III – Lectures des CCDs

III – Lectures des CCDs
1 – Principe
• Considérons une CCD à registre horizontal (CCD full-frame – cf. §III.4)
• Le registre horizontal est une ligne de photo-sites insensible à la lumière
qui permet la lecture des charges de la CCD.
• Les charges de chaque photo-site sont converties en tension par le
premier étage de la chaîne électronique (diode flottante).
Nœud
de
sortie
Registre
de sortie
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• Les électrodes de chaque pixel sont
couplées.
• Pour une CCD à 3 phases, la
première électrode de chaque pixel
est portée à un potentiel V1, la
seconde à V2 et la troisième à V3.
• Pour décaler les charges stockées
dans le photo-site ligne par ligne, il
suffit d’alterner la valeur des
potentiels V1, V2 et V3.
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2 – Physique du transfert et efficacité de transfert
• 3 mécanismes influent sur le transfert de charge entre deux électrodes :
- Le décalage auto-induit (“self-induced drift”)
- La diffusion thermique
- le champ électrique sur les bords du puits de potentiel (“fringing field”)
• Pour que le processus de transfert de charges soit satisfaisant, il est important
de limiter les pertes de charges à chaque transfert.
• Ceci est mesuré par l’efficacité de transfert (“Charge Transfer Efficiency” CTE) ou l’inefficacité de transfert (“Charge Transfer Inefficiency” - CTI) avec
CTI = 1 – CTE
• Les charges perdues suivent le pixel cible et apparaissent comme des traînées
dans l’image.
3ème pixel différé
1er pixel différé
pixel cible
3
• Pour un bon détecteur, les niveaux de CTE sont entre 0,99999 et 0,999999
pour des paquets de charges > 1000 e-.
• Ex.: Pour une CCD de 1000 x 1000 pixels et CTE = 0,99999, le pixel le plus
éloigné du pré-ampli conservera 99,8% des charges stockées !
1000 pixels
Pixel le plus
éloigné du pré-ampli
1000 pixels
pré-ampli
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Tableau montrant le nombre de charges perdues pour un CTE donné et Np transferts
pour un paquet intial de 1620 e-
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Décalage dû la diffusion thermique
• La diffusion thermique est dominante pour les électrons au centre du puits
de potentiel.
• Si la diffusion thermique est le seul processus pour le transfert de charges,
la fraction de charges laissées sous l’électrode initiale après un temps t :
−
CTI D =e
t
τth
• τth est le temps caractéristique de la diffusion.
L2
kT
avec Dn = μn et L est la longueur entre 2 électrodes.
• τ th=
2,5 Dn
q
• μn est la mobilité des électrons. μn augmente avec la diminution de la
température. Par contre, τth augmente avec la température.
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Décalage dû au champ électrique de répulsion
• Les électrons stockés dans le puits de potentiel
étant de même charge, ils vont avoir tendance à se
repousser – champ électrique de répulsion.
DEPTH μm
• Cette répulsion va engendrer un mouvement
d’ensemble du paquet d’électrons.
• C’est le processus dominant participant au transfert
des charges entre 2 électrodes.
• Lorsque la densité d’électrons diminue lors du
transfert, le champ électrique de répulsion va
diminuer jusqu’à ce que la diffusion thermique
devienne le processus dominant.
• Echelle de temps = temps caractéristique de la
diffusion.
Simulation montrant la vitesse de
transfert entre deux électrodes
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Décalage dû aux « fringing fields »
• Les bords du puits de potentiel ne sont pas abruptes.
• Les “fringing fields” vont participer au transfert de charges sur les bords du
puits où ces champs sont les plus forts.
• Lorsque le puits de potentiel est plein, les “fringing fields” disparaissent aux
bords du puits.
• La fraction de charges laissées sous l’électrode initiale après un temps t par
les “fringing fields” est :
−
CTI FF =e
avec
τ FF =
L
avec E min ∝ ΔV G
2μn E min
t
τ FF
ΔVG = différence de potentiels entre 2 électrodes
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Emin = champ électrique minimum sous l’électrode
3 – Les phases
• Phase = nombre d’électrodes par photo-site
• Le concept de CCD originel était un 3 phases.
Image en coupe d’une CCD 3 phases obtenue par microscopie à balayage
• Il existe également des 4 phases et des 2 phases.
• Il est possible d’ajouter plus de 4 électrodes afin de créer des superpixels 64 phases (640 x 640 μm2) pouvant contenir jusqu’à 109 électrons !
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La CCD à 2 phases
• Il y a 2 électrodes par photo-site.
• On cree une marche de potentiel en
ajoutant une zone dopée N+ sous une
partie de l’électrode 1.
• Ce type de CCD peut être opéré en
utilisant une seule horloge Φ1.
• La seconde électrode est portée à un
potentiel constant VΦ2.
Schéma montrant la lecture d’une
CCD à 2 phases
• Le transfert des charges s’effectue en
diminuant/augmentant le potentiel de
l’électrode 1 tel que VΦ1 < ou > VΦ2.
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4 – Notion d’horloges et chronogramme
• Le cadensement du basculement des tensions de chaque électrode est
contrôlé par des horloges (état haut – état bas).
• L’ensemble des cadensements des horloges constitue un chronogramme.
• Exemple d’un chronogramme d’une CCD à 3 phases (§III.4)
t1
t2
t3
t4
t5
• Plus il y a d’électrodes par photo-site, plus la synchronisation des
différentes horloges doit être précise – complexité de l’opération d’une11
CCD.
• Le basculement des horloges ne peut pas être immédiat car sinon le transfert
des charges ne peut pas se faire!
P1
P2
FINAL
Basculement d’une phase en 0,25 ns
Basculement d’une phase en 1 ns
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• Il doit y avoir un certain délai lors de chaque basculement d’horloge.
• Fréquence d’horloge = 10 MHz pour l’imagerie et 1 MHz pour la vidéo (TBC)
τ ws=
tτ
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• τws = constante de temps de
l’horloge (RC)
Schéma montrant le profil de basculement d’une CCD 3
phases que doit respecter les horloges pour que le
transfert s’effectue correctement.
• tτ = temps pour tranférer
une ligne verticalement ou un
pixel horizontalement
•La capicité et la résistance associées à chaque photo-site peuvent modifier la
constante de temps des horloges (“clocking wave propagation”) – augmentation
du CTI.
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4 – Types de CCDs
• Le mode de lecture le plus simple se fait via un registre horizontal et/ou
vertical.
• Les CCDs full-frame (registre horizontal ou vertical) ont un temps de
lecture élevé surtout pour les grands formats.
• Les CCDs “frame-transfer” et “interline transfer” permettent de diminuer
l’intervalle de temps entre chaque temps de pose – amélioration du taux de
prises d’images et donc du temps mort.
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• Autres possibilités:
- fenêtrage i.e. lire seulement une portion de la CCD
- CCD avec 2 registres chacun lisant la moitié de la CCD
- couplage registres vertical et horizontal
- le registre peut être divisé en plusieurs sections couplées avec pré-ampli
- le binning (cf. Section 5 & TP CCD optique)
Schéma montrant une CCD “full frame avec un registre
vertical & horizontal.
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5 – Le binning (cf. TP CCD fonctionnement)
Le binning permet de regrouper les charges contenues dans plusieurs photosites en un seul pixel.
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