Leçon Capteur CCD : principe et application `a la chaine de

Leçon
Capteur CCD : principe et application à la chaine de numérisation
d’une image
RC
16 avril 2014
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Introduction
En 1970 Smith et Boyle publient un article sur des dispositifs à transfert de charge (DTC) qui leur vaudra
une partie du prix Nobel de 2009.Aussi connu sous le nom de Charge Coupled Devices soit CCD. Ce genre
de dispositif a permit le développement des technologies d’imageries que ce soit pour des application ”grandpublique” ou des utilisations plus spécifiques (satellites, la radiologie médicale).
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Principe de fonctionnement d’un capteur CCD
L’idée de ce type de dispositif est comme leur nom le dit de transférer des charges. Le fonctionnement fait
appel à deux phénomènes simples : le stockage de charge et le transfert de celle-ci.
2.1
Stockage de charge : Capacité MOS
La capacité MOS est l’un des plus simple composants semi-conducteur. Elle est constituée d’un substrat dope
P, sur lequel est disposé un oxyde (isolant) et une grille en métal.
Si l’on impose une tension de grille positive, les porteurs de charge majoritaire, trous présent dans le substrat
(partie P) vont s’éloigner de l’isolant. De plus, de part l’e↵et de la température, des paire électrons-trous vont
se créer dans le substrat. Grâce au champs électrique créé par la tension de grille VG les électrons (porteurs
minoritaires) vont ce localiser au niveau de la couche d’isolant (côté substrat). Il y a plusieurs cas d’utilisation
de la capacité MOS. Celui qui nous intéresse est celui décrit plus haut. Sur la figure 1 sont représentés les trois
états principaux d’utilisation d’une capacité MOS. Pour plus d’information cf. technique de l’ingénieur e 2 530.
Figure 1 – Capacité MOS et ses trois états pricipaux
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2.2
Transfert de charge
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Dans la figure 1 :
— xd représente la zone désertée par les porteurs majoritaires (ici les trous).
— QG représente les charges positives apportées sur la grille par la source de tension VG .
— Qd représente la charge négative créée par l’absence de trous dans la zone xd .
— Qi représente la charge négative de la zone dit d’inversion a l’interface grille substrat.
Pour l’utilisation de capacité MOS en CCD, la charge utile/ signal sera une charge d’inversion. Il faut
cependant faire attention à plusieurs points.
2.1.1
Charge signal stockable
C’est la charge utile pouvant être porteuse d’information dans un dispositif a transfert de charge. Elle est
forcément inférieure à la charge d’inversion, on ne pourra utiliser le dispositif que dans les phases de déséquilibre.
On peut injecter la charge signal Qsignal dans la structure de deux façons :
— sous la forme d’un courant d’intensité i
Qsignal = i. t
(1)
— en utilisant l’e↵et photoélectrique dans un semi-conducteur
Qsignal = ⌘q
LA
t
(2)
— L est le flux lumineux à travers la surface A de semi-conducteur
— ⌘ est le rendement quantique/ efficacité de l’e↵et photoélectrique
2.1.2
Charge maximale stockable
La dimension maximale du paquet de charge est limitée par la valeur de saturation de la couche d’inversion,
les charges que l’on voudrait ajouter seront perdues par recombinaison dans le semi-conducteur.
2.1.3
Courant d’obscurité
Il ne faut pas oublier la contribution de la charge créée par l’agitation thermique au niveau de la couche
d’inversion. Il faudra toujours vérifier que cette charge parasite soit négligeable devant la charge signal.
Dans le cas de l’utilisation de ces dispositif dans la capture d’image ce phénomène engendre une charge signal
en l’absence de signal lumineux d’où sont appellation ”courant d’obscurité” Il faut maintenant que l’on a stocké
des charges, pouvoir les déplacer, les transférer.
2.2
Transfert de charge
La charge est maintenue dans un puits de potentiel créé par la tension de la grille. Pour pouvoir transférer
la charge dans un autre dispositif voisin il faut dans un premier temps créer un puits de potentiel équivalent
dans la cellule voisine (cf. figure 2)
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2.3
Lecture des charges signal
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Figure 2 – Principe de transfert de charge
La figure 3 illustre principe de transfert de charge et montre les chronogrammes des commandes des CCD
Figure 3 – Principe de transfert de charge et chronogramme
2.3
Lecture des charges signal
Il faut maintenant pouvoir lire les charges signal contenues dans un dispositif, il y a deux façon de procéder :
— On regarde le courant de charge/décharge d’un puits de potentiel
— On regarde la variation de tension aux bornes d’un puits de potentiel
2.3.1
Lecture sur diode flottante
L’idée et de venir précipiter des charges utiles dans une diode polarisée en inverse et de regarder la tension
aux bornes de cette dernière pour avoir une image de la quantité de charge signal.
Une diode polarisée élevée en inverse se trouve dans un mode déserté (c’est à peu de chose près ce qui ce passe
dans une capacité MOS cf. figure 1). Soit cette diode est maintenant isolée de la source de tension elle ne pourra
retrouver son équilibre que si un apport d’électrons vient combler la charge. On peut mesurer son potentiel par
une sonde très haute impédance que l’on peut réaliser avec des transistors MOS (cf. figure 4).
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Figure 4 – Lecture sur diode, avec amplificateur haute impédance d’entrée deux étages
On obtient :
Vs =
Qs
Cl
(3)
— Cl capacité de la diode augmentée de la capacité d’entrée de l’amplificateur
— Qs quantité de charge reçue
2.3.2
Sortie sur grille flottante
Il est possible de lire la variation de la quantité de charge contenue dans un puits de potentiel par la mesure
de la variation de potentiel induite sur la grille qui contrôle le puits lors de l’arrivée du paquet de charges (cf.
figure 5
Figure 5 – Sortie sur grille flottante
Le transistor TR permet de fixer le niveau de référence de la grille à VGR avant l’arrivée des charges, le
deuxième transistor TT permet d’appliquer les tension pour permettre le transfert de charge après la lecture.
La variation de tension est lue par l’amplificateur suiveur. Ce procédé est non destructif car la charge peut
continuer son parcours.
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Application à la chaine de numérisation d’une image
La conversion optoélectronique est réalisée dans des cellules élémentaires qui peuvent être des photodiodes
ou des photocapacités MOS (les premières structure utiliser des phototransistors).
Si la grille de la capacité MOS est rendue transparente (silicum polycristallin). Un flux lumineux peut créer
des paires électrons-troue au sein du silicium (si l’énergie des photons est suffisante).
3.1
Analyseur CCD linéaire
Les dispositif CCD permettent de réaliser simplement des registres à décalage. La structure la plus simple est
celle de l’analyseur linéaire. Les pixels (capteur de photon sous forme de charge électrique) sont isolés du registre
de lecture par une grille de transfert dont la polarisation gère le transfert des charges de a zone photosensible
vers le registre non photosensible.
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3.1
Analyseur CCD linéaire
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Figure 6 – CCD linéaire à un registre de lecture
Figure 7 – CCD linéaire à deux registres de lecture
Dans le cas de deux registres de lecture on diminue la fréquence d’horloge. De deux de plus les informations
issues des registres pairs et impaires sont multiplexées temporellement au niveau de l’amplificateur de sortie.
Biblio
Technique de l’ingénieur
— Dispositifs à transfert de charge e2530
— Analyseurs d’image e5520
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