Was ist ein CCD-Sensor?
Ein CCD-Sensor ist ein Halbleiterbauelement, das als ladungsgekoppeltes Bauelement Lichtintensität in elektrische Ladung umwandelt.
CCD-Sensoren sind eine Art von Bildsensor und waren bis 2004 der vorherrschende Typ, bis sie von CMOS-Sensoren in Bezug auf die Anzahl der Auslieferungen überholt wurden.
Er besteht aus einer großen Anzahl von Elementen, den so genannten Pixeln, die in einem Gittermuster angeordnet sind. Die Anzahl der Pixel in einer Kamera bezieht sich auf die Anzahl dieser Elemente und verwendet die Einheit Pixel. In der Praxis geht die Anzahl in der Regel in die Millionen von Pixeln.
Die Pixel, die die drei Grundfarben des Lichts – Rot, Grün und Blau (RGB) oder ihre Komplementärfarben Cyan, Magenta und Gelb/Grün (CMYG) – übertragen, sind in einem mosaikartigen Muster angeordnet und werden in vertikaler und horizontaler Reihenfolge von einem Pixel zum anderen übertragen, wobei das Signal durch einen Verstärker verstärkt wird, bevor es als Bilddaten übertragen wird. Diese Bewegungsfolge wird oft als “Bucket Relay” bezeichnet.
Anwendungen von CCD-Sensoren
Während CMOS-Sensoren in Fotoapparaten, Videokameras und Scannern die Regel sind, werden CCD-Sensoren aufgrund ihrer höheren Empfindlichkeit bei langen Belichtungszeiten häufig in vielen gängigen Digitalkameras, astronomischen Teleskopen und Mikroskopen eingesetzt.
In den letzten Jahren werden CCD-Sensoren zunehmend auch in den eingebauten Kameras von Mobiltelefonen verwendet. Diese Lichtsensoren werden in vielen Bereichen eingesetzt, z. B. bei der Messung der Lichtintensität, der Bildmessung, der Aufnahme von DVDs und der Erkennung optischer Signale in der optischen Kommunikation.
Funktionsweise der CCD-Sensoren
Wenn die Verarmungsschicht einer Fotodiode Licht empfängt, werden im Inneren Elektronen-Loch-Paare gebildet. Dies wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet. Die gespeicherte Ladungsmenge nimmt mit zunehmender Lichtintensität zu und das Phänomen, dass eine Spannung proportional zur Lichtintensität erzeugt wird, wenn das Licht auf die Diode fällt, wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet.
Aufgrund des internen elektrischen Feldes in der Verarmungsschicht werden Elektronen-Loch-Paare von Elektroden aufgefangen, durch die ein elektrischer Strom fließt. CCD-Sensoren sind somit für die Umwandlung der Lichtintensität in ein elektrisches Signal verantwortlich.
Aufbau eines CCD-Sensors
Der CCD-Sensor besteht aus einer Fotodiode mit Schichten aus p-, n- und i-Typ-Halbleitern, hauptsächlich aus Silizium, die zwischen einer lichtsammelnden Linse auf der Einfallseite, einem Filter, der Licht einer bestimmten Wellenlänge durchlässt und Metallelektroden (Kathode und Anode) auf der Ober- und Unterseite angeordnet sind.
1. Mikrolinse
Mikrolinsen befinden sich auf der obersten Fläche jedes Pixels, um das Licht zu bündeln. Da sie wie Halbleiterbauelemente auf Wafern aus Glas- oder Harzmaterialien hergestellt werden, werden sie auch als On-Chip-Mikrolinsen bezeichnet.
2. Farbfilter
Farbfilter werden auf dünnen Glassubstraten mit einem Farbresistfilm hergestellt, der selektiv Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich durchlässt, so dass rotes (R, Wellenlänge 640-770 nm), grünes (G, Wellenlänge 490-550 nm) und blaues (B, Wellenlänge 430-490 nm) Licht direkt in die darunter liegende Fotodiode gelangt. Die Fotodioden werden durch das Licht direkt unter ihnen beleuchtet. Um zu verhindern, dass sich benachbarte Farben vermischen, wird zwischen den Farbfiltern eine dünne schwarze Trennwand, die so genannte schwarze Matrix, gebildet. Da sie auf einem Halbleiterplättchen im gleichen Fertigungsverfahren wie Halbleiter hergestellt werden, werden sie auch als “On-Chip-Farbfilter” bezeichnet.
3. Fotodiode
Eine Fotodiode besteht aus einem p-Halbleiter auf der Oberseite (Lichteintrittsseite) und einem n-Halbleiter auf der Unterseite, mit einer Anode auf der Oberseite und einer Kathode auf der Unterseite; am Übergang zwischen dem p- und dem n-Halbleiter (pn-Übergang) bildet sich ein internes elektrisches Feld ohne Ladung, die so genannte Verarmungsschicht.