I CCD in Astronomia
Simon Tulloch [email protected]
(adattamento Enrico Maria Corsini [email protected])
Cenni sulla struttura e sul funzionamento dei CCD
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
Energia crescente
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.
Banda di conduzione
1.26eV
Banda di valenza
buca
elettrone
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 1mm, oltre la quale il silicio diventa trasparente e i CCD fatti di silicio sono insensibili.
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)
NASTRI TRASPORTATORI
VERTICALI
(COLONNE DEI CCD)
SECCHI (PIXEL)
I secchi raccolgono la pioggia
(durante la posa i pixel
raccolgono i fotoni)
CONTENITORE GRADUATO
(AMPLIFICATORE IN USCITA)
NASTRO TRASPORTATORE
ORIZZONTALE
(REGISTRO SERIALE)
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 fotoni
che 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.
Area dell’immagine
Supporto di ceramica, metallo o plastica
Connettori
Connessioni
Piedini
Strato di silicio
Amplificatore
Registro seriale
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.
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.
Bordi delle colonne del CCD (silicio con un’alta concentrazione di boro)
CCD visto da sopra
Un pixel
CCD visto di lato
Elettrodi orizzontali
trasparenti che sono
connessi 3 a 3 e
sono usati per
trasportare le
cariche durante la
fase di lettura.
Elettrodo
Isolante
Silicio n
Silicio p
Struttura di un CCD 4.
Ai piedi dell’area utile su cui viene raccolta l’immagine si trova il registro seriale,
formato da una serie di elettrodi allineati.
Area dell’immagine
Registro seriale
Registro seriale
visto di lato
Amplificatore
alla fine del
registro seriale.
Struttura di un CCD 5.
Microfotografia di un angolo di un CCD EEV.
160mm
Registro seriale
Amplificatore di lettura
Bordo del silicio
Area dell’immagine
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.