2.2 Funktionsprinzip und Eigenschaften

Das Funktionsprinzip des CCD-Chips basiert auf dem von Einstein im Jahre 1905 erklärten inneren fotoelektrischen Effekt bei Halbleitern. Die Photonen der auf das Material auftreffenden elektromagnetischen Strahlung lösen mit ihrer Energie Elektronen aus dem Teilchenverbund heraus, die als freie Ladungen im Trägermaterial verbleiben.

Nach Anlegen einer positiven Spannung entsteht eine Potentialmulde.

Abbildung 2:
Durch Anlegen einer positiven Spannung am Gate entsteht eine ladungsträgerfreie Zone, eine s.g. Potentialmulde.

Auftreffende Photonen setzen Elektronen frei, die in der Potentialmulde gesammelt werden.

Abbildung 3:
Auftreffende Photonen lösen Elektronen aus dem Substrat heraus; es bildet sich ein Elektronen-Loch-Paar – das freie Elektron wandert in die Potentialmulde.

Bei der Belichtung des Chips wird an den Gates eine positive Spannung angelegt. Somit erhält das Gate (polykristallines Silizium) eine positive und das p-dotierte Silizium eine negative Ladung. In der Nähe der Grenzschicht zwischen Substrat und Siliziumdioxid entsteht daraufhin in den Pixeln eine Zone, die an freien Ladungsträgern verarmt ist; diese wird als Potentialmulde bezeichnet (Abbildung 2).

Für die einfallenden Photonen sind die beiden oberen Schichten aus polykristallinem Silizium und Siliziumdioxid durchlässig. Im Kristallgitter des p-dotierten Silizium brechen die Photonen die kovalente Bindung auf und erzeugen ein Elektron-Loch-Paar. Die so während der Belichtungszeit freigesetzten Elektronen werden in den Potentialmulden der Pixel gesammelt und die Defektelektronen in das Siliziumsubstrat abgedrängt (Abbildung 3). Jedes einzelne Pixel wirkt daher wie ein kleiner Kondensator und speichert ein Ladungspaket aus Elektronen.

Dabei ist die Anzahl der freigesetzten Elektronen proportional zur Zahl der einfallenden Photonen. Diese lineare Empfindlichkeit der Pixel ist ein entscheidener Vorteil der CCD-Technik gegenüber der herkömmlichen Fotografie. Aus diesem Grund wird die CCD-Kamera oft auch als linearer Photonendetektor bezeichnet. Je nach Wellenlänge der einfallenden Strahlung und dem damit eingebrachten Energiebetrag besitzt die CCD jedoch eine unterschiedlich hohe Empfindlichkeit.

Ein „Auslaufen“ der gespeicherten Elektronen wird in vertikaler Richtung (in benachbarte Pixelreihen) durch das zwischen den aufeinander folgenden Elektroden befindliche gestaffelte elektrostatische Feld verhindert. In horizontaler Richtung wirken zwischen den einzelnen Pixelreihen eingefügte Trennkanäle (Channel Stops), bestehend aus stark positiv dotiertem Silizium (z.B. mit implantierten Boratomen), dem entgegen (siehe Abbildung 4). Dieses reagiert kaum auf Potentialänderungen und trennt somit die Ladungen in den Pixeln voneinander. Von entscheidendem Vorteil ist, dass in den Trennkanälen, die genauso aus transparentem Material bestehen, ebenfalls Elektronen durch einfallende Photonen freigesetzt werden, welche sich dann durch das Material zur nächstgelegenen Potentialmulde bewegen. Damit entstehen keine Spalten zwischen den Pixeln, die unempfindlich gegenüber Licht sind und einfallende Photonen nicht erfassen können. Die gesamte Fläche des Chips ist daher lichtempfindlich, es gehen keine Informationen verloren.

Schematische Abgrenzung der Pixel durch Channel-Stops.

Abbildung 4:
Die Abgrenzung eines Pixels erfolgt in horizontaler Richtung durch Channel Stops, in vertikaler Richtung durch das gestaffelte elektrostatische Feld zwischen den aufeinander folgenden Elektroden. Drei Elektroden werden für den Drei-Phasen-Transfer gebraucht.