Photodétecteur à transfert de charge (CCD)

Photodétecteur à transfert de charge (CCD)
Les dispositifs à transfert de charge (Charge Coupled Device en anglais) consistent en un ensemble
de capacité M.O.S. (Métal Oxyde Semiconducteur) réalisées sur la même plaquette et dont les
grilles sont très voisines les unes des autres. Le principe de fonctionnement est le suivant : créer
sous l’une des grilles un puits de potentiel dans lequel on va piéger des porteurs minoritaires, qui
sont crées par la lumière, puis par polarisation convenable de la grille voisine transférer ce paquet
de charge sous celui-ci.
Structure de base : Le bloc de base du CCD est une capacité M.O.S. montré dans la figure(10)
polarisée avec une tension supérieure à la tension de seuil (régime de déplétion profonde). Quand
cette cellule est excité par la lumière il y a absorption et génération de photoporteurs. Si la
génération se produit dans la région de charge d’espace, les électrons et les trous sont séparé par
le champ électrique ; les charges positives descendent a l’électrode en bas tandis que les charges
négatives sont piégées à l’interface SiO2/Si. Si l’absorption se produit hors ZCE, les charges
positives vont ou bien se recombiner ou bien contribué au signal par diffusion.
En même temps que les électrons dus à la lumière s’établissent à l’interface, d’autres électrons dus
au phénomène de génération thermique viennent s’y ajouter. On définit un temps de stockage le
temps nécessaire pour l’établissement de la couche d’inversion, pour le Silicium ce temps est de
l’ordre de la seconde. Ce temps est atteins si la charge accumulée est égale à la charge positive de
l’électrode. Tant que le temps est très inférieur au temps de stockage, les charges dues aux
générations thermiques sont négligeables de sorte les charges accumulées constituent sont
proportionnel à la lumière reçue.
Figure 10. Coupe transversale d’un cellule CCD.
Si on met une deuxième capacité MOS a coté de la première, on peut faire transiter les charges
accumulées de l’une à l’autre. C’est le principe de transfert de charge.
Un CCD est formé par une rangé ou une matrice de capacité MOS adjacente connecté à des lignes
de signaux d’horloges. Une Capacité sert comme un support pour créer ou véhiculer un signal
d’un endroit à un autre par le biais de ces signaux d’horloge. Un exemple est donné dans la figure
(11). Il existe d’autres variantes des CCD tel que BCCD, ICCD...
Figure 11. Structure CCD à trois phases et séquence des signaux d’horloges
Les principales applications des CDD sont l’imagerie, la spectroscopie, la vidéo. On les utilise aussi
pour les mesures géométriques, spectroscopie multi-piste.
Caractéristique d'une cellule CCD :
Réponse spectrale : la sensibilité spectrale d'une cellule CCD est comparable à la sensibilié d'une
photodiode, c'est à dire sensible dans le visible et le proche infrarouge (pour le silicium) avec un
réponse maximale situé vers les 780-800 nm. Pour diminuer le coefficient de réflexion, une couche
d'anti-réflexion est ajoutée au-dessus de l'oxyde. Pour pouvoir mesurer les composantes
trichromatiques (trois couleurs), on a recour à un jeu de filtres otiques, généralement filtre rouge,
vert et bleu. en déposant un filtre sur une cellule CCD, la réponse spectrale est modifié, pour
représenter une couleur donnée, on a besoin de 3 cellules et trois filtres. Un pixel en couleur
nécessite 3 cellules.
Bruit : deux définitions de base de bruit doivent être distinguées:
bruit spatial et bruit
temporel. Le bruit spatial est défini comme variation aléatoire dans un champ uniformément
lumineux. Le bruit temporel décrit la variation du signal d'un pixel particulier dans des images
successives. Les sources principales de bruit sont dues aux excitations thermiques des porteurs
de charge, bruit de lecture et tolérances de fabrication. Le bruit du à l'excitation thermique
contribue au bruit spatial et temporel, tandis que le bruit de lecture contribue au bruit spatial
seulement.
Dynamique et linéarités : pour des applications exigeantes, comme les mesures, l'inspection, et le
contrôle de qualité, il est important que le signal soit strictement proportionnel à la lumière
incidente sur une large gamme d'expositions. Un intervalle dynamique est défini comme le rapport
du maximum de sortie par rapport au niveau de bruit. La linéarité est indiquée comme la déviation
maximale de la dépendance linéaire de sortie. Le nombre maximum des électrons qu'un pixel peut
tenir est déterminé par la taille de la région de déplétion et il est proportionnel à la surface du pixel.
Les valeurs typiques de saturation des électrons sont de 104 électrons/ µm2. Par conséquent, le
bruit et la dynamique augmentent comme la racine carrée de la surface du pixel. Ainsi, pour une
grande dynamique, une surface de grande surface de pixel est requise. L'éblouissement est un
autre problème qui intervient lorsque la lumière est élevé, les charges excédentaires d'un pixel
sont redistribuées dans le pixel voisin. Pour éliminer cet effet, un dispositif anti-éblouissement doit
être appliqué.
Les photodiodes et les CCD sont les composants les plus utilisé pour couvrir la majorité des
applications. Mais chaque structures admet ses avantages et ses inconvénients. A titre d’exemple,
dans le domaine de la spectroscopie multicanal, Les CCD se distinguent par rapport à la PDA (Array
PhotoDiode) par sa limite de détection qui est de l’ordre de 10 électrons alors que les dispositif
actuels des photodiode n’arrive pas à descendre au dessous de 3000 électrons. Par contre Les CCD
ont un niveau de saturation très bas ( <106 électrons) alors que les PDA La valeur de saturation est
beaucoup plus élevé( >108 électrons). Au niveau du rapport signal/bruit, en s’appuyant sur la
figure(12), on voit clairement que Les CCD sont beaucoup plus faibles que les PDA.
Figure 12. Rapport signal/bruit
Comparaison entre CCD et PDA
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Autres types de détecteur à rayonnement
Les détecteurs de lumières présentés ci-dessus sont essentiellement à base de semiconducteurs
dont leurs sensibilités spectrales varie du proche UV au proche infrarouge. Cependant il existe
d’autres types de détecteurs dédier à des applications plus spécifiques. On peut citer par exemple
les thermopiles qui sont les détecteurs thermiques qui convertissent le rayonnement incident en
changement de température. Leurs domaines spectraux se situent dans la bande de l’infrarouge.
on trouve aussi des tubes photomultiplicateurs qui sont des détecteurs photoémissives. Ils utilisent
la Photocathode comme élément de base qui absorber la lumière et produit des électrons. Ces
électrons s’échappent de la surface de la photocathode pour être multiplier à travers un dispositif
dédié.