Schema base di un CCD "frame transfer"
 CCD - Charge Coupled Devices  Generalità di funzionamento

CCD MOS e a fotodiodo

La struttura del singolo fotoelemento può essere di due tipi: a fotodiodo o fotoMOS.

Nel primo caso una regione n viene impiantata in un substrato di tipo p, cosí da formare un diodo P-N. Questo diodo puó essere polarizzato inversamente per creare una zona di carica spaziale nella quale i fotoelettroni sono separati dalle buche. I fotoelettroni prodotti dalla radiazione incidente sono quindi accumulati nella zona n.
 

 
 

Nel secondo caso, la regione di carica spaziale viene generata da un gate sopra un sottile strato di ossido. Il potenziale generato dall'elettrodo é tale da avere un minimo nel volume sottostante del semiconduttore vicino alla superficie del CCD.
 

 
 

Consideriamo questo secondo caso. Gli elettrodi superiori sono costituiti da polisilicone di bassa resistività di 0.2-0.5 $\mu$m di spessore. Sono elettricamente isolati dal volume attivo del CCD da un sottile strato (0.1 $\mu$m) di SiO₂. Quindi il semiconduttore inizia con uno strato di circa 1 $\mu$m di silicio di tipo n (concentrazione di donatori $\sim 10^{16}$ cm^-3); quindi con uno strato di 20-30 $\mu$m di tipo p (concentrazione di accettori $\sim 10^{14}$ cm^-3); quindi il substrato é generalmente costituito da Si p⁺ di resistività estremamente bassa (concentrazione di accettori $\sim10^{18}$ - 10¹⁹ cm^-3). Applicando potenziali tipicamente fra 0 e +15 V si creano buche di potenziale nella regione n, al di sotto dello strato di ossido e fuori della regione di tipo p (``buried channel'').
 

 
 

Finora abbiamo ottenuto un canale monodimensionale nel quale le cariche sono confinate all'interno del Si da una barriera di potenziale e fra i diversi pixel dalle differenze di potenziale dovute ai voltaggi applicati ai diversi contatti superficiali (gates).

Una distribuzione bidimensionale di pixel si ottiene confinando le cariche nell'altra dimensione con impianti p⁺ perpendicolari agli elettrodi. La carica spaziale negativa formata dagli accettori forma una barriera di potenziale per gli elettroni che funge da ``incanalatore''. In alcuni casi questo canale viene utilizzato per trasferire la carica una volta che i pixel siano completamente riempiti (``antiblooming'').
 

 
 

Una volta che la carica sia stata convogliata allo stadio di lettura (shift register), questa viene convertita in un livello proporzionale di tensione. Dopo la lettura, tramite un diodo di reset si ripristinano le condizioni iniziali.

Il voltaggio viene misurato dopo un amplificazione (che può contenere un circuito sample-and-hold) e convertito in una quantità digitale.

Nella caratterizzazione della risposta di un CCD sono considerate:

• l'efficienza quantica definita come la quantità di fotoni assorbita per una determinata lunghezza d'onda
• l'efficienza di raccolta di carica (CCE - Charge Collection Efficiency), che é definita dal movimento degli elettroni verso le buche di potenziale all'interno di ciascun pixel
• l'efficienza di trasferimento di carica (CTE - Charge Transfer Efficiency), che é definita dal trasferimento seriale delle cariche attraverso la matrice di pixel sino allo stadio di lettura
• la misura del segnale - la misura della carica raccolta in ogni pixel, la cui precisione é affetta dal rumore di lettura di ciascun pixel.

Per ciascun fotone, l'efficienza quantica può essere definita come $$QE = \eta QE_1$$

dove QE₁ indica il numero di fotoni interagenti per fotone incidente ed $\eta$ é il numero di elettroni generati, raccolti e trasferiti per ciascun interazione di un fotone in un pixel.
 

                                                               Figura 6.5: schema funzionale completo di un CCD
 
 

In figura 6.5 sono descritte singolarmente le funzioni di trasferimento che determinano la risposta complessiva del CCD. In particolare le prime tre sono direttamente legate al CCD e le ultime due sono invece legate al processamento esterno del segnale proveniente dal CCD.

Il segnale finale é ottenuto dalla conversione (tipicamente in 12-16 bit) del segnale di ciascun pixel. Correntemente si converte questo numero digitale (DN) in quantità fisiche fondamentali, definite da:

$$J = \left( \eta S_V A_1 A_2 \right) ^{-1}$$ $$K = \left( S_V A_1 A_2 \right) ^{-1}$$

In queste formule S_V é la sensibilità in uscita dal CCD (in volt per elettrone), A₁ é il guadagno dello stadio di uscita e A₂ é il guadagno dello stadio di conversione analogico-digitale.

5/20/1998