2.4 Verschiedene Arten

CCD-Chips werden in unterschiedlichen Ausführungen gefertigt. Grundsätzlich kann man hier nach der Seite des Lichteinfalls und der Art des Auslesevorgangs in verschiedene Typen unterteilen. Jede Bauweise bringt natürlich wieder gewisse Vor- und Nachteile mit sich.

Bei „Frontside-Illuminated-CCDs“ fällt das Licht von vorn auf den Chip (vgl. Abbildung 7). Die auftreffenden Photonen durchdringen zuerst Elektrode und Siliziumdioxidschicht und erzeugen dann, wie bereits beschrieben, im Siliziumsubstrat freie Ladungen. Die Quanteneffizienz beträgt hierbei maximal 50 %. Eine große Zahl von Photonen wird vor Erreichen des Substrats in Elektrode und Siliziumdioxidschicht absorbiert. Die zu überwindende Energiedifferenz des Siliziums beträgt ΔE = 1,12 eV. Hierdurch wird gleichzeitig die spektrale Empfindlichkeit des Chips eingeschränkt: Elektromagnetische Strahlung ab ca. 1100 nm Wellenlänge besitzt nicht mehr genügend Energie, um freie Elektronen zu erzeugen. Andererseits kann Strahlung mit einer Wellenlänge kürzer als 400 nm nicht mehr tief genug in das Material eindringen, um Elektronen herauszulösen.

Bei „Backside-Illuminated-CCDs“ treffen die Photonen wie bereits am Namen erkennbar von hinten direkt auf das Siliziumsubstrat. Dadurch gehen weniger Photonen verloren, da keine Absorption auftritt. Da das Silizium milchig-trüb gefärbt ist, können die Photonen nur begrenzt tief ins Material eindringen. Vorteil dieser Bauweise ist, dass eine höhere Anzahl von Elektronen gegenüber Frontside-Illuminated-CCDs freigesetzt wird. Um diese auch in den Potentialmulden sammeln zu können, muss die kovalente Bindung möglichst nahe des Gates aufgelöst, sprich das Elektron in möglichst geringer Entfernung zu den Elektroden freigesetzt werden. Das Siliziumsubstrat muss daher sehr dünn sein (ca. 10 µm). Die spektrale Empfindlichkeit reicht von 300 nm bis 1000 nm und ist daher größer als bei Frontside-CCDs. Die Quanteneffizienz kann bis zu 85% betragen. Nachteilig sind jedoch die hohen Herstellungskosten, da aufgrund des dünneren Substrates feinere Strukturen gefertigt werden müssen.

Abbildung 7:
Schema einer Front- und Backside-Illuminated CCD.

Zudem ist eine Unterteilung in „Interline-Transfer-CCDs“, „Frame-Transfer-CCDs“ und „Full-Frame-CCDs“ möglich.

Interline-Transfer-CCDs finden in der Astronomie keine Anwendung. Das besondere an ihrem Aufbau ist, dass jede zweite vertikale Pixelreihe durch eine Aluminium-Maske abgedeckt ist (Abbildung 8). Dadurch wird jedoch die lichtempfindliche Fläche des Chips halbiert. Licht, welches auf eine abgedeckte Reihe fällt, wird nicht registriert. Der Vorteil dieser Konstruktion liegt darin, dass zwischen der Aufnahme mehrerer Bilder keine Wartezeiten mehr entstehen. Nach der Belichtung werden die in den unverdeckten, lichtempfindlichen Pixeln gesammelten Ladungen alle gleichzeitig in ihr benachbartes, abgedecktes Pixel verschoben. Während die Ladungen aus den abgedeckten Reihen nacheinander ins serielle Register gelangen, kann in der Zeit des Auslesevorgangs in den lichtempfindlichen Pixeln schon das nächste Bild aufgenommen werden. Somit können Aufnahmen direkt aufeinander folgen.

Frame-Transfer-CCDs bieten hingegen bei ungeteilter lichtempfindlicher Chipfläche die Möglichkeit, mehrere Bilder in kurzen Abständen hintereinander aufzunehmen. Hierzu wird aber die doppelte Chipgröße benötigt, wie effektiv zur Bildaufnahme zur Verfügung steht. Die Chipfläche wird dabei in zwei identische Zonen geteilt. Nachdem die erste Teilfläche des Chips, die Bildzone, belichtet wurde, werden alle Ladungspakete gleichzeitig vertikal verschoben, bis sich das gesamte Bild in der zweiten Teilfläche des Chips, der Speicherzone befindet. Die Speicherzone ist durch eine Maske vor Lichteinfall geschützt. Die Ladungen werden dann, wie bereits unter 2.2 beschrieben, über ein an die Speicherzone angrenzendes serielles Register ausgelesen. Nachteilig ist, dass während des Verschiebens der Ladungen weiterhin Licht auf den Chip einfällt. Ladungspakete, die bereits die Speicherzone erreicht haben, sind vor Veränderungen durch Lichteinfall geschützt. In der Bildzone werden während des Verschiebens allerdings weiterhin Elektronen freigesetzt und kommen zu den Ladungspaketen hinzu. Da der Verschiebevorgang einige hundert µs dauert, kann bei kurzen Belichtungszeiten ein Verschmieren des Bildes auftreten. Hier sollte die Aufnahmezeit im Verhältnis zur Zeit des Verschiebeprozesses möglichst groß sein. In der Astronomie wird aufgrund der üblichen langen Belichtungszeiten die Qualität des Bildes kaum beeinträchtigt.

Abbildung 8:
Schema einer Interline- und Frame-Transfer-CCD.

Bei Full-Frame-CCDs hingegen ist die gesamte Chipfläche lichtempfindlich. Eine schnelle Aufnahme von Bildfolgen ist in der Astronomie meist nicht erforderlich, die Größe des Bildfeldes hingegen ist jedoch von entscheidender Bedeutung. Gegenüber Frame-Transfer-CCDs verdoppelt sich daher die nutzbare Aufnahmefläche. Deshalb kommen Full-Frame-CCDs in der Regel in CCD-Kameras für astronomische Anwendungen zum Einsatz. Während des Auslesevorgangs muss der CCD-Chip mit Hilfe eines mechanischen Verschlusses vor Lichteinfall geschützt werden, da es sonst zu einem Verschmieren des Bildes aufgrund unterschiedlicher Belichtungszeiten der Pixel kommt. Alle Ladungspakete werden der Reihe nach über ein am Rand der Chipfläche angebrachtes serielles Register ausgelesen.