I CCD in Astronomia

Cenni sulla struttura e sul funzionamento dei CCD

Simon Tulloch smt@ing.iac.es(adattamento Enrico Maria Corsini corsini@pd.astro.it)

Cosa è un CCD ?

I CCD (Charge Coupled Devices) sono stati inventati negli anni ’70. La loro eccezionale sensibilità ha fatto sì che in campo astronomico abbiano sostituito completamente le lastre fotografiche come dispositivi di acquisizione delle immagini. I CCD convertono i fotoni in cariche elettriche all’interno di uno strato di silicio. Queste cariche vengono misurate, digitalizzate e salvate in un file immagine su un computer.

Effetto fotoelettrico

L’effetto fotoelettrico è alla base del funzionamento dei CCD. Gli elettroni negli atomi di silicio si trovano in livelli quantizzati di energia. Il livello di energia più bassa si chiama banda di valenza, mentre il livello più alto si chiama banda di conduzione. La maggior parte degli elettroni si trova nella banda di valenza, ma possono passare alla banda di conduzione se il sistema viene riscaldato o assorbe fotoni. L’energia neccessaria alla transizione è di 1.26 eV. Una volta che l’elettrone raggiunge la banda di conduzione è libero di muoversi nel silicio. L’elettrone lascia nello strato di valenza una “buca” che agisce come portatore di carica positiva. In assenza di un campo elettrico esterno l’elettrone e la buca si ricombinano rapidamente. Nei CCD si introduce un campo elettrico esterno in modo da prevenire la ricombinazione.

Ene

rgia

cre

scen

te

Banda di valenza

Banda di conduzione

1.26eV

Gli elettroni di origine termica sono indistinguibili dai fotoelettroni, cioè dagli elettroni originati dall’assorbimento dei fotoni. Essi costituiscono una sorgente di rumore che va sotto il nome di “correnti oscure” E di cui bisogna tenere conto. Per ridurre la presenza delle correnti oscure i CCD sono tenuti a temperature molto basse (sotto i -100 gradi C). 1.26eV correspono all’energia della luce con lunghezza d’onda di 1m, oltre la quale il silicio diventa trasparente e i CCD fatti di silicio sono insensibili.

fotone foto

ne

buca elettrone

Analogia tra fotoni e pioggia

Per capire il funzionamento di un CCD possiamo ricorrere a questa semplice analogia tra I fotoni e le gocce di pioggia:

Alcuni secchi (pixel) sono distribuiti in un campo (piano focale del telescopio) e sono appoggiati su una serie di nastri trasportatori (colonne del CCD) . I secchi raccolgono la pioggia (fotoni) che cade sul campo. I nastri trasportatori inizialmente sono fermi. La pioggia cade e riempie i secchi (esposizione). Finita la pioggia (chiusura dell’otturatore) i nastri trasportatori si muovono e fanno sì che l’acqua sia raccolta in un contenitore graduato (amplificatore) collocato in uno degli angoli del campo (angolo del CCD).

Nelle prossime diapositive il funzionamento dei nastri trasportatori viene schematizzato con una animazione:

PIOGGIA (FOTONI)

SECCHI (PIXEL)

NASTRI TRASPORTATORI VERTICALI (COLONNE DEI CCD)

NASTRO TRASPORTATOREORIZZONTALE

(REGISTRO SERIALE)

CONTENITORE GRADUATO(AMPLIFICATORE IN USCITA)

I secchi raccolgono la pioggia (durante la posa i pixel raccolgono i fotoni)

Al termine i secchi contengono una certa quantità di acqua (al termine della posa i pixel contengono una certa quantità di carica)

I nastri trasportatori entrano in funzione e spostano i secchi. La prima fila di secchi sui nastri verticali viene spostata sul nastro orizzontale.

I nastri verticali si fermano. Il nastro orizzontale travasa il contenuto del primo secchio nel contenitore graduato.

`

Il contenuto di pioggia del primo secchio viene misurato. Il contenitore viene svuotato ed è pronto a ricevere la pioggia contenuta nel secondo secchio. La procedura è ripetuta per tutti i secchi della fila.

Una nuova fila di secchi viene spostata sul nastro orizzontale e la procedura di misura è ripetura per tutte le file di secchi.

La lettura del CCD è completa quando il contenuto tutti i secchi è stato misurato.

Struttura di un CCD 1.

L’area destinata a raccogliere i fotoni si trova sul piano focale del telescopio. La distribuzione di fotoniche costituisce una immagine viene convertita in una distribuzione di cariche elettriche sul CCD. Al termine dell’esposizione le cariche sono trasferite pixel per pixel grazie al registro seriale fino all’amplificatore. I collegamenti elettrici sono fatte tramite piedini e connessioni posizionati sui bordi del CCD.

Connettori

Connessioni

Piedini

Strato di silicio

Supporto di ceramica, metallo o plasticaArea dell’immagine

Registro seriale

Amplificatore

Struttura di un CCD 2.

I CCD sono fatti di strato di silicio attraverso le tecniche fotolitografiche usate per stampare i microchip. I CCD per uso astronomico hanno in genere una superficie utile molto estesa, come nel caso dei 3 CCD affiancati mostrati qui sotto.

Don Groom LBNL

Struttura di un CCD 3.

Un pixel

Bordi delle colonne del CCD (silicio con un’alta concentrazione di boro)

Elettrodi orizzontalitrasparenti che sono connessi 3 a 3 e sono usati per trasportare le cariche durante la fase di lettura.

CCD visto da sopra

CCD visto di lato

Nel diagramma è mostrata una piccola sezione (di pochi pixel) dell’area utile di un CCD. Questa strutturaè ripetuta su tutta la superficie del CCD.

ElettrodoIsolanteSilicio n

Silicio p

Struttura di un CCD 4.

Amplificatore alla fine del registro seriale.

Registro serialevisto di lato

Area dell’immagine

Registro seriale

Ai piedi dell’area utile su cui viene raccolta l’immagine si trova il registro seriale, formato da una serie di elettrodi allineati.

Struttura di un CCD 5.

In questo CCD il registro seriale è avvolto su se’ stesso per tenere lontano l’amplificatore dall’area dell’immagine. Le frecce indicano il moto delle cariche nel CCD.

Bor

do d

el s

ilic

io

160m

Area dell’immagine

Registro seriale

Amplificatore di lettura

Microfotografia di un angolo di un CCD EEV.