Le¸con
Capteur CCD : principe et application `a la chaine de num´erisation d’une image
RC 16 avril 2014
1 Introduction
En 1970 Smith et Boyle publient un article sur des dispositifs `a 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 d´eveloppement des technologies d’imageries que ce soit pour des application ”grand- publique” ou des utilisations plus sp´ecifiques (satellites, la radiologie m´edicale).
2 Principe de fonctionnement d’un capteur CCD
L’id´ee de ce type de dispositif est comme leur nom le dit de transf´erer des charges. Le fonctionnement fait appel `a deux ph´enom`enes simples : le stockage de charge et le transfert de celle-ci.
2.1 Stockage de charge : Capacit´ e MOS
La capacit´e MOS est l’un des plus simple composants semi-conducteur. Elle est constitu´ee d’un substrat dope P, sur lequel est dispos´e un oxyde (isolant) et une grille en m´etal.
Si l’on impose une tension de grille positive, les porteurs de charge majoritaire, trous pr´esent dans le substrat (partie P) vont s’´eloigner de l’isolant. De plus, de part l’e↵et de la temp´erature, des paire ´electrons-trous vont se cr´eer dans le substrat. Grˆace au champs ´electrique cr´e´e par la tension de grille VG les ´electrons (porteurs minoritaires) vont ce localiser au niveau de la couche d’isolant (cˆot´e substrat). Il y a plusieurs cas d’utilisation de la capacit´e MOS. Celui qui nous int´eresse est celui d´ecrit plus haut. Sur la figure 1 sont repr´esent´es les trois
´etats principaux d’utilisation d’une capacit´e MOS. Pour plus d’information cf. technique de l’ing´enieur e 2 530.
Figure1 – Capacit´e MOS et ses trois ´etats pricipaux
2.2 Transfert de charge le¸con
Dans la figure 1 :
— xd repr´esente la zone d´esert´ee par les porteurs majoritaires (ici les trous).
— QG repr´esente les charges positives apport´ees sur la grille par la source de tensionVG.
— Qd repr´esente la charge n´egative cr´e´ee par l’absence de trous dans la zonexd.
— Qi repr´esente la charge n´egative de la zone dit d’inversion a l’interface grille substrat.
Pour l’utilisation de capacit´e MOS en CCD, la charge utile/ signal sera une charge d’inversion. Il faut cependant faire attention `a plusieurs points.
2.1.1 Charge signal stockable
C’est la charge utile pouvant ˆetre porteuse d’information dans un dispositif a transfert de charge. Elle est forc´ement inf´erieure `a la charge d’inversion, on ne pourra utiliser le dispositif que dans les phases de d´es´equilibre.
On peut injecter la charge signalQsignaldans la structure de deux fa¸cons :
— sous la forme d’un courant d’intensit´e i
Qsignal=i. t (1)
— en utilisant l’e↵et photo´electrique dans un semi-conducteur
Qsignal=⌘q LA t (2)
— L est le flux lumineux `a travers la surface A de semi-conducteur
— ⌘ est le rendement quantique/ efficacit´e de l’e↵et photo´electrique 2.1.2 Charge maximale stockable
La dimension maximale du paquet de charge est limit´ee 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’obscurit´e
Il ne faut pas oublier la contribution de la charge cr´e´ee par l’agitation thermique au niveau de la couche d’inversion. Il faudra toujours v´erifier que cette charge parasite soit n´egligeable devant la charge signal.
Dans le cas de l’utilisation de ces dispositif dans la capture d’image ce ph´enom`ene engendre une charge signal en l’absence de signal lumineux d’o`u sont appellation ”courant d’obscurit´e” Il faut maintenant que l’on a stock´e
des charges, pouvoir les d´eplacer, les transf´erer.
2.2 Transfert de charge
La charge est maintenue dans un puits de potentiel cr´e´e par la tension de la grille. Pour pouvoir transf´erer la charge dans un autre dispositif voisin il faut dans un premier temps cr´eer un puits de potentiel ´equivalent dans la cellule voisine (cf. figure 2)
2.3 Lecture des charges signal le¸con
Figure2 – Principe de transfert de charge
La figure 3 illustre principe de transfert de charge et montre les chronogrammes des commandes des CCD
Figure3 – 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 fa¸con de proc´eder :
— On regarde le courant de charge/d´echarge 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’id´ee et de venir pr´ecipiter des charges utiles dans une diode polaris´ee en inverse et de regarder la tension aux bornes de cette derni`ere pour avoir une image de la quantit´e de charge signal.
Une diode polaris´ee ´elev´ee en inverse se trouve dans un mode d´esert´e (c’est `a peu de chose pr`es ce qui ce passe dans une capacit´e MOS cf. figure 1). Soit cette diode est maintenant isol´ee de la source de tension elle ne pourra retrouver son ´equilibre que si un apport d’´electrons vient combler la charge. On peut mesurer son potentiel par une sonde tr`es haute imp´edance que l’on peut r´ealiser avec des transistors MOS (cf. figure 4).
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Figure4 – Lecture sur diode, avec amplificateur haute imp´edance d’entr´ee deux ´etages On obtient :
Vs=Qs
Cl (3)
— Clcapacit´e de la diode augment´ee de la capacit´e d’entr´ee de l’amplificateur
— Qsquantit´e de charge re¸cue 2.3.2 Sortie sur grille flottante
Il est possible de lire la variation de la quantit´e de charge contenue dans un puits de potentiel par la mesure de la variation de potentiel induite sur la grille qui contrˆole le puits lors de l’arriv´ee du paquet de charges (cf.
figure 5
Figure 5 – Sortie sur grille flottante
Le transistor TR permet de fixer le niveau de r´ef´erence de la grille `a VGR avant l’arriv´ee des charges, le deuxi`eme transistor TT permet d’appliquer les tension pour permettre le transfert de charge apr`es la lecture.
La variation de tension est lue par l’amplificateur suiveur. Ce proc´ed´e est non destructif car la charge peut continuer son parcours.
3 Application ` a la chaine de num´ erisation d’une image
La conversion opto´electronique est r´ealis´ee dans des cellules ´el´ementaires qui peuvent ˆetre des photodiodes ou des photocapacit´es MOS (les premi`eres structure utiliser des phototransistors).
Si la grille de la capacit´e MOS est rendue transparente (silicum polycristallin). Un flux lumineux peut cr´eer des paires ´electrons-troue au sein du silicium (si l’´energie des photons est suffisante).
3.1 Analyseur CCD lin´ eaire
Les dispositif CCD permettent de r´ealiser simplement des registres `a d´ecalage. La structure la plus simple est celle de l’analyseur lin´eaire. Les pixels (capteur de photon sous forme de charge ´electrique) sont isol´es du registre
3.1 Analyseur CCD lin´eaire le¸con
Figure6 – CCD lin´eaire `a un registre de lecture
Figure7 – CCD lin´eaire `a deux registres de lecture
Dans le cas de deux registres de lecture on diminue la fr´equence d’horloge. De deux de plus les informations issues des registres pairs et impaires sont multiplex´ees temporellement au niveau de l’amplificateur de sortie.
Biblio
Technique de l’ing´enieur
— Dispositifs `a transfert de charge e2530
— Analyseurs d’image e5520
