16.3.2 Aufbau und Funktionsprinzip eines CCD-Detektors

Die Bezeichnung CCD leitet sich von der englischen Bezeichnung Charge-Coupled-Device (zu deutsch: ladungs-gekoppeltes Bauelement) ab. In den letzten 20 Jahren haben sich in der Astronomie CCD-Matrizen als Detektoren für den Empfang von Strahlung im visuellen und im nahen infraroten Bereich durchgesetzt. CCD-Chips sind in der Lage, eine der Intensität der einfallenden Strahlung entsprechende Anzahl freier Ladungsträger am Ort des Einfalls zu erzeugen und bis zum Zeitpunkt des Abrufs zu speichern. Ihre Vorteile liegen vor allem in ihrer größeren Empfindlichkeit (Faktor 50-100 in der Quanteneffektivität) und im linearen Zusammenhang zwischen einfallender Intensität und erzeugter Wirkung gegenüber Beobachtungen mit der Fotoplatte begründet. Auch bieten sich für die Auswertung der Aufnahmen die Vorteile eines Computers an, da die Daten sofort digitalisiert eingelesen werden können.
Die CCD-Chips bestehen aus einem p-leitenden Siliziumsubstrat, auf dem sich eine Siliziumoxidschicht und darauf wiederum Elektroden befinden, die aus Metall oder Poly-Silizium bestehen (vgl. Abb.10 und 11). Eine oder mehrere solcher Elektroden gehören zu einem Pixel der CCD-Matrix, wobei die Auflösung der Aufnahme von der Pixelgröße abhängt. Die gegenwärtig in der Beobachtungspraxis am häufigsten verwendeten CCD-Matrizen bestehen aus etwa 500 $\times$ 500 Pixeln. Die Größe der Pixeloberfläche liegt in der Größenordnung von etwa 20 $\times$ 20 $\mu$m.
Den physikalischen Hintergrund zur Funktionsweise eines CCD-Bauelementes bildet der innere Photoeffekt, der bei Halbleitern auftritt. Halbleiter zeichnen sich dadurch aus, daß in ihrer Energiebandstruktur eine verbotene Zone existiert. Im angeregten Zustand (in diesem Falle geschieht diese Anregung durch die Wechselwirkung der elektromagnetischen Strahlung mit dem CCD) überwinden Elektronen des Valenzbandes diese Energielücke und füllen das im Grundzustand leere Leitungsband auf. Diese Anregung ist wellenlängenabhängig und hat infolge der Abhängigkeit $E\sim \lambda^{-1}$ eine Grenze im roten Visuellen bzw. im nahen IR-Bereich (abhängig von der Breite der Energielücke der verbotenen Zone des verwendeten Halbleiters). Praktisch findet diese Abhängigkeit durch eine geschickte Wahl des Halbleitermaterials Beachtung. Dabei wird die "`Rotgrenze"' zu einer Wellenlänge verschoben, die jenseits des Bereiches liegt, in dem beobachtet wird.

Die Anregung der Elektronen ist außerdem temperaturabhängig, da dieser Vorgang bei Temperaturen über 0K auch auf thermischen Wege ablaufen kann. In Abhängigkeit von der Größe der kinetischen Energie führen die Ladungsträger Eigenbewegungen aus. Hat diese Eigenbewegung einen bestimmten Wert erreicht, so können einzelne Ladungsträger ohne äußere Einwirkung die verbotene Zone überwinden und in das Valenzband gelangen. Um die Anzahl der durch thermische Anregung freigesetzten Ladungsträger minimal zu halten, werden die CCD-Chips bei astronomischen Beobachtungen sehr tief gekühlt. In der Praxis erfogt dies oft mit Hilfe von flüssigem Stickstoff (-120$^{\circ}$C).
Um die Sammlung der einzelnen Elektronen am Ort des jeweiligen Einfalls der Photonen zu realisieren, wird an die einzeln ansteuerbaren Elektroden eine gegenüber dem umgebenden Substrat positive Spannung angelegt. Dadurch entsteht unter diesen Elektroden eine Potentialmulde entsprechender Tiefe (Verarmungszone), in der sich die durch die Energie der einfallenden Photonen freigesetzten Elektronen als Signalladung sammeln können. In der Abb. 9 wird das Energiepotential eines aus mehreren Elektroden gebildeten Pixels dargestellt.

Die an die Elektroden angelegte, gegenüber dem Substrat positive Spannung bewirkt, daß sich die freigesetzten Ladungsträger in den oben beschriebenen Mulden sammeln. Diese Sammlung von Ladungen erfolgt über eine gewisse Integrationszeit. Diese Integrationszeit ist in Abhängigkeit von der Signalintensität nach oben begrenzt, da die Potentialmulden nur ein beschränktes Aufnahmevermögen haben. Die Ladungen müssen also rechtzeitig vor dem Überlaufen ausgelesen werden. Bei größeren Intensitäten erfolgt das Heraustakten während der Integrationszeit. Bei astronomischen Beobachtungen ist dies jedoch nur erforderlich, wenn die Aufnahme ein im Verhältnis zur Umgebung sehr helles Objekt enthält. Während des Auslesens ist die Blende geschlossen. Das Auslesen gestaltet sich in der Praxis als ein "`Heraustakten"', um die Information jedes Pixels getrennt in den Rechner zu übernehmen. Die an die Elektroden angelegte, gegenüber dem Substrat positive Spannung wird als eine, von Pixel zu Nachbarpixel versetzte, impulsförmige Spannung geschaltet. Da die Elektroden so dicht gepackt sind, daß sich ihre Potentialmulden überschneiden, fließen die Elektronen immer im Takt in die energetisch tiefer liegende Mulde. Dadurch gelingt es, die Ladungspakete in einer Richtung aus dem Bauelement herauszutakten (vgl. Abb.11). Diese werden dann über Verstärkerstufen in nutzbare Signale umgewandelt und digitalisiert als Daten in den Rechner eingelesen.