Kleines Lehrbuch der Astronomie und Astrophysik - Astronomie.de

Astronomie im optischen und infraroten Spektralbereich
es durch den Potentialabfall in der Depletionszone räumlich getrennt wird. Auf diese Weise sammeln
sich im Bereich des Pixels Ladungen an. Dieser Effekt läßt sich verstärken, wenn man auf den p-
Halbleiter eine nur Bruchteile eines Mikrometers dicke Isolatorschicht aufbringt und darauf eine
Metallelektrode setzt („Gate“). Gewöhnlich verwendet man als Substrat p-dotiertes Silizium und als
Isolationsschicht Siliziumdioxid ( SiO 2 ). Legt man nun am Gate eine positive Spannung an, dann
sammeln sich die durch den inneren Fotoeffekt erzeugten freien Elektronen im Bereich der Substrat-
Isolator-Grenze an, während die Löcher in das Innere des Halbleitermaterials abgedrängt werden. Auf
diese Weise entsteht ein Potentialtopf, der sich mit Ladungsträgern füllen läßt. Eine Raumladungszone
verhindert die Rekombination der darin enthaltenen Elektronen mit den Löchern. Jetzt braucht diese
während der Lichteinwirkung angesammelte Ladung nur noch in eine Spannung umgewandelt und auf
eine geeignete Art und Weise ausgelesen zu werden. Ein Problem dabei ist, das im Bereich der
Raumladungszone natürlich auch thermische Elektronen-Loch-Paare entstehen. Diese Elektronen
werden natürlich auch im Potentialtopf gefangen. Bei Zimmertemperatur ist dieser Dunkelstrom so
groß, daß die CCD innerhalb weniger Dutzend Sekunden bereits ihren Sättigungszustand erreicht.
Deshalb sind bei handelsüblichen Digitalkameras auch keine langen Belichtungszeiten möglich.
Astronomisch brauchbare CCD-Arrays werden aus diesem Grund gewöhnlich mit flüssigem Stickstoff
gekühlt, um das thermische Rauschen zu unterdrücken. Amateur-CCD’s besitzen zumindest ein
Peltier-Element, um den Chip bis zu 40° unter die Umgebungstemperatur zu kühlen.
Ein aktives Element besteht aus drei der beschriebenen MOS-„Kondensatoren“, viele davon bilden
eine CCD-Zeile und viele Zeilen wiederum die lichtempfindliche Fläche des Detektors. Während des
Belichtungsvorgangs in der CCD-Kamera wird an das Gate der mittleren MOS-Struktur eine kleine
positive Spannung angelegt. Die Gates der benachbarten MOS-Strukturen werden dagegen auf einer
niedrigeren Spannung gehalten (z.B. 0 V). Auf diese Weise wird eine Potentialbarriere aufgebaut,
welche die aktiven, d.h. ladungssammelnden MOS-Strukturen durch jeweils zwei Elektroden von ihren
aktiven Nachbarn trennt. Indem man nach der Belichtung die Potentiale dieser Gates in einem
bestimmten Regime ändert (Multiplexbetrieb, „charge coupling“), kann man erreichen, daß die
gesammelten Ladungen von Element zu Element verschoben werden, bis sie am Rand der CCD-Zeile
angelangt sind. Dort befindet sich die sogenannte Auslesespalte. Sie unterscheidet sich von einer
normalen CCD-Spalte nur dahingehend, daß in ihr die Ladungen rechtwinklig zur bisherigen Richtung
bewegt werden. Das letzte Element dieser Spalte ist schließlich mit einem Analog-Digital-Wandler
verbunden, welcher die Größe der in diesem Pixel angesammelten Ladung digitalisiert, damit sie von
einem Computer bearbeitet werden kann.
Die Auslesezeit ist ein wichtiger technischer Parameter. Sie muß so ausgelegt werden, daß das auf der
CCD gespeicherte Ladungsmuster beim Lesevorgang nicht verwischt wird.
Das Ergebnis einer CCD-Aufnahme ist vom Prinzip her nichts weiter als eine Tabelle, die genauso
viele Zeilen enthält wie die CCD Pixel hat. Dabei ist jedem Pixelindex eine ganze Zahl zugeordnet, die
der angesammelten Ladung in dem entsprechenden CCD-Element proportional ist. Der Wertebereich
dieser Zahlen hängt vom Auflösungsvermögen des verwendeten Analog-Digitalwandlers ab. Er
bestimmt im Wesentlichen auch die Dynamik der CCD-Kamera (genauer, deren „Bildtiefe“). Eine
Auflösung von 12 Bit liefert demnach einen Wertebereich von
29
12
2 ={0..4095}. Eine Auflösung von 2