Kleines Lehrbuch der Astronomie und Astrophysik - Astronomie.de

CCD – Charge Coupled Devices
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Teleskope, Detektoren, Meßgeräte
Der wichtigste elektrooptische Detektor in der Astronomie ist die CCD. Die Abkürzung bedeutet
“charge coupled devices“ und beinhaltet eine vage Beschreibung ihrer Funktionsweise. Dieser
Strahlungsdetektor wurde 1969 von W.S.BOYLE und G.E.SMITH (Bell Laboratories) erfunden und
befindet sich heute in jeder digitalen Foto- oder Videokamera. Moderne Fertigungstechnologien
erlauben eine preisgünstige Massenfertigung, von dem auch die Amateurastronomen infolge des damit
verbundenen Preisverfalls profitieren.
Ein CCD-Chip ist eine spezielle Halbleiterstruktur, die aus einer zweidimensionalen Anordnung von
Bildelementen – den Pixeln – besteht und die in der Lage ist, Licht in elektrische Ladungen
umzuwandeln und diese bis zum sogenannten Auslesevorgang zu akkumulieren und zu speichern.
Ähnlich wie bei der Fotoplatte entsteht während der Belichtung in der Detektorfläche ein latentes
Ladungsbild, das ohne Umwege auf elektronischem Weg leicht in eine digitale, d.h. computerlesbare
Form gebracht werden kann. Der aufwendige Entwicklungsvorgang wie bei einer Fotoplatte entfällt
damit völlig und das kosmische Objekt erscheint sofort nach Beendigung der Belichtung auf dem
Computermonitor.
Hochempfindlicher CCD-Sensor, wie er in der astronomischen Forschung eingesetzt wird
Ein „Pixel“ wird im CCD-Sensor durch drei MOS-Strukturen („metal oxide semiconductor“), die wie
ein Kondensator Ladungen sammeln können, repräsentiert. Der physikalisch relevante Teil ist dabei
der Übergang zwischen einem p- und einem n-dotierten Halbleiter. Im Übergangsbereich diffundieren
Elektronen vom n-Halbleiter in den p-Halbleiter bzw. Defektelektronen („Löcher“) vom p-Halbleiter in
den n-Halbleiter, wodurch ein Diffusionsstrom entsteht. Dieser fließt solange, bis ein
Gleichgewichtszustand erreicht ist. Der räumliche Bereich, der durch den dabei auftretenden
Potentialabfall gekennzeichnet ist, bezeichnet man als Depletionszone. Trifft ein Photon der Energie
E auf einen Halbleiter, dann können Elektronen aus dem Leitungsband in das Valenzband angehoben
γ
werden, wenn die Energie E γ ausreicht, die Bandlücke (das „gap“) zu überwinden. Auf diese Weise
entsteht ein Elektron-Lochpaar („innerer Fotoeffekt“), das jedoch nicht wieder rekombinieren kann, da