电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）由电荷耦合器件（CCD）成像存储区、串行寄存器、倍增寄存器和读出放大器组成。属于帧转移或全帧转移面阵器件，采用了 “片上增益”技术，克服了读出放大器噪声对信号的影响，提高了信噪比及成像质量。比较于普通CCD、EMCCD芯片中有一个特殊的增益寄存器，该寄存器位于CCD芯片的转移寄存器与输出放大器之间。其结构和一般的CCD相似。只是电子转移第二阶段的势阱被一对电极取代，第一个电极上为固定值电压，第二个电极按标准时钟频率加上一个高电压。通过两个电极之间高电压差产生转移信号电子的冲击电离形成新的电子。尽管每次电离能够增加的新电子数目并不多，但通过多次电离，就可将电子的数目大大提高。

普通CCD串行移位寄存器直接把来自有源区的图像信号交给输出接头，进行信号放大和模数转换，以显示视频图像。EMCCD的工作原理是串行移位寄存器中的图像电子信号，须先经过芯片内的增益寄存器低噪声放大后，再交由输出接头后续处理、模数转换，以显示视频图像。

根据具体应用时的光照条件强弱的不同，电子倍增的工作模式通常可以分为3种：①常规模式。当光照条件相对较强，满足普通CCD的成像要求时，可以关闭电子倍增CCD的电子倍增功能，使其工作在常规模式下。此时，倍增极上所加高电压降至与其他栅极相同的水平，电子倍增寄存器仅相当于普通的转移寄存器，电子倍增CCD的输出信号也与普通CCD的输出信号相同。②线性模式。当光照条件减弱时，输入信号也会减小，当减小到一定程度，导致输出信号的信噪比明显降低时，可开启电子倍增的倍增功能，并工作在线性模式之下。通过调节倍增寄存器倍增增益的设置，电子倍增极的栅极电压随之发生相应变化，输入信号在强电场雪崩倍增的作用下得到有效倍增，提高输出信号的信噪比。③光子计数模式。当光照条件非常弱时，光辐射可以看成由一个可辨识的光子组成的光子流。由于单个光子所产生的信号非常微弱，并不能从一个光子的信息中得到有效的信号恢复光子图像。为了使微弱单光子信号不被湮没于读出噪声之中，必须将电子倍增CCD的增益尽可能调大。

EMCCD特点是降低了噪声读取基底，具有高的量子效率（可以达到90%以上），最少的曝光时间，降低了激发所需的强度。由于其成像单元仍为CCD，故成像结果能以CCD的形式数字化输出。