Ccd Bilgisi

CHARGE-COUPLE-DEVICES (CCD)


Kısaca adı CCD olan Charge-Coupled-Devices’in temelleri, 1969 yılında Bell Laboratuarından Willard Boyle ve George Smith tarafından tek dizi sekiz piksel detektörün yapılması ile atıldı Daha sonra 1973 yılında NASA, JPL ve TI`nin astronomi için CCD geliştirilmesi programına başlaması CCD’lerin bugüne gelmesini sağladı Bugün CCD ler binlerce hücreden oluşmaktadır CCD’ler ile ilk alınan görüntü ise, 1974 yılında Fairchild’in 8” lik teleskop ve 100x100 piksellik CCD ile aldığı ay görüntüsüdür Bu gelişmeleri 1973-1977 yılları arasında TI’ nın 100x160, 400x400 ve 800x800 piksellik CCD’ler ve 1979 yılında RCA’nın 320x512 piksellik sıvı azot soğutma sisteme sahip KPNO 1-m’i yapması izledi Günümüzde CCD’ler astronomi-astrofizik çalışmaları için vazgeçilmez bir hale gelmiştir Teleskoplarla bile ayırt edemediğimiz derin veya sönük uzay nesnelerinin görüntülerini CCD’ler sayesinde alabiliyoruz Aynı zamanda CCD’ler fotoelektrik olayın bir uygulamasıdır


ÇALIŞMA PRENSİBİ


CCD’ler genel olarak yaptıkları ilk işlem ışık kaynağından gelen fotonları yakalamaktır Yakalanan fotonlar, foton madde etkileşmesi (fotoelektrik olay) ile foto elektronları meydana getirirler Bu elektronlar “Cell” adı verilen küçük hücrelerde toplanırlar Hücrelerdeki elektronlar sayılmak üzere transfer edilir (yük transferi) Analog sayısal birim; “ADU” ya gönderilen elektronların sayısal değeri bulunur Bundan sonraki işlem ise; bu değerlerin koordinatları ile birlikte saklanması işlemi, Readout’tur


Fotoelektrik olaydan bildiğimiz gibi foton yakalama yeteneği maddelere göre değişiklikler göstermektedir Aşağıdaki tabloda foton yakalamak için kullanılan bazı maddeler ve onların bazı özellikleri verilmektedir




İsim


Sıcaklık (K)


Bant genişliği (eV)


Kesme dalgaboyu (mikron)


Kadmiyum Sülfit(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 Sülfür(PbS)


295


0,42


2,95


İndium Antimonit(InSb)


296


0,18


6,9


İndium Antimonit(InSb)


77


0,23


5,4


Cıva Kadmiyum Tellürit(Hgx Cd1-xTe)


77


0,10(x=0,8)


12,4


Cıva Kadmiyum Tellürit(Hgx Cd1-xTe)


77


05 (x=0554)


2,5


Foton yakalamak için kullanılan bazı maddeler ve özellikleri


Foton yakalamakta kullanılan maddelerin foton yakalama özelliklerini belirleyen en önemli parametre onların bant genişliğidir Düşük enerjiye sahip kırmızı fotonlar soğurulmak için madde içinde daha uzun yol alırlar En düşük enerji limiti ise yasaklı bant genişliği ile orantılıdır ve düşük enerjili fotonlar (dalga boyu, kesme dalga boyundan büyük fotonlar) hiç bir şekilde etkileşmez Burada dalga boyu bulunurken kullanılan formül;


Dalga Boyu = Planck Sabiti x Işık hızı / Bant Genişliği ‘ dir


Buradan da anlaşılacağı gibi kullanılan maddenin özelliğine göre belli bir değerden sonra yarı iletken fotonlara karşı duyarsız, kör denilebilir Eğer yarı iletken kristali içine başka atomlar yerleştirilirse yani safsızlığı arttırılırsa yarı iletken yapısı değişir Eğer yerleştirilen atom daha fazla valans elektronuna sahipse bu kristal içinde elektron fazlalığı meydana gelir ve bunlara n-tipi denir Ancak az sayıda valans elektronuna sahipse bunlar p-tipi yarı iletken adını alır



Yarı iletken kristal yapısı


Şimdi CCD’nin iç yapısı ve yukarıda bahsettiğimiz işlemleri şekiller ile ele alalım;









CCD ‘deki hollerin yapısı ve etkileşim (Fotoelektrik olay)


P-tipi kristal üzerine silikon dioksit kapladıktan sonra metal elektrot yerleştirelim Basit bir hücre (kova) yapısı elde ederiz Bunlardan bir dizi yan yana koyarsak ve uygulanan voltajlar ile oynarsak hücre içindeki biriken yük kolayca dizi boyunca kaydırılabilir







Hücrelerde ki elektronların kaydırılması (yük transferi)




Hücreleri matris şeklinde organize edersek;







Hücrelerdeki bilginin okunması (ADU)




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


Silikon yüzey yapısındaki olumsuzluklar, elektrotların direk yüzey üzerinde olması fonksiyon açısından çeşitli kayıp ve düzensizliklere sebep olur Bunu önlemek için elektronların hareket ettiği bölgenin yüzeyden uzaklaştırılması gerekir Gömülü kanal elektron transferi sırasındaki olumsuzlukları kaldırır, kayıpları azaltır



Gömülü kanalın işlevi




İdeal bir detektör gelen fotonların tamamını yakalayabilen detektördür Temelde silikon yarı iletken olarak kırmızı fotonlara daha hassastır Silikon üzerinde olan elektrot yapısı (yaklaşık 05 mikron kalınlık, mavi foton dalga boyu) ise mavi foton akısının bir kısmının yapı içinde soğurulmasına sebep olur Pratik olarak CCD mavi fotonlara kör de denilebilir



CCD detektörünün yapısı




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) Bu işlem sonucunda çok iyi derecede mavi ve mor duyarlılığı elde edilir Fakat bunun sonucunda çeşitli problemlerle karşılaşılır Şimdi bunlara göz atalım;


Kristal çok inceltilirse kırmızı fotonlar yeterli soğurma yoluna sahip olmadığı için tutulamaz ve CCD nin kırmızı duyarlığı azalır


İnce silikon içerisinde oluşan yansımalar girişim olmasına sebep olur


İnceltme sonucunda inceltilen yüzey düz olmazsa odaklama problemi meydana gelir


Arka yüzeyde silikon açıkta olduğundan silikon dioksit oluşumu meydana gelir


Önleme yolları:


Silikon kırılma indisi 36 civarındadır Havanın kırılma indisinin 10 olduğu düşünüldüğünde bu yüksek bir değerdir Bu durum fazla sayıda foton kaybına neden olur






%= [(nt ni) / (nt + ni)]2 % = [(nt × ni) – na2 / (nt × ni) + na2 ]2


Si =3,6 , hava= 1,0 >> % 32 na2 = nt % > 0


na = 1,9 Hafnium Dioksit


550 nm ¼ ?


Foton kaybını önlemek için silisyum üzerine AR kaplama