CCD

CCD

 

[Abk. für Charge Coupled Device, dt. »ladungsgekoppeltes (Halbleiter)bauelement«], lichtempfindliches Halbleiterbauelement, das Informationen über einfallendes Licht als Ladungsansammlungen speichert und weiterleitet. Wegen ihrer besonderen Eigenschaften haben CCDs als Grundbausteine von Bildsensoren große Bedeutung erlangt. Ein solcher Sensor besteht aus einer großen Zahl dicht benachbarter CCD-Ketten, die zusammen eine lichtempfindliche Fläche bilden. Bei Belichtung erzeugt jedes einzelne Halbleiterelement eine von der Intensität des einstrahlenden Lichts abhängige Ladungsmenge. Alle Elemente der CCD-Fläche zusammen kodieren so in Form eines Ladungsmusters ein Bild, wobei jedes CCD ein Bildelement (Pixel) speichert. Nach der Belichtung werden durch geeignete Spannungssignale die Ladungen schrittweise von Element zu Element einer Kette weitergegeben und am Ausgang der Kette als Strom von Pixeldaten ausgelesen.Die Bildinformationen stehen damit direkt zur weiteren elektronischen Bearbeitung zur Verfügung.

 

CCDs werden unter anderem in Video- und in Digitalkameras verwendet. Viele Hunderttausend oder Millionen Lichtsensoren sind dabei auf einer Fläche von weniger als einem Quadratzentimeter integriert. Die damit erreichbare Auflösung kann inzwischen mit der konventioneller Kameras konkurrieren. In einfacher Ausführung werden je drei CCDs mit Farbfiltern (rot, grün, blau) zu Tripeln zusammengefasst. Hochwertige Geräte verwenden für jede Grundfarbe einen eigenen CCD-Chip.

 

In ihrer herkömmlichen Form sind CCD-Bildsensoren meist rechteckig. Die neueren Super-CCDs haben demgegenüber eine Wabenform, dank der sich die Chip-Fläche besser ausnutzen lässt (größere CCDs in geringerem Abstand voneinander).

 

Bei bestimmten Anwendungen, z. B. wenn es um kleine Flächen geht, die gescannt werden sollen, kommen in Konkurrenz zu den CCD-Sensoren immer mehr lichtempfindliche CMOS-Sensoren zum Einsatz (CIS).

CCD,

 

Abkürzung für englisch Charge-coupled device [tʃɑːdʒ kʌpld dɪ'vaɪs, »ladungsgekoppeltes (Halbleiter-)Bauelement«], Ladungsverschiebeelement, in MIS-Technik gefertigter integrierter Schaltkreis zur Verarbeitung elektrischer, optischer u. a. Signale, bei dem die Information in Form von elektrischen Ladungsansammlungen im Inneren gespeichert und weitergeleitet wird.

 

Ein CCD besteht aus einer großen Anzahl eng benachbarter, elektrisch voneinander isolierter Gate-Elektroden und je einem Transistor am Signaleingang und -ausgang der Kette. Durch ein Signal am Eingangstransistor werden in den bei Anlegen einer Spannung als »Potenzialtopf« wirksamen Inversionsbereich im p-n-Übergang unter der benachbarten Gate-Elektrode Ladungsträger injiziert. Diese werden durch zyklische Änderung der an benachbarten Elektroden angelegten mehrphasigen Hochfrequenz-Taktspannung (z. B. zwischen 5 und 15 Volt bei 10 MHz) in den sich entsprechend aufbauenden und überlappenden Potenzialtöpfen von einer Elektrode zur nächsten verschoben, bis sie am Ende der Kette als Ausgangssignal zur Verfügung stehen und kapazitiv ausgekoppelt werden.

 

Aufgrund ihrer einfachen Schieberegisterorganisation sind CCD-Schaltungen als elektrisch steuerbare Verzögerungsglieder sowie zum Aufbau sehr kompakter Halbleiterspeicher geeignet. Spezielle CCDs, bei denen eine Hälfte der Elemente ein auf die Oberfläche fokussiertes Bild punktweise in intensitätsabhängige Ladungsmengen umsetzt, während die andere Hälfte zum Speichern und Auslesen der Information dient, werden als Bildsensoren sowie Strahlungsempfänger für sichtbare und infrarote Strahlung eingesetzt. Verbreitete Anwendung haben CCDs bereits in elektronischen Videokameras gefunden, mit deren Hilfe Farbbilder auf magnetische Träger aufgezeichnet und/oder auf Bildschirmen dargestellt werden können. Derartige CCD-Videokameras sowie die selbst abtastenden Infrarotbildsensoren (z. B. in Wärmebildgeräten) enthalten »CCD-Bildwandler« (Festkörperbildsensor), die aus Reihen-CCDs mit 2 000 beziehungsweise Flächen-CCDs mit bis zu mehreren 100 000 Einzeldedektoren auf etwa 8 mm × 10 mm Fläche aufgebaut sind. Ebenfalls mit CCD-Bildwandlern ausgerüstete CCD-Fotokameras (CCD-Kameras) speichern Bilder nicht auf herkömmlicher Art, sondern auf Magnetplatte (bis zu 50 Bilder pro Magnetplattenkassette). Die Bilder können auf einem Fernsehschirm betrachtet und mit speziellen Druckern auch ausgedruckt werden. CCD-Speicher haben Zugriffszeiten zwischen 50 μs und 1 000 μs; die maximale Speicherkapazität eines CCD-Speicherchips liegt bei 64 kBit.

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

 

Photonik und Mikrotechnik: Von der Videokamera bis zum Flachbildschirm