Sorgenti di rumore strumentale
 CCD - Charge Coupled Devices  CCD MOS e a fotodiodo

Schema base di un CCD ``frame transfer''

Un CCD é in genere costruito da un wafer di silicio fortemente drogato cosí che i portatori di carica si ricombinino prontamente nel cristallo (substrato). Dopo di che al di sopra di questo strato viene cresciuto un secondo strato che segue la stessa struttura del cristallo, con un drogaggio molto minore (strato ``epitassiale'') e che quindi consente una maggiore distanza di drift dei portatori di carica. L'area sensibile viene delimitata da striscie di poly (silicio depositato dalla fase di vapore durante il processamento del chip), che fungono da elettrodi. Queste sono connesse secondo lo schema di fasi prescelto (nel nostro esempio iniziale a tre a tre) e vengono polarizzate per ottenere un pixel. In questo modo si ottengono tante ``righe'' quante sono le striscie di poly. I ``channel stops'' che vengono impiantati perpendicolarmente alle strisce di poly definiscono i singoli pixel.
 

 
 

Il dispositivo é normalmente illuminato nella direzione degli elettrodi di poly, che, essendo di silicio, offrono una certa opacità alla radiazione incidente.

Per aumentare l'efficienza quantica del dispositivo, si può utilizzare un metodo costruttivo che consente di assotigliare il substrato di supporto sino al confine con lo strato epitassiale (``thinned CCD''). In questo caso l'illuminazione del CCD viene operata dalla parte opposta a quella degli elettrodi di poly e si parla di CCD ``retroilluminato'' (back-illuminated CCD'').
 

 
 

Nei CCD ``frame transfer'', meta' del CCD é esposta alla luce incidente e metà ne é schermata. La prima parte viene chiamata ``image section'' e la seconda ``store section''. Le due parti sono esattamente identiche. La carica accumulata nella parte sensibile, dopo l'esposizione viene rapidamente trasferita nella parte di memoria e successivamente letta lentamente. Questa procedura ha i vantaggi di fornire un dead time relativamente modesto (il tempo di trasferimento dal frame di immagine a quello di lettura é normalmente da considerarsi trascurabile rispetto al tempo di esposizione) ed una lettura particolarmente pulita (il rumore di lettura dipende dalla velocità con cui la lettura stessa viene effettuata: più lenta é questa velocità, minore é il rumore).
 

 
 

Nell'esempio che consideriamo, un CCD EEV, 1732 strisce di elettrodi poly sono connesse tre a tre, fornendo 578 righe di pixel. Uno dei tre elettrodi e' polarizzato a 0 V e gli altri due a -10 V rispetto ad un livello arbitrario. 385 impianti perpendicolari di ``channel stops'' forniscono le colonne. L'area di ciascun pixel é di 22 $\mu$m². Il substrato é ad una tensione fra -2 e -6 V.

Al termine di ciascuna colonna, c'é una connessione ad un elettrodo del registro di uscita, che consiste, nello stesso modo, di elettrodi di poly connessi a tre a tre e polarizzati uno a 0 V e due a -10 V.

Come abbiamo già visto, la variazione dei potenziali applicati ai diversi elettrodi sposta le cariche generate nel singolo pixel dall'interazione della radiazione con il silicio dello strato epitassiale. Quando l'elettrodo adiacente al registro di output passa da 0 a -10 V, le cariche vengono trasferite al registro di output (agli elettrodi che sono a 0 V). I pixel del registro di output sono notevolmente più grandi dei pixel della zona attiva, per potere contenere una maggiore quantità di carica e non andare in saturazione.

Nel nostro esempio pratico, alla fine del registro di lettura, troviamo un diodo, che viene polarizzato inversamente e che quindi funge da capacità (circa 0.1 pF). É su questa capacità che viene ``scaricata'' la carica accumulata in ciascun pixel. La capacità é collegata ad un transistor a due stadi, uno dei quali é polarizzato alto (+10 V - ``reset bias gate'') e l'altro é polarizzato basso (-10 V - ``reset gate''). Quest'ultimo gate mette off il transistor, cosicché il drain (+5 V) é isolato dalla capacità.

La capacità é anche connessa al transistor di uscita, che ha il drain alto (+12 V) e il source fornito da una sorgente di corrente costante a 2-2.5 mA. Il transistor di uscita é connesso all'elettronica di analisi. Nel caso del nostro esempio ha un guadagno di 0.7.

Il transistor di uscita consente di misurare la carica presente sulla capacità. La capacità integra la carica lí accumulata. Il livello di riferimento dal quale viene misurata la carica viene ripristinato attraverso il transistor di reset.

Nel registro di uscita sono anche contenuti alcuni pixel non connessi ai pixel dell'area attiva. Questi possono essere utilizzati per misurare un livello di rumore di riferimento al ``buio''.
 

 
 

La grande flessibilità dei CCD é anche legata alla capacità di effettuare uno scan dell'immagine immagazzinata in modo programmabile. Ad esempio una lettura con accumulo di carica di più righe senza operare il registro di uscita fornisce dei pixel ``rettangolari'', con la dimensione verticale pari al numero di pixel accumulati. Analogamente un trasferimento di più pixel del registro di lettura sul diodo di uscita somma i pixel lungo una riga.

In questo modo é possibile ottenere pixel che hanno per dimensione x e y un multiplo della dimensione del pixel (pitch).
 

 
 

5/20/1998