Instrumentelle Analytik Strahlungsdetektoren Seite 2.3.3
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Instrumentelle Analytik Strahlungsdetektoren Seite N060_Detektoren_d_BAneu.doc - 1/15 2.3.3 Strahlungsdetektoren Die heute gebräuchlichen Strahlungsdetektoren können in zwei Gruppen eingeteilt werden: Quantendetektoren oder photoelektrische Detektoren nutzen den äußeren Photoeffekt (z.B. Photozelle, Photomultiplier) oder den inneren Photoeffekt (z.B. Photowiderstand, Photodiode, CCD). Funktionsprinzip: Durch Absorption einzelner Photonen werden freie Ladungsträger erzeugt. Thermische Detektoren (z.B. Bolometer , Thermopile, Pyrometer) Funktionsprinzip: Temperaturerhöhung durch Absorption einfallender Strahlung. Die Änderung einer temperaturabhängigen Messgröße (z.B. Thermospannung oder Widerstand) ist dann proportional zur einfallenden Strahlungsleistung. 1) Da das 1/f-Rauschen mit der Vorspannung zunimmt, ist im photovoltaischen Modus das Signal-Rausch-Verhältnis und damit die Empfindlichkeit bei Frequenzen bis 1 kHz höher als im photoleitenden Modus. 2) Im photoleitenden Modus ist die Kapazität der Grenzschicht geringer und damit die Ansprechzeit geringer. Er ist besser für gepulsten Betrieb geeignet. Instrumentelle Analytik Strahlungsdetektoren Seite N060_Detektoren_d_BAneu.doc - 2/15 Detektorauswahl Bei der Auswahl des optimalen Detektors sind besonders folgende Eigenschaften zu berücksichtigen: spektrale Empfindlichkeit S Wellenlängenbereich des Detektors Ansprechzeit, Anstiegsverhalten Bandbreite des Detektors Signal-Rausch-Verhältnis SNR, Detektivität D* rauschäquivalente Strahlungsleistung NEP Rauschen in einem Detektorsystem Thermisches Rauschen Ursache: Thermische Anregung (therm. Bewegung) von Elektronen in Bauelementen (Widerstand, Kondensator, Detektor) führt zu Ladungsverschiebungen und erzeugt statistische Spannungsschwankungen. Thermisches Rauschen existiert in jedem elektrisch leitenden Bauteil mit Widerstand R, auch ohne Strom. Für die effektive Rauschspannung gilt: u RMS 4kTRf R = Widerstand des Bauteils f = Bandbreite k = Boltzmannkonstante Photonenrauschen (Impulsrauschen) Ursache: Photonen treffen nicht gleichmäßig auf den Detektor, sondern statistisch verteilt. Dieselben statistischen Schwankungen gelten dann auch für die Photoelektronen, bzw. für den Photoelektronenstrom. Für den effektiven Rauschstrom gilt: iRMS 2 Ief I = Strom durch das Bauteil f = Bandbreite Instrumentelle Analytik Strahlungsdetektoren Seite N060_Detektoren_d_BAneu.doc - 3/15 Kenngrößen von Detektoren 1) Quantenwirkungsgrad Anzahl der erzeugten Photoelektronen / Zeiteinheit ne (typ 0,7 für SiPDs; 0,1 für SEVs) Anzahl der auftreffenden Photonen / Zeiteinheit nPh 2) Spektrale Empfindlichkeit S nPh e i i e Photostrom Ph Ph einfallende Lichtleistung POpt hf nPh hc nPh hc [S ] A W 3) NEP (Noise Equivalent Power - Rauschäquivalente Strahlungsleistung) Lichtpegel, der ein Signal-Rausch-Verhältnis von 1 produziert. Lichtpegel (in W), der dem Rauschstrom (in A / Hz ) des Detektors entspricht: Da der Rauschstrom proportional zur Wurzel aus der Bandbreite Δf des Detektors ist ~ benutzt man zur Definition der NEP einen normierten Rauschstrom iNoise iNoise / f . iPh S Popt ~ iNoise S NEP NEP NEP ~ iNoise Noise Strom [A/ Hz ] S Empfindlichkeit [A/W] Noise Strom [A/ Hz ] Empfindlichkeit [A/W] [ NEP] W Hz 4) Detektivität D (spektrales Nachweisvermögen) Die Detektivität D ist eine wichtige Vergleichsgröße zur Beurteilung von Quantendetektoren. D Empfindlichkeit [A/W] 1 Noise Strom [A/ Hz ] NEP Da der Rauschstrom i.a. auch proportional zur Wurzel aus der effektiven Detektorfläche A ist (je kleiner die Fläche, um so geringer der Rauschstrom), normiert man den Rauschstrom auch noch auf die Fläche A ( i*Noise iNoise / f A ) und erhält die spezifische Detektivität D*. D* spektrale Empfindlichkeit [A/W] normierter Rauschstrom [A/ Hz cm 2 ] S i Ph iNoise / A f iNoise A f POpt cm Hz W Da iPh/iNoise = SNR folgt: D* entspricht dem auf Bandbreite, Detektorfläche und Lichtleistung normierten SNR. [ D*] Beispiel: S1633 Si-PIN Diode Hamamatsu NEP = 10-13 A/ Hz ; D* = 3*1012 cm Hz /W; A = 9 mm2 ; POpt = 10-6 W; Sλ = 0,5 A/W D* iPh A f POpt iNoise SNR iPh iNoise D * POpt A f = Instrumentelle Analytik Strahlungsdetektoren Seite N060_Detektoren_d_BAneu.doc - 4/15 Normierte Detektivität D* Abb.: Normierte Detektivität D* (spez. Nachweisempfindlichkeit) von Halbleiterdetektoren (Photowiderstände, Photodioden) und thermischen Detektoren als Funktion der Wellenlänge. Die Detektivität eines idealen Detektors ist durch das Rauschen der thermischen Untergrundstrahlung bei der Umgebungstemperatur begrenzt. Der steile Abfall der Kennlinien der Halbleiter auf der langwelligen Seite rührt daher, dass die Energien der Quanten nicht mehr zur Überwindung der verbotenen Zone ausreichen. Wellenlängenbereiche von Strahlungsdetektoren (UV, VIS, IR) Abb.: Typischer spektraler Arbeitsbereich verschiedener Strahlungs-Detektoren. Instrumentelle Analytik Strahlungsdetektoren Seite N060_Detektoren_d_BAneu.doc - 5/15 2.3.3.1 Quantendetektoren Photomultiplier SEV (Sekundär-Elektronen-Vervielfacher) Prinzip: Einfallende Photonen lösen Elektronen aus der Photokathode, wenn die Energie der Photonen größer ist als die Austrittsarbeit der Elektronen. Eine positive Spannung von ca. 100 V saugt die Photoelektronen ab und lenkt sie auf ein System von positiv vorgespannten Dynoden (Prallelektroden), wo sie Sekundärelektronen auslösen. Dabei erzeugt jedes Elektron im Mittel δ > 1 Sekundärelektronen ( = Sekundärelektronenausbeute), welche weiter zur nächsten Dynode beschleunigt werden und weitere Sekundärelektronen erzeugen. Dieser Vorgang wiederholt sich bis an der Anode eine Elektronenlawine ankommt. Die Beschleunigungsspannung an den Dynoden wird mit einer Spannungsteilerkette (außerhalb der Röhre) erzeugt. Abb.: Schema eines “Head-on“ Photomultipiers UDyn 100-300V Abb.: Schema eines “Side-on" Photomultipliers 0 = Beschichtete Photokathode 1-9 = Dynoden 10 = Anode Anode Instrumentelle Analytik Strahlungsdetektoren Seite N060_Detektoren_d_BAneu.doc - 6/15 Spektrale Empfindlichkeit gebräuchlicher Photokathodenmaterialien Abb.: Spektrales ElektronenEmissionsvermögen Bialkali steht für binäre Mischungen aus K, Cs und Sb. Für den UV/ VIS-Bereich werden auch Multialkali-Photokathoden des Typs Na-K-Cs-Sb eingesetzt. Für den NIR-Bereich werden auch Ga-In-As-und Cs-Te-Kathoden verwendet. Photomultiplier gehören zu den empfindlichsten Strahlungsempfängern im UV, VIS und NIR. Sie haben eine hohe Bandbreite und geringes Rauschen. Typische Merkmale: Signalumwandlung und Verstärkung in einem Bauteil 6 7 hohe Empfindlichkeit (Verstärkung 10 - 10 ) Anstiegszeit im ns-Bereich geringes Rauschen (Photonenrauschen in der Kathode und Dunkelstrom durch thermische Emission von Elektronen aus der Kathode) Wellenlängenbereich 180 – 1100 nm (abhängig vom Kathodenmaterial - siehe Graphik) Beispiel: Popt = 1 nW; = 0,1; = 0,5 µm (hf 2 eV); n = 10 Dynoden; = 5 => Verstärkung V = n = 510 = 107 Elektronen/Photon an der Anode POpt e = => Photostrom iPh V hf Instrumentelle Analytik Strahlungsdetektoren Seite N060_Detektoren_d_BAneu.doc - 7/15 Halbleiterdetektoren: Halbleiterdetektoren nutzen den inneren Photoeffekt aus. Einfallende Photonen erhöhen die Zahl der freien Ladungsträger. In Photowiderständen (z.B. PbS, HgCdTe) sinkt der Widerstand bei Strahlungsabsorption. In Photodioden (z.B. Si, Ge) wird ein pn-Übergang zur Trennung der Ladungsträger benutzt. Photowiderstände Die Änderung des ohmschen Widerstandes von Halbleitern bei Bestrahlung mit Licht heißt Photoleitfähigkeit. Die Widerstandsänderung wird in einem Stromkreis über die Spannungsänderung an einem äußeren Widerstand RI nachgewiesen. c Schaltung Abb.: Photoleitfähigkeit im Bänderschema a) Nach der Elektron-Loch-Paarbildung wandern beide Ladungsträger im elektrischen Feld: Die Größe der Energielücke Eg bestimmt die Mindestenergie der Photonen. Beispiele: - PbS, PbSe, InAs, InSb (NIR bis ca.5 µm) - HgCdTe sog. Mercatel oder MCT (MidIR bis 25 µm) b) Die Energielücke kann durch Dotierung verringert werden (Störstellenhalbleiter) Einer der beiden Ladungsträger bleibt aber an die Fremdatome gebunden. Beispiele: - dotierte Halbleiter mit Ge oder Si als Wirtskristall c) einfache Beschaltung eines Photowiderstandes (U ~ RI ~ Licht) Halbleiterdetektoren für den IR-Bereich können oft nur gekühlt betrieben werden: Trockeneis: -77 °C; flüssiges N2: 77 K; flüssiges He: 4,2 K Neuere Detektoren auf der Grundlage von HgCdZnTe können im Wellenlängenbereich von 2 µm bis 12 µm bereits bei Zimmertemperatur eingesetzt werden. Instrumentelle Analytik Strahlungsdetektoren Seite N060_Detektoren_d_BAneu.doc - 8/15 Photodioden Wird ein pn-Übergang mit Licht bestrahlt, werden die in der sog. “Raumladungszone“ erzeugten freien Elektronen-Lochpaare durch ein "eingebautes" elektrisches Feld (Diffusionsspannung) getrennt. Die Elektronen wandern zur n-, die Löcher zur p-Seite des Übergangs. Diese Ladungstrennung geht ohne äußere Spannung vonstatten, sie kann aber durch Anlegen einer Spannung beeinflusst werden. Abb.: Aufbau einer Si-Photodiode. Ladungstrennung in der Raumladungszone RLZ Der pn-Übergang: Werden p- und n-Typ Halbleiter miteinander in Kontakt gebracht, dann diffundieren infolge der großen Konzentrationsunterschiede Elektronen aus dem n-Gebiet in das p-Gebiet und Löcher aus dem p-Gebiet in das n-Gebiet. Dadurch entstehen im Bereich des pn-Übergangs eine an beweglichen Ladungsträgern verarmte positive und negative Raumladungszone (Verarmungsschicht). Diese lokalisierten Raumladungen der Donatoren und Akzeptoren in der Raumladungszone erzeugen ein elektrisches Feld (und einen Spannungsabfall U), das der Diffusion entgegenwirkt. Die Gleichgewichtsspannung heißt Diffusionsspannung UD - für Si ca. 0,7 V. Lichtquanten, die in die Grenzschicht einfallen, erzeugen Elektronen-Loch-Paare. Das innere elektrische Feld der Raumladungszone führt zur Trennung der Ladungsträger. Die Elektronen driften in den n-Bereich, die Löcher in den p-Bereich. Die Diffusionsspannung wird etwas abgebaut. An den Enden der Diode ist dieser Spannungsabbau im sog. Elementbetrieb als Leerlaufspannung U0L abgreifbar (U0L < UD). Wird die Diode kurzgeschlossen, erzeugen die vom elektrischen Feld in der Raumladungszone getrennten Ladungsträger im Elementbetrieb den sog. Kurzschussstrom. ( Strom-Spannungs-Kennlinie) Instrumentelle Analytik Strahlungsdetektoren Seite N060_Detektoren_d_BAneu.doc - 9/15 Von der Raumladung zum Bänderschema a) Raumladung Durch Diffusion entsteht eine an beweglichen Ladungsträgern verarmte Schicht. b) Elektrisches Feld in der RLZ Die verbleibenden lokalisierten Ladungen der Donatoren und Akzeptoren erzeugen ein elektrisches Feld bis Gleichgewicht herrscht zwischen Diffusion (aufgrund des Konzentrationsunterschieds) und Drift (aufgrund des elektr. Feldes). c) Potential (Spannung) Es bildet sich ein Spannungsabfall über der Raumladungszone, die sog. Diffusionsspannung UD. d) Energie (Bänderschema) Die Energie (W = -eU) folgt dem Potentialverlauf. Freie Elektron-Lochpaare, die in der RLZ erzeugt werden driften an den Rand und erzeugen eine außen abgreifbare Spannung U0L. (in Richtung des Sperrstroms !) Elementbetrieb (photovoltaic mode) Fotodiode wird als Spannungsquelle genutzt (Lichtleistung wird direkt in elektrische Leistung umgewandelt). zwei Grenzfälle: Kurzschlussbetrieb (RL = 0) und Leerlaufbetrieb (RL = ∞) Kurzschlussstrom proportional zur Beleuchtungsstärke, hat die Richtung des Sperrstromes ! Leerlaufspannung nahezu T-unabhängig Anmerkung: infolge des hohen Sperrschichtwiderstandes gelten RL von einigen kΩ bereits als Kurzschluss. Instrumentelle Analytik Strahlungsdetektoren Seite N060_Detektoren_d_BAneu.doc - 10/15 Photoleitungsbetrieb (photoconductive mode - Widerstandsbetrieb - Sperrbetrieb) An die Diode wird eine Spannung in Sperrrichtung angelegt. RLZ verbreitert sich und die Feldstärke E in der RLZ erhöht sich. Ohne Licht fließt wegen des hohen Widerstandes der Verarmungsschicht ein sehr kleiner Sperrstrom (Dunkelstrom). Sperrstrom erhöht sich proportional zur Beleuchtungsstärke Detektorsignal. Wegen der hohen Feldstärke und der geringen Kapazität fließen die Ladungsträger sehr schnell über den äußeren Stromkreis ab: Grenzfrequenz: mehrere 100 kHz bis einige MHz Nachteile: relativ große T-Abhängigkeit des Sperrschichtwiderstandes. Dunkelstrom verdoppelt sich alle (6-7) K T-Erhöhung. Stärkeres Rauschen als im Elementbetrieb. Strom-Spannungskennlinie I I 0 exp( eU kT Stromspannungskennlinie des pn-Übergangs 1) I Ph (I0 = Sperrsättigungsstrom) Strom-Spannungskennlinien einer Photodiode Photostrom IPh und Lerrlaufspannung UOL als Funktion der Bestrahlungsstärke a) Arbeitspunkt im photovoltaic mode (Quadrant IV) U UR 0 I IR UR U R R I (U ) Kennlinie Kurve (1) Kurve (2) Schnittpunkt = Arbeitspunkt B b) Arbeitspunkt im photoconductive mode (Quadrant III) U U R U0 0 I IR U 0 U UR R R I (U ) Kennlinie Kurve (1) Kurve (2) Schnittpunkt = Arbeitspunkt A Instrumentelle Analytik Strahlungsdetektoren Seite N060_Detektoren_d_BAneu.doc - 11/15 PIN-Photodiode (verbesserte Photodiode) Bei der PIN-Photodiode werden die dotierten Zonen durch eine undotierte i-Zone getrennt. Dadurch vergrößert sich der Raumladungsbereich und die von tiefer eindringenden Photonen erzeugten Elektron-Loch-Paare tragen auch zum Photostrom bei Weil die Raumladung in der i-Zone klein ist, herrscht dort infolge der anliegenden Sperrspannung ein konstantes E-Feld. Vergrößerung der Driftregion der Ladungsträger großes (konstantes) elektr. Feld in der i-Zone, geringe Driftzeiten, keine Ladungsträgerverluste geringe Kapazität der Diode, hohe Bandbreite Avalanche-Photodiode (Lawinendiode) An die Photodiode wird eine große Sperrspannung von 10-20 V angelegt. Sie bewirkt ein große Beschleunigung der erzeugten Ladungsträger. Durch Stöße mit den Gitteratomen werden weitere Ladungsträger erzeugt. Multiplikationsfaktor M ≤ 106. interne Verstärkung des Ausgangsstromes besseres Signal-Rausch-Verhältnis 2.3.3.2 Thermische Detektoren (IR-Detektoren) Thermische Detektoren basieren auf dem Prinzip der Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärmeenergie. Alle thermischen Detektoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie keine wellenlängenabhängige Empfindlichkeit besitzen. Der Einsatzbereich ist im mittleren und fernen IR-Bereich. Bedeutung haben heute vor allem die pyroelektrischen Detektoren, da nur sie die für die FTIR-Spektrometrie notwendige hohe Bandbreite haben. Thermosäule (Bolometer mit Thermoelementen) Thermoelement: An den Kontaktpunkten unterschiedlicher Materialien entsteht eine temperaturabhängige Thermospannung (Seebeck-Effekt) Bei unterschiedlicher Temperatur von Messpunkt und Referenzpunkt resultiert eine Differenzspannung. Die Differenzspannung ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Messpunkt und Referenzpunkt. Thermospannung für Nickel / Chromnickel: 4,1 mV/100K Thermosäule: Reihenschaltung von Thermoelementen. Dadurch addieren sich die Thermospannungen. großer Wellenlängenbereich, zuverlässig Empfindlichkeiten 5-25 V/W lange Ansprechzeiten 10 -100 ms. Thermosäulen werden daher hauptsächlich für ungepulste, langsam veränderliche Strahlung eingesetzt. U T1 T2 Instrumentelle Analytik Strahlungsdetektoren Seite N060_Detektoren_d_BAneu.doc - 12/15 Pyroelektrische Detektoren Pyroelektrische Kristalle sind Ferroelektrika, die unterhalb der Curie-Temperatur spontan elektrisch polarisieren und daher eine permanente dielektrische Polarisation aufweisen. Pyroelektrizität tritt dann auf, wenn dieses Dipolmoment (Polarisation) temperaturabhängig ist. Eine Temperaturänderung dT/dt bewirkt dann eine Änderung der dielektrischen Polarisation im Kristall. Diese hat eine Änderung der Oberflächenladung zur Folge (pyroelektrischer Effekt). schwarze Elektroden Ladungsverstärker Oberhalb der Curie-Temperatur Beschichtung verschwindet die Ferroelektrizität. Kubische Perowskit-Struktur pyroelektrischer Kristalle der Art An+Bm+O3 (n + m = 6) . Die Perowskit-Struktur kann kubisch, tetragonal oder trigonal auftreten. Abb.: Perowskit - spontan polarisiert in die tetragonale Struktur Eine Temperaturänderung aufgrund von Strahlungsabsorption erzeugt einen Spannungsimpuls an den Elektroden. Die wichtigsten pyroelektrischen Kristalle für IR-Detektoren sind: LiTaO3 (Perowskit, TC = 620 °C) PZT (BleiZirkonTitanat - Keramikmischung aus PbZrO3 / PbTiO3 , TC = 200 °C ) TGS ( Triglycinsulfat: NH2CH2COOH)3-H2SO4 ; TC = 49 °C) DTGS (deuteriertes Triglycinsulfat) DTGS-Detektoren sind in der FTIR-Spektroskopie sehr weit verbreitet. Sie arbeiten bei Temperaturen von etwa -40°C. (Peltier-Element-Kühlung). Durch den einfachen Aufbau, die elektrische Kühlbarkeit und den unendlich breiten, nutzbaren Spektralbereich sind DTGS-Detektoren der Standard für die Routineanalytik. Typische Merkmale: Anstiegszeit im ms-Bereich empfindlichster thermischer Detektor bei hohen Frequenzen Messung konstanter Strahlung nicht möglich, da die Polarisations- ladungen sehr schnell abfließen. (Signal nur bei Änderung des Strahlungsflusses Modulation nötig) Instrumentelle Analytik Strahlungsdetektoren Seite N060_Detektoren_d_BAneu.doc - 13/15 2.3.3.3 Mehrkanaldetektoren* Photodiodenarrays In einem Photodiodenarray sind einzelne Dioden mit einer Breite von ca. 25 µm (Höhe ca. 2,5 mm) dicht nebeneinander gepackt. Bei Bestrahlung fließen die Photoströme auf parallel zur Diodenzeile angeordnete Speicherkondensatoren. Das Auslesen der Diodenzeile erfolgt durch Entladen der Kondensatoren. Diodenzeilen gibt es mit 256, 512, 1024 usw. Dioden. Das Auslesen erfolgt in weniger als einer ms. Einsatz z.B. als Detektor im Rowland-Kreis eines Spektrometers. CCD - Sensoren Pixel: Grundbaustein von CCD-Zeilen oder CCD-Matrix (Größe ca. 10x10 µm2) Prinzip: photoelektrische Erzeugung und Speicherung von Ladungen in einer MOS-Diode Metall ist in der MOS-Kapazität (MetallOxid-Silizium) durch eine leitende, semitransparente Polysiliziumschicht ersetzt. Eine positive Spannung am Polysilizium verdrängt die Ladungsträger (Löcher) im p-Silizium. Es entsteht eine Verarmungszone (sensitiver Bereich). Das elektrische Feld in der Grenzzone bewirkt eine Ladungstrennung von optisch generierten Elektron-Lochpaaren. Die Elektronen werden im „dreiecksförmigen“ Potentialkasten eingefangen und unter dem SiO2 gespeichert. Die Löcher diffundieren im Valenzband nach rechts in Richtung Si-Substrat. Photonen, die im Polysilizium oder SiO2 konvertieren, können nicht nachgewiesen werden (Totschicht). Photonen, die im nicht verarmten Bereich hinter der Verarmungszone konvertieren, werden nur dann nachgewiesen, wenn das Elektron in die Verarmungszone diffundiert (partiell sensitiver Bereich). V>0 h (Poly-Si) Abb.: Aufbau einer MOS-Diode (Pixelelement) als extern induzierter pn-Übergang (oben). Bänderschema einer MOS-Diode (unten) Instrumentelle Analytik Strahlungsdetektoren Seite N060_Detektoren_d_BAneu.doc - 14/15 Abb.: Bildauslesesequenz einer Full-Frame-Transfer CCDs mit 3x4 Pixel (FFT-CCD). Nach der Bildintegrationszeit beginnt die Bildauslese, d.h. die Bestimmung der Ladungsmenge der als schwarze Punkte verschiedener Größe dargestellten Ladungspakete in den Pixeln. Die komplette Bildauslese besteht aus vier Schiebezyklen, die jeweils aus einem vertikalen Transfer in den parallelen Schieberegistern (weiß gekennzeichnet) und drei horizontalen Transfers im seriellen Schieberegister (grau gekennzeichnet) bestehen. Das serielle Schieberegister führt die in ihm liegenden Ladungspakete auf den Ausleseknoten (links unten). CCD-Sensoren mit diesem Prinzip werden vor allem für wissenschaftliche und astronomische Zwecke verwendet. Allerdings ist ein zusätzlicher mechanische Verschluss notwendig, der während des Auslesens verhindert, dass weitere Ladungen durch Belichtung dazukommen. Für Videokameras sind Full-FrameCCDs ungeeignet, weil durch den geschlossenen Verschluss während des Auslesens kostbare Belichtungszeit verloren geht. Bei FT-CCDs und FFT-CCDs (Frame-Transfer / Full-Frame-Tranfer) werden die Ladungen, also das gespeicherte Bild, nach der Belichtung sehr rasch in einen abgedunkelten Bereich des CCD-Chips verschoben. Dann kann das gespeicherte Bild während der Belichtungszeit, Ladungspaket für Ladungspaket ausgelesen werden. Die Zeit des raschen Verschiebens muss viel kürzer als die Belichtungszeit sein, weil sonst der Smear-Effekt zu stark wird. Daher sind FT-CCDs ohne mechanischen Verschluss (so werden sie normalerweise eingesetzt) für sehr kurze Belichtungszeiten nicht geeignet. Instrumentelle Analytik Strahlungsdetektoren Seite N060_Detektoren_d_BAneu.doc - 15/15 Bei manchen professionellen Videokameras wird ein rotierender Verschluss verwendet, um dieses Problem zu vermeiden. Wegen des abgedunkelten Bereichs braucht ein FT-CCD doppelt so viele Zellen (Potentialtöpfe) wie Bildpunkte und muss auch doppelt so groß wie die Bildgröße sein. Prinzip eines dreiphasigen CCDLadungstransfers. Durch Variation der Spannungen an den Schieberegistern können darunter gespeicherte Ladungen in eine Richtung geschoben werden. In der hier gezeigten Bildfolge sind drei spannungsmäßig voneinander unabhängige Register notwendig, um ein Pixel zu bilden und den Transfer zu ermöglichen. CMOS-Sensoren CMOS-Sensoren oder Active Pixel Sensoren (APS) werden ebenfalls in CMOS-Technik hergestellt. Im Gegensatz zum Passive Pixel Sensor enthält jedes Pixelelement einen eigenen Verstärker zur Signalauslese. CMOS-Bildsensoren finden vor allem im Konsumgüterbereich Anwendung. Für messtechnische Anwendungen sind sie weniger geeignet, da wegen der Streuung der Verstärkereigenschaften in den einzelnen Pixelelementen große Empfindlichkeitsunterschiede zwischen den Pixeln auftreten können. Anwendungsbeispiel für einen CCD-Flächensensor in der Spektroskopie Einsatz eines Flächen-Detektors in einem Echelle-Spektrometer. Die Dispersionsebenen des Gitters und des Prismas stehen senkrecht aufeinander.
