Techniklexikon

CCD

Charge-Coupled Device, ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement, in MOS-Technik gefertigter integrierter Schaltkreis zur Verarbeitung und Speicherung elektrisch oder optisch erzeugter Signale, bei dem die Information in Form elektrischer Ladungsansammlungen im Inneren gespeichert und weitergeleitet wird. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften eignen sich die CCDs besonders als elektrisch steuerbare Verzögerungsglieder und Bildsensoren, und als solche haben sie grosse Bedeutung erlangt. Man unterscheidet SCCD (Surface CCD) und BCCD (Burried CCD), wobei bei letzterem eine dünne n-leitende Schicht auf der Halbleiteroberfläche aufgebracht wird.

Wird an eine Gate-Elektrode eine genügend hohe positive Spannung angelegt, so bildet sich an der Halbleiteroberfläche eine Potentialmulde der Tiefe V_s aus, welche aufgrund der sogenannten Deep-Depletion ausschliesslich von den Raumladungen der ionisierten Akzeptoren bestimmt wird. Die Minoritätsträger können sich erst einige ms nach Anlegen der Gate-Spannung aufgrund thermischer Anregung bzw. Diffusion in dieser Potentialmulde ansammeln. Noch bevor dies erfolgt, wird von aussen eine Elektronenladung in die Potentialmulde hineingebracht, deren flächenbezogene Ladung Q_n ²  ein Mass für eine analoge oder digitale Information ist, etwa ein Helligkeitssignal bei CCD-Bildsensoren oder ein Bit bei CCD-Speichern. Dadurch schrumpft die Tiefe der Potentialmulde um , wobei d_0x die Dicke und e_0x die Dielektrizitätskonstante des Gate-Isolators ist. Die maximale Ladung erhält man aus der Gate-Spannung U_GB und einem Materialparameter, der Flachbandspannung U_FB, die etwa  - 1 V beträgt, zu:

Ein Nachteil der SCCD liegt darin, dass die Ladungen mit der Oberfläche in Berührung kommen und dadurch bei ihrem Transport Verluste erleiden können. Die n-leitende Halbleiterschicht der BCCD verlegt hingegen das Potentialminimum in das Innere des Halbleiters, so dass sich die Ladungen in einer Mulde ansammeln, die sich unterhalb der Oberfläche befindet.

Damit die Ladung nicht durch thermisch generierte Minoritätsträgerladungen überdeckt wird, muss sie in relativ kurzer Zeit (ca. 1 ms) weitertransportiert werden. Beiden Typen gemeinsam ist das Verschieben der Ladungen von Potentialmulde zu Potentialmulde in linearen CCD-Ketten. Durch geeignete Taktspannungen an den Gates der MOS-Strukturen entstehen in benachbarten CCD-Elementen unterschiedlich tiefe Potentialmulden. Da die Ladung stets in die tiefste Mulde fliesst, kann die Ladung (und damit die Information) von Stufe zu Stufe wie in einem Schieberegister weitergeschoben werden. Dabei kommen Zwei-, Drei- und Viertakt-Strukturen zum Einsatz. Bei den Zwei- und den Viertakt-Strukturen existieren zwei verschiedene CCD-Elemente, die sogenannten Transfer- und Speicher-Gates, deren Spannungen so gewählt werden, dass die Ladungen in die gewünschte Richtung fliessen. Hierbei sind Transfer- und Speichergate bei der Zweitakt-Struktur miteinander verbunden. In der Dreitakt-Struktur werden nur die Speicher-Gates, also nur ein CCD-Element, eingesetzt.