CCD Yapısı, Türleri ve CCD Kamera

 

CCD Yapısı, Türleri ve CCD Kamera


Biraz Tarihçe

 

1970 lerde Bell Laboratuarları :1969 Willard Boyle ve George Smith tekdizi 8 piksel dedektör.
1973 JPL + NASA + TI :Astronomi için geniş alan CCD geliştirilmesi programı başladı
1974 Fairchild :İlk astronomik CCD görüntüsü 100x100 piksel, 8-inch teleskop ile ay
1973-1977 TI :100x160, 400x400.. 800x800 piksel yonga
1979 RCA :320x512 sıvı azot soğutmalı sistem. KPNO 1-m

 

Çalışma Prensipleri

Genel olarak ışık kaynağından gelen fotonların yakalanması ilk iş

  • Foton - madde ilişkisi (fotonlar >> elektronlar) [fotoelektrik prensibi]
  • Elektronların bir yerde toplanması [küçük hücreler, "Cell"]
  • Hücrelerdeki elektronların sayılmak üzere transferi [yük transferi]
  • Sayılarak değerinin bulunması [analog sayısal birim, "ADU"]
  • Bu değerlerin koordinatları ile birlikte saklanması, [okuma, "Readout"]

fotoelektrik olayını herkez biliyor. Bir foton'un yakalanması için kullanılan materyal önemli. Aşağıdaki tabloya bakalım:

 

İsim Sembol Sıcaklık
(K)
Bant Genişliği
(eV)
Kesme Dalga Boyu
(mikro m)
Kadmiyum Sulfit CdS 295 2.4 0.5
Kadmiyum Selenit CdSe 295 1.8 0.7
Galyum Arsenit GaAs 295 1.35 0.92
Silikon Si 295 1.12 1.11
Germanyum Ge 295 0.67 1.85
Kurşun Sulfur PbS 295 0.42 2.95
İndium Antimonit InSb 296 0.18 6.9
    77 0.23 5.4
Cıva Kadmiyum Tellurit Hgx Cd1-xTe 77 0.10 (x=0.8) 12.4
      0.5 (x=0.554) 2.5

 

Foton madde ile ilişki kurarken o maddenin bant genişliği en önemli parametredir. Düşük enerjili (kırmızı) fotonlar soğurulmak için madde içinde daha uzun yol alır, En düşük enerji limiti ise yasaklı bant genişliği ile orantılıdır ve düşük enerjili fotonlar hiç bir şekilde etkileşmez. Bu dalga boyu (kesme dalga boyu)

 

Dalga Boyu = Planck Sabitesi x Işık hızı / Bant Genişliği

 

Kullanılan materyalin özelliğine göre belli bir değerden sonra yarı iletken fotonlara karşı kör denebilir.

Eğer yarı iletken kristali içine başka atomlar yerleştirilirse yarı iletken yapısı değişir. Eger yerleştirilen atom daha fazla valans elektronuna sahipse bu kristal içinde eletron fazlalığı (n-tipi), az ise eksikliği (p-tipi) olur.

 

 

Şimdi aşağıdaki yapıya bakalım.

 

p-tipi kristal üzerine silikon dioksit kapladıktan sonra metal elektrot yerleştirelim. Basit bir hücre (kova) yapısı elde ederiz.

Bunlardan bir dizi yanyana koyarsak ve uygulanan voltajlar ile oynarsak hücre içindeki biriken yük kolayca dizi boyunca kaydırılabilir.

 

Hücreleri matris şeklinde organize edersek

 

 

Burada önce her satırda olan toplanmış yük sıra ile çıkış sütununa aktarılır sonrada bu sütun tekrar kaydırılarak sıra ile okunur. Boylece matris üzerinre olan her hücre adresleri ile birlikte okunmuş olur.

 

 

Tekrar hücre-elektrot yapısına dönersek, silikon yüzey yapısındaki olumsuzluklar, elektrotların direk yüzey üzerinde olması fonksiyon açısından çeşitli kayıp ve düzensizliklere sebep olur. Bunu önlemek için elektronların hareket ettigi bölgenin yüzeyden uzaklastırılması gerekir. Gömülü kanal elektron transferi sırasındaki olumsuzlukları kaldırır, kayıpları azaltır.

 

 

İşin astronomi tarafına bakarsak, gelen fotonların hepsini en iyi şekilde yakalamak ideal bir dedektör için esastır. Temelde silikon yarı iletken olarak kırmızı fotonlara daha hassastır. Silikon üzerinde olan elektrot yapısı (yaklaşik 0.5 mikron kalınlık, mavi foton dalga boyu) ise mavi foton akısının bir kısmının yapı içinde soğurulmasına sebep olur. Pratik olarak CCD mavi fotonlara kör denebilir.

 

 

Problemi yenmenin yolu CCD yongasını ters çevirerek fotonların arka taraftan içeri girmesini sağlamaktır. Ancak bu durumda fotonların kristal içinde elektrot yapısına yakın bölgede soğurulmasını sağlamak için kristalin inceltilmesi gereklidir (10-30 mikron). Netice çok iyi mavi ve mor duyarlığı.

 

Problemler:

  • Aktif yüzeyden yansımalar
  • Çok inceltilirse kırmızı fotonlar yeterli soğurma yoluna sahip olmadığı için tutulamaz ve CCD nin kırmızı duyarlığı azalır.
  • İnce silikon içerisinde oluşan yansımalar girişim yapısına sebep olur.
  • İnceltme sonunda yüzey düz olmazsa odaklama problemi, orta kısım kalın.
  • Arka yüzeyde silikon açıkta olduğundan silikon dioksit oluşumu, yüzeyde pozitif yük.

 

Önleme yolları:

Silikon kırılma indisi yüksek 3.6 civarı, hava ise 1.0, bu durumda yüksek foton kaybı söz konusu.

 

"UV flooding": Oksijen atmosferinde UV uygulama. Çok miktarda elektron üretilir. yonga soğuk tutulmalı (<-80 C).

"Flash Gate": Mono-atomik altın veya platin kaplama.

"Boron Dope": Vakum altında buharlaşır.

Dielektrik (Hafnium dioksit) kaplama AR: Mavi duyarlık kalınlık ile orantılı.

 

 

 

 

Bu şekilde hazırlanmış bir CCD paketin genel görünümü:

 

 

CCD Kamera:

Genel olarak iki temel yapıda kamera düşünülebilir:

 

Hazırlayan:

Ümit Kızıloğlu

umk@astroa.physics.metu.edu.tr

-A +A