Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 17.05.11

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Der Nachweis von Strahlung über den
CCD-Detektor

Vortrag von Ramona Pielenhofer im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", WS 2007/08

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Gliederung:

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Will man sich eine Digitalkamera kaufen, steht man vor der Entscheidung: Kaufe ich mir ein relativ günstige Digitalkamera für 200 Euro oder doch lieber eine Digitale Spiegelreflexkamera die man mittlerweile ab 600 Euro (2007) erhält. Man überlegt sich dann: Welche ist denn die bessere? Wo ist denn da der Unterschied? Und: Wie funktioniert eine Digitalkamera überhaupt?
Das entscheidende Teilchen in einer Kamera ist der CCD-Detektor. CCD steht für Charge Coupled Devices; dt. soviel wie ladungsgkoppeltes Bauelement/Schaltung [6].

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1 Das Bändermodell

Das Bändermodell ist ein quantenmechanisches Modell zur Beschreibung von elektronischen Energiezuständen in einem idealen Einkristall, bei dem die Atomrümpfe in einem strengen periodischen Gitter vorliegen. Mit Hilfe des Energiebändermodell kann man erklären bei welchem Festkörper es sich um einen Leiter, Isolator oder Halbleiter handelt [5].

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2 n-Dotierung, p-Dotierung und pn-Übergang

CCDs bestehen aus Silizium. In reiner Form ist Silizium ein Halbleiter. Durch die so genannte Dotierung wird die Leitung möglich, man spricht von „Dotierten Halbleitern“. Man unterscheidet:

n-Dotierung

Silizium besitzt in der äußersten Schale 4 Elektronen. Wird in die Kristallstruktur von Silizium ein Element eingebaut, das in der äußersten Schale 5 Elektronen besitzt (z.B. Phosphor) so ist im Gitter ein Elektron zuviel; dieses Elektron ist nur schwach an dem Phosphor gebunden. Das Elektron kann leicht von der Valenz ins Leitungsband gelangen und dort zur Ladung beitragen.


Abb. 1: n-Dotierung

Im Energiebändermodell liegen die Energieniveaus der Donatoratome in der verbotenen Zone dicht unter dem Leitungsband. Durch eine geringe Zufuhr an Energie werden Elektronen ins Leitungsband überführt. Das Fremdatom ist also ein Elektronendonator.

p-Dotierung

Hier wird ein Fremdatom eingebaut, dass in der äußersten Schale 3 Elektronen besitzt (z.B. Bor). Im Gitter fehlt jetzt ein Elektron. Bohr kann leicht ein Elektron aus dem Valenzband anlagern. Am Silizium entsteht eine Elektronenleerstelle, ein Defektelektron. Das Fremdatom ist ein Elektronenakzeptor.


Abb. 2: p-Dotierung

Im Energiebändermodell liegen die Energieniveaus der Akzeptoratome dicht oberhalb des Valenzbandes. Elektronen des Valenzbandes können durch eine geringe Zufuhr an Energie die Akzeptorniveaus besetzen.

pn-Übergang

Eine pn-Übergangszone entsteht, wenn man einen p-Halbleiter und einen n-Halbleiter zusammenbringt. Im n-dotierten Halbleiter sind überschüssige Elektronen vorhanden, im p-dotierten Halbleiter dagegen Elektronenlöcher, die positiv geladen sind. Die Elektronen aus dem n-Gebiet diffundieren also ins p-Gebiet. Die Elektronenbilanz stimmt jetzt für einzelne Atombindungen auf beiden Seiten. Allerdings fehlen in der Gesamtbilanz dem n-Halbleiter Elektronen: der n-Halbleiter lädt sich positiv auf. Der p-Halbleiter nimmt die Elektronen des n-Halbleiters auf und hat in seiner Gesamtbilanz zu viele Elektronen: der p-Halbleiter lädt sich damit negativ auf. Zwischen dem positiv geladenen n-Halbleiter und dem negativen p-Halbleiter kommt es zur Ausbildung einer Grenzschicht. In der Grenzschicht ist jedes Atom „zufrieden“, jedes Atom geht vier Bindungen ein.

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3 Aufbau von Pixel und CCD

Ausgangsmaterial bei der Herstellung von CCDs ist p-dotiertes Silizium. Durch Oxidationsprozesse wird eine sehr dünne Siliciumdioxidschicht auf das Substrat aufgebraucht. Diese dient als Isolationsschicht. Während der Belichtungsphase sammelt sich die entstehende Ladung an einer bestimmten Stelle im Pixel. Dies ist das so genannte „Gate“. Als Gate wird ein Metall, z.B. Aluminium aufgebracht. An das Metallgate wird eine positive Spannung angelegt, so dass sich die Elektronen dort sammeln. Auf der Licht zugewandten Seite befindet sich eine sehr dünne n-dotierte Schicht. Darunter liegt eine deutlich dickere p-dotierte Schicht. Zwischen diesen beiden Schichten eine Grenzschicht aus.


Abb. 3: Aufbau eines Pixels

Die Pixel sind in Zeilen und Spalten organisiert und ergeben ein CCD. Die Pixel sind wenige Mikrometer große, lichtempfindliche Photoelemente. Ein CCD ist also ein Array aus vielen Pixeln, die zweidimensional angeordnet sind. Die n-Schicht ist so dünn gehalten, dass ein Photon genau auf der Grenzschicht eintrifft. Aus der Grenzschicht kann dann die Energie dieses Photons ein Elektron herausschlagen. Es entsteht durch den photoelektrischen Effekt Elektronen-Loch-Paare. Um zu verhindern, dass sich Elektronen und Löcher rekombinieren, legt man an das Gate eine positive Spannung an. Das Elektron wird von der negativ geladenen p-Schicht abgestoßen und wandert zur n-Schicht, die positiv geladen ist. Die positiv geladenen Löcher werden ins Innere gedrückt. Die Siliziumdioxid-Schicht ist isolierend, das heißt die Elektronen sammeln sich am Gate, das ja positiv geladen ist. In einem CCD-Sensor wird also Licht in elektrische Ladung umgewandelt. Photonen werden im dotierten Siliziumkristall absorbiert und erzeugen dort eine elektrische Ladung. Dies beruht auf dem Inneren Photoeffekt: Photonen die auf einer Metalloberfläche auftreffen, können aus dieser Elektronen herauslösen [5].

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4 Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip des CCDs lässt sich in drei Schritte gliedern:

bulletLadungsentstehung
bulletLadungstransport
bulletLadungsverstärkung

Es gibt verschieden CCD-Varianten [5]:

bulletZeilendetekor (eindimensional): die lichtempfindlichen Pixel liegen nebeneinander; diese Variante ist allerdings selten.
bulletArray (zweidimensional): die Pixel sind als Fläche zweidimensional angeordnet

Beispiel: Interline CCDs bestehen aus:

bulleteiner empfindlichen Sensoroberfläche (der Belichtungsbereich)
bulletSchieberegister, das lichtundurchlässig ist
bulleteinem Ausleseregister


Abb. 4: Aufbau eines CCDs

Ladungsentstehung

Ein Pixel wird beispielsweise aus 3 Elektroden gebildet. An den einzelnen Elektroden ist eine positive Spannung angelegt. Unterhalb der Elektroden entstehen Potentialmulden mit unterschiedlicher Tiefe. Durch den Inneren Photoeffekt entstehen Elektronen: Diese sammeln sich in Potentialmulden. Das Energiepotential hat die Form einer Treppe. Die Elektronen sammeln sich auf der energetisch tiefsten Stufe. Die oberste Stufe wirkt als Barriere, so dass die Elektronen eines Pixels nicht in ein anderes Pixel überlaufen können. In den einzelnen Pixeln entstehen durch den inneren Photoeffekt Ladungspakete. Die entstehende Ladung hängt dabei linear von den einfallenden Photonen ab. Diese Sammlung von Ladungen erfolgt über eine gewisse Zeit. Da die Potentialmulden nur ein beschränktes Aufnahmevermögen haben, müssen die Ladungen rechtzeitig vor dem Überlaufen ausgelesen werden.


Abb. 5: Ladungsentstehung

Ladungstransport

Nach der Belichtung werden die entstandenen Ladungspakete durch eine periodische Potentialänderung an der Elektrodenstruktur durch den Siliziumkristall geschoben: An die Elektroden ist eine positive Spannung angelegt. Die Spannung ist impulsförmige geschaltet und von Pixel zu Nachbarpixel versetzt. 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 zu schieben.


Abb. 6: Ladungstransport

Die Elektronen der letzten Position gelangen in eine Auslesezeile. Ist die Auslesezeile wieder leer, werden die Elektronen um eine Pixelposition weiterbewegt.


Abb. 7: Weitertransport der Ladung in die Auslesezeile

Ladungsverstärkung

Jetzt werden die Ladungen am Ausleseregister an einem Verstärker in Spannungssignale umgewandelt und ausgelesen. Zum Schluss kommt ein A/D-Wandler (Analog/Digital-Wandler) zum Einsatz, der den analogen Strom in ein digitales Signal umwandelt.


Abb. 8: Ladungsverstärkung

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5 Literatur:

  1. E. Riedel, Anorganische Chemie, 6. Auflage, Walter de Gruyter-Verlag, Berlin, New York 2004.
  2. C.E. Mortimer, U. Müller, Das Basiswissen der Chemie, 8.Auflage, Thieme Verlag, Stuttgart 2003.
  3. D.F. Barbe, Topics in Applied Physics, Volume 38, Charge-Coupled Devices, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 1980.
  4. Gerald C. Holst, CCD Arrays, Cameras and Displays, 2. Auflage, JCD Publishing, Winter Park & Spie Press, Bellingham, 1998.
  5. http://de.wikipedia.org/wiki/B%C3%A4ndermodell (05.02.2008).
  6. www.ccd-sensor.de (29.12.2007).

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E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 17.05.11