CCD-Sensoren sind lichtempfindliche elektronische Bauelemente, die auf dem inneren Photoeffekt beruhen. „CCD“ ist hierbei die Abkürzung des englischen (dt. ‚ladungsgekoppeltes Bauteil‘), das im CCD-Sensor verwendet wird.
Ursprünglich (1969) wurden CCDs für die Datenspeicherung entwickelt. Jedoch wurde schnell bemerkt, dass diese Bauelemente lichtempfindlich sind und es vergleichsweise einfach ist, ein zweidimensionales Bild zu erfassen. Bereits 1970 wurde ein solcher CCD-Sensor gebaut, und durch die folgende Miniaturisierung in der Elektronik wurden schon 1975 die ersten CCDs mit einer für Fernsehkameras ausreichenden Anzahl an Bildpunkten hergestellt. Seit ca. 1983 werden CCD-Sensoren als Bildsensoren in der Astronomie und der Satellitenfernerkundung eingesetzt.
Ein-dimensionale CCD-Zeilen-Sensoren werden in Faxgeräten, Spektrometern und Scannern eingesetzt, zwei-dimensionale CCD-Array-Sensoren wurden in Digitalkameras und Videokameras eingesetzt.
In den Kameras von Smartphones und Tablets findet man hingegen normalerweise CMOS-Sensoren. In den 2020ern weisen Digitalkameras mit BSI-CMOS-Sensoren spezielle CMOS-Sensoren auf.
Für die Erfindung des CCD-Sensors wurden Willard Boyle und George E. Smith 2009 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet, geteilt mit Charles Kuen Kao, der für grundlegende Arbeiten im Bereich der Faseroptik ausgezeichnet wurde. Smith und Michael Tompsett erhielten für die CCD-Entwicklung 2017 den Queen Elizabeth Prize for Engineering.
mini|CCD-Sensor für die Bildaufnahme in der Astronomie mini|CCD-Sensor in einer Webcam
Technischer Aufbau und Funktion mini|Animation der Ladungsverschiebung in einem CCD CCD-Bildsensoren (Charge Coupled Device – Bildsensor) bestehen aus einer Matrix (engl. ) lichtempfindlicher Fotodioden. Diese können rechteckig, quadratisch oder polygonal sein, mit Kantenlängen von 1,4 µm bis über 20 µm. Je größer die Fläche der Pixel, desto höher ist die Lichtempfindlichkeit und der Dynamikumfang des CCD-Sensors, desto kleiner ist aber, bei gleicher Sensorgröße, die Bildauflösung.
Die meisten CCDs sind MIS-Strukturen: Über einem dotierten Halbleiter liegt eine isolierende Schicht, auf der optisch transparente elektrische Leiter (Elektroden) angebracht werden. Darunter sammeln sich die Ladungsträger (meist Elektronen, manchmal auch „Löcher“). Zwischen den Pixeln verlaufen oft weitere feine elektrische Leitungen, die zum Auslesen und zur Abschirmung überbelichteter Pixel dienen.
Das einfallende Licht überträgt durch den inneren photoelektrischen Effekt seine Energie auf die Elektronen des Halbleiters. Dabei entstehen gleichzeitig negativ geladene freie Elektronen und positiv geladene „Löcher“, die sich aufgrund einer angelegten Spannung voneinander trennen. Die Ladungen fließen jedoch nicht wie bei einer Fotodiode sofort nach außen ab, sondern werden in der Speicherzelle selbst, in einem sogenannten Potentialtopf gesammelt, der wie ein Kondensator Ladungen speichert. Die Ladungsmenge ist dabei proportional zur eingestrahlten Lichtmenge, wenn rechtzeitig ausgelesen wird, bevor die Leerlaufspannung der Fotodiode erreicht ist.
Bei Überbelichtung können Ladungen aus dem Potentialtopf einer Zelle in die Nachbarzellen übertreten; dieser Effekt ist als Blooming bekannt. Dagegen hilft ein „anti-blooming gate“, das ähnlich einem Überlauf funktioniert, also überschüssige Ladungen ableitet. Allerdings kommt es dadurch vor allem bei langen Belichtungszeiten zu einer Nichtlinearität zwischen Lichtmenge und Ausgangssignal; daher verzichten CCD-Sensoren für wissenschaftliche Anwendungen oft darauf.
Nach der Belichtung werden die Ladungen (engl. ) ähnlich einer Eimerkette (daher die Bezeichnung Eimerkettenschaltung) schrittweise verschoben, bis sie schließlich als Ladungspakete, eines nach dem anderen, den Ausleseverstärker erreichen. Es wird eine von der Ladung und somit der Lichtmenge abhängige elektrische Spannung ausgegeben.
Das Ausgangssignal des Sensors ist somit seriell. Die Ladungen der einzelnen Pixel werden nacheinander ausgegeben, wohingegen das ursprüngliche Bild parallel entstand, indem alle Pixel gleichzeitig belichtet wurden. Bei den meisten CCDs für Videokameras werden jeweils nur Halbbilder (d. h. erst alle ungeraden, dann alle geraden Zeilen) ausgegeben (Zeilensprungverfahren, engl. ). Für alle anderen Zwecke sind „progressive scan“-CCDs üblich, bei denen die Zeilen in ihrer natürlichen Reihenfolge nacheinander ausgegeben werden.
Physik Auf einem dotierten Halbleiter liegt eine optisch transparente, elektrisch isolierende Schicht. Darauf sind viele Elektroden aus einem leitfähigen und zugleich optisch transparenten Material aufgebracht. Für die Detektion von Licht im sichtbaren Bereich eignet sich am besten Silizium als Halbleitermaterial. Als isolierende Schicht verwendet man dann Siliziumdioxid. Für die Elektroden wird meist polykristallines Silizium („Polysilizium“) verwendet, seit kurzem auch Indium-Zinn-Oxid. Wegen der Ähnlichkeit der Elektroden mit denen von MOSFETs werden die Elektroden auch als Gate-Elektroden bezeichnet.
Die Gates von CCDs sind tausend Mal so lang wie die von MOSFETs (10 µm statt 10 nm), aber die Ladung wird mit Potentialhöhen von 1 V statt mit 1 V bis 3,3 V getrieben, wodurch höhere Taktraten als 40 MHz möglich sind. Die Elektroden sind über Aluminiumkontakte von außen ansteuerbar.
mini|Bändermodell eines „surface channel“-CCD mit Elektronen im Potentialtopf
Legt man an eine Elektrode eine Spannung an (positiv bei p-dotiertem Halbleiter, negativ bei n-Dotierung), so bildet sich unterhalb der Isolierschicht an der Oberfläche des Halbleiters ein Gebiet, das als Potentialtopf bezeichnet wird. In diesem Gebiet ist die Ladungsträgerkonzentration der Majoritätsladungsträger sehr gering.
Photonen, deren Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters ist, heben Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband an; es entstehen also Elektronen-Loch-Paare im Halbleiter. Dies ist der sogenannte innere photoelektrische Effekt. Die dabei erzeugten zusätzlichen Minoritätsladungsträger, das sind entweder Elektronen oder „Löcher“, sammeln sich im Potentialtopf, während die gleichzeitig erzeugten Majoritätsladungsträger ins Innere des Halbleiters wegfließen.
Durch das Variieren der angelegten Spannung in benachbarten Elektroden kann der Potentialtopf so geformt werden, dass sich die darin befindenden Ladungsträger zum Auslesen in die gewünschte Richtung bewegen.
Der Grundaufbau eines CCD konnte weiter verbessert werden. Eine wichtige Ergänzung ist eine im Halbleiter direkt unter dem Isolator liegende Schicht mit gegensätzlicher Dotierung. Dadurch entsteht ein sogenannter „buried channel“ („begrabener Kanal“), das heißt, es sammeln sich die von den Photonen erzeugten Minoritätsladungsträger nicht mehr direkt an der Grenzfläche zwischen Isolator und Halbleiter, sondern im Inneren des Halbleiters. Die Minoritätsladungsträger erreichen dann nicht mehr die Grenzfläche zwischen Isolator und Halbleiter, wo die dort immer vorhandenen Kristalldefekte stören (es können an dieser Grenze keine Ladungen mehr „eingefangen“ werden oder „hängen bleiben“). „Buried channel“-CCDs haben (im Gegensatz zu den zuerst beschriebenen „surface channel“-CCDs) ein geringeres Rauschen und eine wesentlich verbesserte Effizienz des Ladungstransfers, allerdings können weniger Ladungsträger je Pixel gespeichert werden.
Typen Geometrie: Array, Zeile und Punkt mini|CCD-Zeilensensor aus einem Faxgerät
Die meisten CCD-Sensoren sind Flächensensoren zur Aufnahme von Bildern. Dort wird für das Auslesen des Sensors die zwischengespeicherte Ladung der Photodioden in das vertikale CCD (vertikales Schieberegister) übernommen, dann mit der Zeilenfrequenz vertikal verschoben. Die jeweils herausfallende Ladung aus jeder CCD-Spalte gerät dabei in das horizontale CCD, das schnell verschoben wird (Pixelfrequenz, welche die Videobandbreite festlegt). Das Signal am Ausgang dieses Schieberegisters wird dem Ausleseverstärker (Ladungs-Spannungs-Wandler und Impedanzwandler) zugeführt.The CCD Image Sensor, Thomson-CSF Division Silicon, Applikationsbroschüre DTE-145
Das entstehende Ausgangssignal hat viele Ähnlichkeiten mit dem Signal herkömmlicher Bildaufnahme-Röhren. Diese Ähnlichkeiten erleichterten es technisch, Bildaufnahme-Röhren durch CCD-Sensoren zu ersetzen.
Dieses grundlegende Prinzip kann modifiziert werden:
Zur Steigerung der Geschwindigkeit können mehrere Ausleseverstärker benutzt werden. Bei zwei Ausleseverstärkern können z. B. die geradzahligen Spalten nach oben und die ungeradzahligen nach unten aus dem lichtaktiven Bereich herausgeschoben werden. Diese werden dann zwei horizontalen Schieberegistern zugeführt, mit zwei Strom-Spannung-Wandlern und zwei Ausgängen. Man kann das horizontale Schieberegister ganz einsparen und verwendet das CCD-Prinzip nur für die vertikale Ladungsverschiebung. Für jede Spalte gibt es einen eigenen Strom-Spannung-Wandler, der wesentlich langsamer betrieben werden kann. Erweitert man diese Parallelisierung bis auf die Ebene einzelner Pixel, hat man keinen CCD-Sensor mehr, weil kein Ladungstransport mehr notwendig ist. Diese Sensoren nennt man Active Pixel Sensoren. Benötigt man nur einen eindimensionalen Sensor (weil die andere Dimension nicht benötigt wird oder mechanisch erzeugt wird), erhält man einen Zeilensensor, der kein horizontales Schieberegister benötigt. Eine spezielle Form von CCDs (Electron Multiplying CCD, EMCCD) verwendet spezielle Schieberegister zur Signalverstärkung vor dem Ausleseverstärker und ist daher für sehr geringe Lichtstärken geeignet. Bei EMCCDs sind daher auch Punktdetektoren möglich, die wiederum CCDs sind. Die meisten EMCCDs sind aber Bildsensoren und verwenden auch „normale“ Schieberegister für den Ladungstransport.
Es ist zu beachten, dass für genaue Messungen mit mehreren Strom-Spannungs- und Analog-Digital-Wandlern ggf. jeder einzelne genau charakterisiert werden muss, um relative Variationen in deren Linearität, Offset und Rauschverhalten zu kompensieren. Dies kann sonst, bspw. bei Anwendungen in der Spektroskopie, zu Problemen führen.
Ladungstransfer: FF-, FT-, IT-, FIT-CCDs
Während des Verschiebens der Ladungen sollen keine weiteren Ladungen durch Belichtung hinzukommen, um die Bildinformation nicht zu verfälschen. Es wurden verschiedene Anordnungen zur Lösung dieses Problems entwickelt: Full-Frame- (FF) (mit zusätzlichem mechanischen Verschluss), Frame-Transfer- (FT), Interline-Transfer- (IT) und Frame-Interline-Transfer-CCDs (FIT).
mini|hochkant=0.7|CCD-Typen.L – lichtempfindliche Pixel,T – Transfer-Register,A – Ausleseverstärker.
Full-Frame-CCD (FF-CCD) Die einfachste Lösung, um zu verhindern, dass während des Auslesevorgangs noch Licht auf den CCD-Sensor fällt, ist ein mechanischer Verschluss.
Da bei CCD-Sensoren mit einem Verschluss die ganze Fläche des Chips zur Gewinnung der Bildinformation eingesetzt wird, heißt diese Lösung auch „“ (übersetzt etwa „Vollbild“) oder „“.
CCD-Sensoren mit diesem Prinzip werden vor allem für wissenschaftliche und astronomische Zwecke verwendet, allerdings ist der mechanische Verschluss aufwendig und störungsanfällig.
Der Begriff Full-Frame-CCD wird nicht nur für den inneren Aufbau von CCD-Sensoren verwendet, sondern auch für sogenannte Vollformat-CCDs, die der „vollen“ 24 mm × 36 mm Bildgröße des Kleinbildfilms entsprechen. In diesem Artikel bezieht sich der Begriff ausschließlich auf den inneren Aufbau des Sensors und die Art des Auslesevorgangs, nicht auf das Bildformat bzw. die Größe des Sensors.
Frame-Transfer-CCD (FT-CCD)