信号读出的过程。电流信号再经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。

CCD作为图像传感器，其显著特点是：①体积小重量轻；②功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；③灵敏度高，噪声低，动态范围大；④像元集成度高，尺寸精确。

CCD主要性能参数有：

①量子效率。

即平均一个光子入射CCD后被探测的概率，随入射光波长变化，是反映CCD光谱响应的重要指标。通常通过选用不同的表面镀膜可以优化CCD在某一波段的量子效率，如红敏或蓝敏膜系可显著提高CCD在红端或紫端的光谱响应，而用于真空紫外和极紫外波段的CCD，则不使用表面增透镀膜，而是对CCD表面进行特殊工艺处理。

CCD使用半导体硅为底板材料，而硅的禁带宽度决定了其对光子的响应截止波长为1.1微米，光子在硅中的吸收长度在接近截止波长时会变得很长，因此普通CCD在900纳米波长以上量子效率就变得很差。为了提高CCD红端的光谱响应，有CCD厂家研制了使用高纯度硅生产的深耗尽和全耗尽CCD，其耗尽层厚度可由普通CCD的约20微米，增厚到300微米以上，从而提高红端量子效率（截至2022年，1微米波长处量子效率最高记录是提至60%）。

②暗电流。

指在积分和读出期间进入像元电荷包内的CCD半导体基板内部热激励产生的载流子电荷以及表面漏电流等，对于科学级CCD，暗电流的主体是电荷的热发射，通常随温度的降低而降低。为了降低暗流噪声影响，天文观测，尤其是夜间观测的CCD相机通常都需将CCD制冷到-80℃至-120℃的低温工作，以期到达1el/hour或者更好的暗电流水平。

③读出噪声。

指由CCD产生的叠加到图像信号中的噪声基底（主要由CCD片上电路和控制器电路产生）。科学级CCD芯片本身的最低读出噪声通常可控制到几个电子的水平，有报道的最低达到亚电子水平。

有一类特殊的CCD，EMCCD（electron-multiplying CCD），即电子增强CCD，是为了降低读出噪声对图像信噪比的影响而研发的。它与普通的科学级CCD的主要区别在于读出寄存器后又增加了一串“增益寄存器”，这些寄存器的删极驱动钟频电压更高（40～60V），从而在转移过程中栅极间产生更大的压差以增加电子在移动中产生“撞击离子化”效应的概率，此效应一旦发生，便产生了新的电子，即所谓电子增强。虽然平均到每次转移发生的增强倍率非常小，一般不会超过1.01～1.015倍，但是当如此过程重复相当多次，如经过几千个增益寄存器的转移，信号就会实现可达数千倍的放大，由此可忽略读出噪声对信噪比的影响。但由于电子的增强过程会带来另一类的信号噪声，从而造成图像噪声增大，因此EMCCD通常只用于弱光探测。在天文观测AO技术中通常使用EMCCD作为波前探测器。

④转移效率。

像元电荷包完成一次像元转移（即移动一个像元位置）其电荷被成功转移的数量百分比。对于科学级CCD，转移效率通常要求在99.997%以上。

⑤电荷满阱容量。

像元势阱的电荷容量。通常指保持线性响应的最大电荷数量。

由于生产工艺的限制，截至2022年，最大规模的单片CCD的像元规格为10k×10k。因此为了实现更大规模的CCD阵列，进入90年代后，CCD厂家研发出了可供拼接的CCD，时至今日，拼接CCD的阵列规模以大约每2.5年翻一倍的速度增长，最大的CCD阵列是美国在研的大型综合巡天望远镜（LSST）相机，其CCD阵列由189片4k×4k像元的CCD拼接而成，像元数量超过30亿像元。

CCD作为天文观测性能最优良的图像传感器件，虽然开始受到新兴的科学级CMOS图像传感器的挑战，但仍然在可拼接性、增益、暗流的均匀性和稳定性等方面保持着明显的优势。