อิเล็กตรอนจะถูกย้ายทีละบิทผ่านขั้นตอนขยายที่สร้างหน่วยตวามจำชั่วคราวทวีคูณของ EMCCD แรงดันไฟฟ้าสูงที่ถูกใช้ในการเคลื่อยน้ายเป็นแถวแบบนี้เหนี่ยวนำให้เกิดการสร้างตัวขนส่งประจุเพิ่มเติมผ่านผลกระทบ Ionisationใน EMCCD มีการกระจายตัว(การแปร) ในจำนวนของเอาต์พุตอิเล็กตรอนโดย multiplication register สำหรับจำนวนอินพุทอิเล็กตรอนที่กำหนด (คงที่) ( แสดงในภาพด้านขวา) ความน่าจะเป็นของการกระจายสำหรับจำนวนเอาต์พุตอิเล็กตรอนจะถูกพล็อตแบบลอการิทึมลงบนแกนแนวตั้งสำหรับการจำลองของ multiplication register สิ่งที่ยังแสดงให้เห็นในภาพนั้นเป็นผลลัพธ์ จากสมการพอดีเชิงประจักษ์ที่ปรากฏอยู่ในหน้านี้

Electron-multiplying CCD (EMCCD, หรือที่รู้จักกันว่าเป็น L3Vision CCD, L3CCD หรือ Impactron CCD) เป็นอุปกรณ์ถ่ายเทประจุในที่ซึ่ง gain register ถูกวางอยู่ระหว่าง shift register และ ตัวขยายเอาต์พุต shift register จะถูกแบ่งออกเป็นหลายขั้นตอนทำงาน ใน แต่ละขั้นตอน อิเล็กตรอนจะถูกเพิ่มเป็นทวีคูณด้วยผลกระทบไอออนไนซ์ ในลักษณะที่คล้ายกับ ไดโอดหิมะถล่ม ความน่าจะเป็นของ gain ในแต่ละขั้นตอนของ register มีขนาดเล็ก (P < 2%) แต่เนื่องจากจำนวนของตัวขยายมีจำนวนมาก (N > 500) gain โดยรวมจะสูงมาก ( g = ( 1 + P ) N {\displaystyle g=(1+P)^{N}} ) ที่มีอินพุทอิเล็กตรอนต้วเดียวที่สามารถให้เอาต์พุตอิเล็กตรอนหลายพัน การอ่านสัญญาณจาก CCD จะให้เสียงรบกวนพื้นหลังปกติไม่กี่อิเล็กตรอน ใน EMCCD เสียงรบกวนนี้จะถูกซ้อนทับบนหลายพันอิเล็กตรอนมากกว่าจะเป็นอิเล็กตรอนเดียว ข้อได้เปรียบเบื้องต้นของอุปกรณ์จึงเป็นเสียงรบกวนที่อ่านออกมาของพวกมันที่ตัดทิ้งได้ ประสิทธิภาพควอนตัม (QE) เมื่อเทียบกับการดำเนินงานที่มี gain เท่ากับหนึ่ง อย่างไรก็ตามใน ระดับแสงที่ต่ำมาก (เมื่อประสิทธิภาพควอนตัมเป็นสิ่งที่สำคัญมากที่สุด) มันก็สามารถสันนิษฐานได้ว่าหนึ่งพิกเซลจะประกอบด้วยหนึ่งอิเล็กตรอน-หรือไม่มีก็ได้ สิ่งนี้จะถอดเสียงรบกวนที่เกี่ยวข้องกับการทวีคูณโดยการสุ่มที่มีความเสี่ยงของการนับหลายอิเล็กตรอนในพิกเซล เดียวกันกับพิกเซลอิเล็กตรอนเดียว เพื่อหลีกเลี่ยงการนับจำนวนหลายรายการในหนึ่งพิกเซลเนื่องจากโฟตอนที่ตกกระทบพร้อมกัน ในโหมดนี้ของการดำเนินการ อัตราเฟรมที่สูงเป็นสิ่งจำเป็น การกระจายตัวใน gain ถูกแสดงใน กราฟด้านขวา สำหรับ multiplication registers ที่มีหลายองค์ประกอบและ gain สูง มันจะถูกแบบจำลองอย่างดีจากสมการ

P ( n ) = ( n − m + 1 ) m − 1 ( m − 1 ) ! ( g − 1 + 1 m ) m exp ⁡ ( − n − m + 1 g − 1 + 1 m ) {\displaystyle P\left(n\right)={\frac {\left(n-m+1\right)^{m-1}}{\left(m-1\right)!\left(g-1+{\frac {1}{m}}\right)^{m}}}\exp \left(-{\frac {n-m+1}{g-1+{\frac {1}{m}}}}\right)} if n ≥ m {\displaystyle n\geq m}

เมื่อ P คือความน่าจะเป็นของการได้รับ n เอาต์พุตอิเล็กตรอน จาก m อินพุทอิเล็กตรอน และค่า gain เฉลี่ยโดยรวมของ multiplication register จะเท่ากับ g

เพราะค่าใช้จ่ายต่ำลงและความละเอียดที่ดีขึ้น EMCCDs มีความสามารถในแทนที่ ICCDs ในการใช้งานจำนวนมาก ICCDs ยังคงมีความได้เปรียบที่พวกมันสามารถทำ gate ได้ จึงมีประโยชน์ในการใช้งานเช่น การถ่ายภาพแบบ range-gated กล้อง EMCCD ขาดไม่ได้ต้องมีระบบระบายความร้อน - โดยการใช้ระบบความเย็นเทอร์โมอิเล็กตริกหรือไนโตรเจนเหลว - เพื่อลดอุณหภูมิของชิปลงไปที่ -65 °C ถึง -95 °C. น่าเสียดายที่ระบบทำความเย็นนี้จะเพิ่มค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมในระบบการถ่ายภาพ EMCCD และอาจก่อให้เกิดปัญหาในการกลั่นตัวในการงานด้วย อย่างไรก็ตาม กล้อง EMCCD ระดับ high-end มีระบบสุญญากาศแบบปิดสนิมถาวรติดตั้งอยู่ด้วยที่จะขีดวงจำกัดชิปให้อยู่ภายในเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการกลั่นตัวเป็นหยดน้ำ

ความสามารถในการใช้งานในที่มีแสงน้อยของ EMCCDs ส่วนใหญ่พบประโยชน์ในทางดาราศาสตร์และการวิจัยทางชีวแพทย์ท่ามกลางสาขาอื่น ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เสียงรบกวนที่ต่ำ ของมันที่ความเร็วการอ่านออกสูง ทำให้พวกมันมีประโยชน์มากสำหรับความหลากหลายของ การใช้งานทางดาราศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับแหล่งที่มีแสงน้อย และเหตุการณ์ชั่วคราวเช่นการถ่ายภาพโชคดีของดาวกำลังดับ, เครื่องนับแสงที่ใช้นับโฟตอนความเร็วสูง, เครื่อง spectroscopy ของ Fabry-Perot และเครื่อง spectroscopy ความละเอียดสูง เร็วๆนี้ ประเภทนี้ CCDs ได้แบ่งออกเป็นสาขาวิจัยทางชีวแพทย์ในการใช้งานในสภาวะแสงน้อย รวมทั้งการถ่ายภาพสัตว์ขนาดเล็ก, การถ่ายภาพโมเลกุลเดี่ยว, spectroscopy แบบรามัน, spectroscopy แบบความละเอียดสุดยอด เช่นเดียวกับความหลากหลายของเทคนิค spectroscopy แบบการเรืองแสงที่ทันสมัย ​​ขอบคุณ SNR ที่มากขึ้นในสภาพแสงน้อยเมื่อเทียบกับ CCDs และ ICCDs แบบดั้งเดิม

ในแง่ของเสียงรบกวน, กล้อง EMCCD เชิงพาณิชย์มักจะมีประจุที่เกิดจากนาฬิกา (CIC) และdark current (ขึ้นอยู่กับขอบเขตของการทำความเย็น) ที่ร่วมกันนำไปสู่​​เสียงรบกวนการอ่านออกที่มีประสิทธิภาพ ตั้งแต่ 0.01-1 อิเล็กตรอนต่อพิกเซลที่ถูกอ่าน อย่างไรก็ตาม การปรับปรุง ล่าสุดในเทคโนโลยี EMCCD ได้นำไปสู่ยุคใหม่ของกล้องที่มีความสามารถในการผลิต CIC ที่น้อยอย่างมีนัยสำคัญ, ประสิทธิภาพในการโอนย้ายที่สูงขึ้น และมี EM gain สูงกว่า 5 เท่าสูงกว่า สิ่งที่มีอยู่ก่อนหน้านี้ ความก้าวหน้าเหล่านี้ในการตรวจสอบที่มีแสงน้อยนำไปสู่​​ สัญญาณรบกวนพื้นหลังรวมที่มีประสิทธิภาพถึง 0.001 อิเล็กตรอนต่อพิกเซลที่ถูกอ่าน เป็นพื้นเสียงรบกวนที่ไม่แมทช์โดยอุปกรณ์การถ่ายภาพในสภาวะแสงน้อยอื่นๆ[20]