Capteurs CCD (Charge Coupled Device)

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1 Capeurs CCD (Charge Coupled Device) 1 NOTION SUR LES CONDUCTEURS, SEMI-CONDUCTEURS ET ONDES LUMINEUSES STRUCTURE DE LA MATIERE LES ISOLANTS LES CONDUCTEURS LES SEMI-CONDUCTEURS Les semi-conduceurs purs ou inrinsèques Semi-conduceur exrinsèque.de ype N Semi-conduceur exrinsèque.de ype P CAPACITE MOS (METAL OXYDE SEMI-CONDUCTEURS) ONDE LUMINEUSE Longueur d onde λ Specre lumineux : CAPTEUR CCD PRINCIPE Consiuion Effe phooélecrique Foncionnemen TRANSFERT DE CHARGE Principe Transfer vers un regisre a decalage analogique resiuion de l informaion CONSTITUTION D UN REGISTRE A DECALAGE... 8 Consiuion de la cellule de sorie AMELIORATIONS Cellule phoosensible : Viesse de ransmission : Compléxié inerne : Bibliographie

2 1 NOTION SUR LES CONDUCTEURS, SEMI-CONDUCTEURS ET ONDES LUMINEUSES 1.1 Srucure de la maière Un aome es formé d un noyau e d élecrons. Ces élecrons gravien auours du noyau de manière à former un nuage. En effe leur rajecoire es de forme ellipique e change ou le emps, ce qui donne cee image de nuage d élecrons. Les élecrons gravien sur une couche appelée niveau n énergie. Ce niveau d énergie n e pas ou à fai idenique pour chaque élecron. On parle pluô de bande d énergie. Enre deux bandes d énergie une bande inerdie es présene dans laquelle les élecrons ne peuven pas se siuer. On défini une bande de conducion (la plus exerne) dans laquelle les élecrons ne son plus airés par le noyau. Les élecrons on un mouvemen influencé par l agiaion hermique e les champs élecriques. On défini la bande de valence comme une bande qui a des énergies (variables selon les maériaux) inférieures à celles de conducion. Les élecrons gravian dans cee bande assuren la cohésion du crisal. C es la bande de valence e la bande de conducion qui caracérisen les propriéés chimiques e élecriques d un maériau. Pour qu un élecron puisse passer d une couche à une aure supérieure, il fau lui apporer de l énergie. Par exemple le passage de la bande de valence à la bande de conducion se fai par un appor d énergie. Dans le sens conraire il en resiue (émission d un phoon par exemple). Le passage d une bande à une aure ne peu se faire que si l élecron reçoi une quanié suffisane d énergie. Il rese alors sur sa bande. A 0 K (0 degré Kelvin= -237,8 C) Les élecrons libres ne bougen pas e n offren donc pas de résisance au passage du couran. A la empéraure de 20 C les élecrons libres peuven se déplacer libremen e opposen une résisance proporionnelle à la empéraure. 1.2 Les isolans La bande de conducion es rès éloignée de la bande de Valence. Le nombre d élecrons libres dans un isolan peu-êre négligé. Pour faire passer des élecrons dans la bande de conducion, il fau une grande énergie. Lorsque cee énergie es apporée, l isolan claque ce qui le dérui. Energie Bande de conducion Grande énergie 7 ev Bande de Valence 1.3 Les conduceurs La caracérisique d un conduceur c es qu une parie de la bande de valence se rouve dans la bande de conducion. Bande de conducion Bande de Valence Ainsi les élecrons ne servan pas à la cohésion du conduceur se rerouven comme élecron libre dans la bande de conducion, e sans appor d énergie. 2

3 1.4 Les semi-conduceurs LES SEMI-CONDUCTEURS PURS OU INTRINSEQUES La bande de valence es rès rapprochée de celle de conducion Energie Bande de conducion Bande de Valence Peie énergie 1,2 ev Les semi-conduceurs els que le germanium e le silicium on sur chaque couche de valence 4 élecrons, c es une paricularié des semi-conduceurs. Représenaion d un aome avec seulemen ses quare élecrons On illusre ci-conre la srucure d un barreau de silicium ou germanium. Chaque élecron de l aome voisin vien se loger dans un rou Il n y a pas d élecron libre possible dans cee srucure c es un semi-conduceur inrinsèque SEMI-CONDUCTEUR EXTRINSEQUE.DE TYPE N Un aome d arsenic possède 5 élecrons sur sa couche de valence. Inrodui dans une srucure de semi-conduceur inrinsèque cela donne le schéma suivan : Elecron excédenaire En conrôlan le nombre d aomes d arsenic inroduis dans le barreau de silicium on va réaliser un dopage. Ici le dopage es de ype N (il y a des élecrons libres qui son Négaifs). On va donc se rerouver avec des élecrons libres en quanié mesurée, ceci es le domaine de la microélecronique SEMI-CONDUCTEUR EXTRINSEQUE.DE TYPE P Un aome de d Indium possède 3 élecrons sur sa couche de valence. Inrodui dans une srucure de semi-conduceur inrinsèque, donnera le schéma suivan : Trou excédenaire En conrôlan le nombre d aomes d indiums inrodui dans le barreau de silicium on va réaliser un dopage. Ici le dopage es de ype P (il y a des rous libres qui son Posiifs) On va donc se rerouver avec des rous libres suscepibles de recevoir des élecrons. 3

4 1.5 Capacié MOS (Méal Oxyde Semi-conduceurs) Elecrode Méal Isolan Subsra P Consiuion : Subsra : silicium dopé P (rous excédenaires) Isolan : dioxyde de silicium. Méal : connexion d une élecrode permean d appliquer un poeniel. L ensemble élecrode isolan e subsra P formen une capacié. L isolan es le dioxyde de silicium de permiivié εr. 1.6 Onde lumineuse La lumière présene un aspec corpusculaire; elle apparaî comme consiuée de grains d'énergie appelés phoons. L'énergie du phoon es liée à sa fréquence (ou longueur d'onde ) : E= hν h : consane de Planck = 6, J.s ν : fréquence du signal lumineux LONGUEUR D ONDE λ. Champs λ Espace La longueur d onde représene la longueur enre 2 creux ou 2 venres du champ. Elle es représenée dans l espace. Pour une onde mécanique (propagaion dans l eau) on visualise à la surface un rain d onde. Les bosses corresponden au maximum de l énergie mécanique e le plus profond des creux au minimum. La disance enre 2 maximums représene la longueur d onde. λ= ν c λ longueur d onde en m, c célérié en m/s ν fréquence en herz Dans le vide c= m/s= km/s SPECTRE LUMINEUX : Le specre visible va de λ=780nm à λ=380nm. Du rouge/infra-rouge au viole/ulra viole. Un rayon lumineux présene un aspec corpusculaire mais es aussi décri par les équaions de MAXWELL (descripion des ondes élecromagnéiques). Ainsi les phoo-déeceurs permeron de mere en évidence l énergie corpusculaire. La propagaion de la lumière es vérifié par les équaions de MAXWELL. 4

5 2 CAPTEUR CCD 2.1 Principe CONSTITUTION Sa cellule élémenaire es une capacié MOS (Meal Oxyde SemiConducor). En appliquan une ension posiive sur l élecrode, ous les excès de rous dans le subsra P son repoussés e se réfugien en dehors d une zone appelé zone déserée. C es un puis de poeniel où le moindre élecron pourra venir se réfugier à proximié de l isolan. Ces élecrons son issus de la couche de valence si on leur appore l énergie nécessaire pour aeindre la bande de conducion. Vg>0 Elecrode semi-ransparene Fine couche de SiO 2 Zone déserée Subsra P EFFET PHOTOELECTRIQUE La cellule de base converi l illuminaion incidene en une quanié proporionnelle de charges élecriques communémen appelées «phoo-charges». L ineracion d un rayonnemen lumineux avec un semi-conduceur peu modifier l énergie de ses élecrons inernes. En effe, s il es absorbé, un phoon indui le sau d un élecron d un éa occupé de la bande de valence vers un éa libre de la bande de conducion. Si l énergie hν du phoon es supérieure à la largeur de la bande inerdie du semiconduceur, un élecron se rerouvera dans la bande de conducion. Cela enraînera un rou dans la bande de valence Bande de conducion Bande de Valence 1,2eV Une analyse quaniaive des énergies mises en jeu monre que le silicium absorbe les rayonnemens de longueur d onde inférieure à 1 µm environ. En-dessous de 400 nm, la limiaion es principalemen due à l absorpion quasi-oale du flux lumineux par les élecrodes semi-ransparenes FONCTIONNEMENT Phoon Vg>0 Lorsqu un phoon avec une énergie suffisane perme à un élecron de passer dans la bande de conducion, ce dernier es airé vers la plaque posiive, le rou éan repoussé hors de la zone déserée. L élecron es piégé sous l isolan. La quanié d élecrons piégé sous l isolan es proporionnelle à la quanié de lumière reçue. Ainsi nous avons un sockage de charge à l image de la lumière. Il fau ensuie évacuer ces charges pour en former un signal élecrique. Pour cela on crée un sysème permean le ransfer de charge. 5

6 2.2 Transfer de charge PRINCIPE VΦ1>0 VΦ2=0 VΦ1 VΦ2 VΦ1 0 VΦ VΦ1=0 VΦ2>0 Lors de la fin d inégraion (emps d accumulaion des charges) 1, la ension en VΦ1 diminue alors que la ension VΦ2 augmene jusqu en 2. Ceci enraîne un puis de poeniel sous Φ1 qui diminue e sous Φ2 qui augmene. Le poeniel en Φ2 augmenan alors les charges s orienen vers l élecrode Φ2. On obien ainsi un ransfer de charge de l élecrode semiransparene (recevan la lumière) vers un aure lieu. On rouve souven un ransfer de charge à 3 élecrodes. On fai passer les élecrons dans un roisième puis TRANSFERT VERS UN REGISTRE A DECALAGE ANALOGIQUE Φ1 Φ2 N cellules On représene ici une ligne. Toues les cellules on une cellule adjacene qui perme le ransfer des charges. Le ransfer vers le regisre à décalage s effecue au même momen pour oues les cellules CCD. 1 ligne CCD Regisre à décalage 6

7 2.2.3 RESTITUTION DE L INFORMATION CCD 1 ligne Pour un CCD à une ligne c es le regisre à décalage analogique adjacen qui ser de ransfer de l informaion. Au bou de ce regisre il y à un converisseur charge élecrique / signal analogique. Com Φ1 Φ2 C a d e n c e u r Φ_Horloge Basé sur le principe vu précédemen les charges von êre acheminées vers la sorie par ransfer de puis en puis. Ce acheminemen es cadencé par une horloge. On rerouve en sorie un signal à l image de la quanié de lumière reçue sur chaque cellule. Φ1 Φ2 Com Sorie converisseur charge élecrique / signal analogique Φ_Horloge Sorie Marice CCD Φ1 Φ2 M lignes La première phase consise oujours à ransférer vers le regisre adjacen le conenu des charges. La deuxième phase consise à ransférer dans le regisre à décalage de sorie la première ligne. N cellules La roisième phase perme de ransférer le conenu du regisre à décalage de sorie en un signal série au ryhme d une horloge. Sorie Regisre à décalage de sorie Le ransfer de charge d une cellule à une aure es de 99,9%. Ainsi, la première cellule ransférée es plus fidèle que la dernière. La cellule de sorie es consiuée d un déeceur permean la ransformaion de charge en signal. 7

8 2.3 Consiuion d un regisre à décalage VΦ2 VΦ3 Sorie La commande ici se fai sur 3 élecrodes. Les commandes sur VΦ son effecuées de manière à ransposer les charges vers la sorie. CONSTITUTION DE LA CELLULE DE SORTIE Polarisaion Sorie série Elecrode préchargemen Elecrode VΦ3 VΦ3 Vs N+ ΦR Vr N+ Tension de polarisaion (référence) P Diode PN Diode PN Elecrode VΦ3 : perme de commander le dernier puis de poeniel. Elecrode de préchargemen : appelée ainsi elle perme d évacuer le surplus d élecrons en poran son poeniel à une ension posiive e perme d obenir un poeniel de référence en sorie en l absence de charge. Sorie série : elle perme de recueillir la ension à l image des cellules. Polarisaion : perme d obenir un poeniel de référence en sorie en l absence de charge. Tension de polarisaion (référence) : ension permean d évacuer les excès d élecrons. La ension de polarisaion Vog es ajusée pour que le canal, enre l élecrode de sorie e la dernière cellule du regisre à décalage soi bloquée lorsque Φ3 es au niveau hau. VΦ3 Vog Vs Il rese des charges dans la diode de sorie Rese, évacuaion des charges excessives ΦR Vs=Vr ΦR Vr Vs Vr Isolaion de la diode de sorie La passage de Φ3 à 0V perme d évacuer les charges vers la diode de sorie Vs Vr VΦ3 V Vs=Vr+ V Evacuaion des charges floan Lecure pixel 8

9 2.4 Amélioraions CELLULE PHOTOSENSIBLE : La capacié du puis de poeniel, associé à chaque sie phoosensible, es limiée e ne peu conenir qu un nombre fini de phoocharges ( en echnologie die à «canal enerré»). Or, en sur-éclairemen, le puis de poeniel es sauré e oues les charges en excès diffusen alors vers les puis adjacens. Dès lors, il se produi un éalemen de la zone suréclairée dégradan ainsi foremen l image. Pour évier cee diffusion, un ransisor MOS d ani-éblouissemen es ajoué au voisinage de chaque phoosie (figure 22). Ce disposiif se compore de la même manière que le ransisor de préchargemen pour le regisre de sorie VITESSE DE TRANSMISSION : Afin d accélérer les ransmissions, on dispose de 2 regisres à décalage analogique. L un ransporan les pixels pairs l aure impairs. On a alors deux sories série COMPLEXITE INTERNE : Afin de simplifier la commande du capeur CCD, un capeur inègre une élecronique complexe qui perme de générer les ensions permean la commande des élecrodes. La simplicié de la commande peu aller jusqu à la généraion exerne de l horloge e la commande du emps d inégraion BIBLIOGRAPHIE Elecronique 1 ère F Nahan Technique Les capeurs en insrumenaion indusrielle Georges - Asch e collaboraeurs Dunod Elecronique : composans e sysèmes d applicaion Thomas L. Floyd Dunod Eude, réalisaion e caracérisaion d une camera CCD numérique rapide (1000 images par seconde) a mémoire inégrée e piloable par lien scsi hèse de Manuel JUNG Universié louis paseur de Srasbourg Linear sensor Sony Phoodéeceur à ransfer de charge (CCD) abcelecronique.com hp:// Srucure MOS- Disposiifs C.C.D Bernard BOITTIAUX EUDIL hp:// Sysèmes élecroniques Frederic.Gaffio Ecole cenrale de Lyon Concepion e réalisaion d'une camera CCD Mahieu JOMIER & Julien JOMIER CPE-Lyon hp:// 9

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