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Lexikon der Optik: Photodiodenarray

Photodiodenarray (engl., "Anordnung von Photodioden"), ein Festkörperphotoempfänger in Form eindimensional (Zeile) oder zweidimensional (Matrix) angeordneter Sensorelemente, vorwiegend auf Si-Basis, zur Messung optischer Intensitätsverteilungen I(x) und I(x, y). Es handelt sich um ladungsgekoppelte Bauelemente (engl. charge coupled device, Abk. CCD) oder ladungsinjizierende Bauelemente (engl. charge injection device, Abk. CID), die das photoelektrische Signal nach dem Prinzip des oberflächengesteuerten Ladungstransfers verarbeiten.

Aufbau und Wirkungsweise. Aufbau und Wirkungsweise sind am Beispiel des CCD-P. erläutert (Abb. 1). Auf einem Substrat aus p-Silicium befinden sich, durch eine dünne SiO2-Schicht von der Unterlage isoliert, streifenförmige parallele Metallelektroden, deren jeweils dritte miteinander verbunden sind. Wird eine positive Spannung U1, U2 oder U3 angelegt, so bildet sich nahe der Si-Oberfläche eine an e+-Ladungen (Majoritätsträger) verarmte Schicht aus, in welcher photoelektrisch erzeugte e--Ladungen (Minoritätsträger) für eine gewisse Zeit gespeichert und "paketweise" von Elektrode zu Elektrode verschoben werden können, wenn die Spannung in zyklischer Folge variiert wird. Das elektronische Bild verschiebt sich so als Ganzes. Jeder Elektrode ist beim P. ein lichtelektrisch empfindlicher Sensorbereich (Bildpunkt, engl. pixel) zugeordnet. Im Falle einer Zeile ergibt sich über einen abschließenden Verstärker unmittelbar eine zeitliche Signalfolge (Videosignal), im Falle einer Matrix wird das Videosignal erst nach Übertragung des elektronischen Bildes entweder in ein neben dem Sensorarray liegenden Speicherfeld (engl. frame transfer) oder in jeweils zwischen den Sensorspalten liegende Schieberegister (engl. interline transfer) gewonnen (Abb. 2). Die Taktfrequenz, bezogen auf den einzelnen Bildpunkt, beträgt 5 bis mehr als 20 MHz. Während CCD-P. seriell ausgelesen werden, sind CID-P. x,y-adressierbar.

Eigenschaften. (Bildaufnahmeröhre, Tabelle). Si-P. werden als Zeilen mit 256 bis zu mehr als 4096 Elementen angeboten, als Matrizen mit 128×128 bis zu mehr als 4096×4096 Bildpunkten. Die Pixelabmessungen liegen zwischen 6,5×6,5 μm2 und 30×30 μm2, der Mittenabstand benachbarter Sensorelemente beträgt 10 bis 30 μm. Für spezielle Anwendungen gibt es P. als Zeilen mit länglichen Bildpunkten (z.B. von der Größe 20×2500 μm2) oder als gekrümmte Zeilen u.a. Die lichtelektrische Empfindlichkeit von Si-P. entspricht der einzelner Si-Photodioden. Sie liegt in einem Wellenlängenbereich, der sich von 0,2 bis 1,15 μm erstreckt. Die Signal-Lichtstärke-Kennlinie wird nach oben durch die Sättigungsladung pro Bildpunkt, nach unten durch das (temperaturabhängige) Dunkelladungsrauschen und schließlich durch das Transferrauschen des Ladungstransportes begrenzt. Thermoelektrisch gekühlte P. erreichen einen Dynamikumfang (Photoempfänger), der über 104:1 liegt, und Empfindlichkeiten, die dem Einzelphotoelektronen-Nachweis entsprechen. Ihr Vorzug gegenüber Bildaufnahmeröhren ist, daß sie klein, kompakt, mechanisch robust und weniger anfällig gegenüber elektromagnetischen Störungen sind und einen viel geringeren Leistungsverbrauch haben. Anfängliche Nachteile wie mangelnde Ortsauflösung oder zu kleiner optischer Füllfaktor (Verhältnis von Sensor- zu Gesamtfläche des P.) sind inzwischen technologisch behoben, so daß das P. in Zeilen- und Matrixkameras erfolgreich zum bilderfassenden Nachweis eingesetzt wird und die früher verwendete Bildaufnahmeröhre verdrängt. Die im Fernsehen geforderte Farbtüchtigkeit wird durch entsprechende Farbfilterfolien in unmittelbarem Kontakt mit der Oberfläche des P. hergestellt.

Anwendungen. P. werden heute in allen Bereichen der Bilderfassung eingesetzt, im kommerziellen Fernsehen, in Luftbildaufnahmen von Flugzeugen und Satelliten, für technische Überwachung (Fertigungskontrollen), optische Datenübertragung (Faksimiles, Graphiken), Robotertechnik (Näherungssensoren, Lichtschnittbilder) bis zu wissenschaftlichen Untersuchungen mittels optischer Vielkanalanalyse und kombiniert mit photoelektrischen Bildverstärkern in Laserspektroskopie und Astronomie.

Spezielle Ausführungen. Messungen im UV- und Röntgenbereich werden durch modifizierte Si-P. zugänglich. Aufnahmen im nahen bis mittleren Infrarot durch ebenfalls monolithische CCD-Bauelemente aus Silicium-Störstellen-Photoleitern (Silicide, Si:In), InAs, InSb oder PbS oder aber dadurch, daß in der sogenannten Fokalebenen-Technologie "nackte" P. mit Signalprozessoren oder Kühlelementen unterhalb der Sensorebene kombiniert werden. So arbeiten hybridintegrierte Bauelemente, in denen IR-empfindliche Multielementsensoren aus PbSnTe, HgCdTe oder pyroelektrischem Material bildpunktweise mit Si-CCDs gekoppelt sind, photoelektrisch im Wellenlängenbereich λ=2 bis 5 μm und λ=8 bis 12 μm bzw. pyroelektrisch bei λ=2 bis >30 μm, wo in Wärmebildaufnahmen noch Temperaturen unter 10-2 K aufgelöst werden. Ein röntgenempfindliches P. ist mit einer Faseroptik ausgestattet, die mit dem Si-CCD fest verbunden und bestrahlungsseitig mit einem Szintillator bedampft ist.



Photodiodenarray 1: CCD-Photodiodenarray. 1 Metallischer Kontakt, 2 Isolationsschicht, 3 Verarmungsschicht, 4 p-Silicium; U1, U2 und U3 angelegte Spannungen.



Photodiodenarray 2: Betrieb von CCD-Bildsensoren (Matrizen). a) Bildorganisierter Betrieb (frame transfer), b) Zwischenspaltenbetrieb (interline transfer). 1 Sensorteil, 2 Speicherteil, 3 Ausleseteil.

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