Etude des effets singuliers produits par les particules

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Jury :
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Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE)
Valérian LALUCAA
jeudi 12 décembre 2013
Etude des effets singuliers produits par les particules énergétiques
chargées de l’environnement radiatif spatial sur les capteurs d’images CMOS
ED GEET : Micro et nanosystèmes
Équipe d'accueil ISAE-ONERA OLIMPES
M. Pierre MAGNAN - Professeur ISAE
M. Vincent GOIFFON - Enseignant-chercheur ISAE
M. Jean-Luc LERAY - Directeur de recherche CEA
M. Rémi BARBIER - Maître de conférence des universités
M. Jérôme BOCH - Professeur des universités
M. Thierry CAMPS - Professeur des universités
M. Pierre MAGNAN (directeur de thèse)
M. Vincent GOIFFON (co-directeur de thèse)

Remerciements
Ce travail, commencé en octobre 2010, a été financé par le Centre National d’Études
Spatiales (CNES), l’Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE), et la région
Midi-Pyrénées. Il a eu lien au sein de l’équipe CIMI de l’ISAE, à Toulouse.
Je tiens dans un premier temps à remercier l’ensemble du jury :
– M. Jean-Luc Leray, directeur de recherche au CEA, pour avoir accepté de juger mon
travail en sa qualité de rapporteur.
– M. Rémi Barbier, Maitre de conférences à l’Université de Lyon 1, pour avoir accepté
de juger mon travail en sa qualité de rapporteur.
– M. Vincent Goiffon, enseignant-chercheur à l’ISAE, pour la codirection de cette
thèse, ses conseils avisés, son soutien constant, son esprit critique, et son dynamisme.
– M. Pierre Magnan, professeur à l’ISAE et responsable de l’équipe CIMI, pour la
codirection de cette thèse, pour m’avoir accueilli dans l’équipe, pour ses conseils, et
son dynamisme.
Je tiens aussi à remercier l’ensemble de l’équipe CIMI de l’ISAE, avec les collègues actuels
Magali Estribeau, Olivier Marcelot, Aziouz Chabane, Philippe Martin-Gonthier, Franck
Corbière, Sébastien Rolando, Romain Molina, Matthieu Bouhier, Paola Cervantes, Bar-
bara Avon, Olivier Doussin, Fernando Raymundo-Luyo, Jean-Baptiste Lincelles, et Alice
Pelamatti, ainsi que les anciens, Philippe Pinel et Ibrahima Djité. Merci aussi à Angélique
Rissons, Arnaud Falguieres, Sébastien Masjak, et Thierry Soulet du MOSE.
Egalement un grand merci aux personnes du CNES : Cédric Virmontois pour les
longues heures de support pendant les expériences, Guy Rolland pour ses discussions
techniques et son travail sur STARDUST, Sophie Petit, et Alain Bardoux.
Je tiens aussi à remercier l’ensemble des personnes qui ont participé aux expérimenta-
tions, en fournissant le faisceau ou en participant aux mesures, Françoise Bezerra au CNES,
Marc Gaillardin et Mélanie Raine au CEA, Guillaume Hubert à l’ONERA. Merci encore
à l’ensemble du personnel des accélérateurs, notamment Guy Berger et Nancy Postiau à
l’UCL, et Emmanuel Balanzat au GANIL.
Et enfin merci à toute ma famille pour son support pendant ces années de thèse.
3

Table des matières
Introduction 9
I Evènements singuliers et imageurs : vue d’ensemble 11
A L’environnement spatial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
A.1 Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
A.2 Sources .................................. 12
A.3 Le vent solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
A.4 Les rayons cosmiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
A.5 Les ceintures de Van Allen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
B Interaction rayonnement-matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
B.1 Lesphotons................................ 15
B.2 Les neutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
B.3 Les particules chargées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
B.4 Effets sur l’électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
B.4.a Les effets de dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
B.4.b Les effets singuliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
C Effets sur les imageurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
C.1 Description d’un imageur CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
C.2 Les senseurs stellaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
C.3 Les instruments scientifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
D Evènement singuliers dans d’autres environnements radiatifs . . . . . . . . . 26
D.1 La fusion nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
D.2 La physique des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
E Conclusion du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
II Caractéristiques des imageurs CMOS étudiés 29
A Historique..................................... 30
B Principe général des capteurs à pixels actifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
C Architecture des imageurs étudiés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
C.1 Approche générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
C.2 Types de pixels étudiés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
C.3 Circuits de lecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
C.4 Décodeurs d’adressage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
D Déroulement de la phase de lecture de la matrice (“rolling shutter”) . . . . 34
E Signal de sortie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
F Problème du reset de la photodiode : “Soft” et “Hard” Reset . . . . . . . . 37
G Conclusion du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
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