Brevet FR2098169A1 — publié le 19720310

2hk56 1 2098169 L'invention concerne un capteur d'images comportant des éléments d'emmagasinage placés aux points de croisement de conducteurs disposés suivant des rangées et des colonnesçalors que chaque élément d'emmagasinage comporte un dispositif semiconducteur cou-plé capacitive/nent avec /dispositif. 5 un conducteur de rangée et un conducteur de colonne, /seraiconducteur qui comporte entre deux régions une couche limite photosensible, ce capteur étant muni d'un circuit de sortie qui sous l'influence d'impulsions apparaissant périodiquement sur les conducteurs de rangée et de colonne fournit un signal à une borne de sortie du capteur^Signal qui représen-10 te la lumière tombant sur les éléments d'emmagasinage. Un tel capteur d'images est décrit dans un article de "IEEE Spectrum" de mars 1969 pages 52 à 65 et particulièrement à la page 61. On y explique que le capteur d'images peut être utilisé pour capter une scène de télévision. La lumière provenant de la scène est projetée sur "/dispositif 15 la couche limite portée à une tension de polarisation de référence du / semiconducteur réalisé sous la forme de diode, cette couche limite étant partiellement déchargée par les photons. Ensuite on applique aux conducteurs de rangée et de colonne des impulsions alors que par coïncidence en cet endroit, un des éléments d'emmagasinage est de nouveau chargé 20 jusqu'à la tension de référence. Cette charge fournit dans le circuit de sortie un signal correspondant qui constitue une mesure pour la lumière incidente avec son effet provoquant l'écoulement de charge. Dans cet article on indique eue le circuit de sortie peut être couplé avec les conducteurs de rangée, les conducteurs de colonne ou avec 25 un conducteur commun pour les élémgnts,. prévu additionnellement cour la dispositifs/ lecture. Bans le cas où les Semiconducteurs sont réalisés sous la forme de diodes avec un substrat commun avec dans ceux-ci des îlots d'un matériau semiconducteur d'un autre type formant les diodes, on indique que le circuit de sortie pourrait être relié au substrat commun. On cite 30 cependant comme inconvénient que cela provoque une faible sensibilité avec des phénomènes de commutation indésirables dans le signal de sortie, du capteur. Comme solution on indique que le circuit de sortie pourrait être couplé avec les conducteurs de colonne de sorte que l'on obtient une plus faible sensibilité pour des phénomènes de commutation réduits. 35 II subsiste cepôndant l'inconvénient qu'il existe un couplage capacitif entre les conducteurs de rangée et de colonne et le circuit de sortie ce qui se traduit par une détérioration du signal de sortie. L'invention vise à réaliser un capteur avec lequel les couplages capacitifs entre d'une part les conducteurs de rangée et de colonne 40 et d'autre part le circuit de sortie n'influencent pas le signal de 71 24456 2 2098169 sortie, en particulier lorsque le capteur est réalisé sous forme de circuit intégré. Le capteur est caractérisé à cet effet en ce que le dispositif semiconducteur des éléments d'emmagasinage est réalisé sous la forme d'un transistor comportant trois régions alors qu'une région se situe centralement 5 entre les deux autres, cette région centrale étant portée à un potentiel de référence tandis que le circuit de sortie est relié à uns région qui est protégée par la région centrale des conducteurs de rangée et de colonne. Dans un mode de réalisation sous forme de circuit intégré, 10 ce capteur est caractérisé de plus en ce que la région centrale précitée est réalisée sous forme d'une couche commune sur laquelle est appliquée d'un côté la région reliée au circuit de sortie également sous forme de couche commune, tandis que de l'autre côté de la région centrale sont appliqués des îlots à l'endroit des points de croisement des conducteurs 15 de rangée et de colonne. La description qui va suivre en regard des dessins annexés fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est le schéma d'une forme de réalisation du capteur d'images conforme à l'invention. 20 La figure 2 représente un détail de la figure 1. La figure 3 représente des signaux qui correspondent à la figure 2. La figure 4 est une coupe d'un élément d'emmagasinage connecté à un circuit de sortie. La figure 5 représente une autre coupe. 25 La figure 1 représente un capteur avec une matrice d'éléments d'emmagasinage rangés deux par deux 10, 1CA, 10B et 1 CXI qui comportent chacun un transistor photosensible (10) avec une électrode d'émetteur 12, une électrode de collecteur 14 et une électrode de base 16. L'électrode d'émetteur 12 est respectivement reliée par l'intermédiaire de 30 condensateurs 18 et 20, à des lignes d'alimentation appelées respectivement conducteur de colonne et conducteur de rangée. Les conducteurs de colonne sont reliés à un formateur d'impulsions d'exploration de colonne 22 qui est constitué par deux étages successifs C1 et C2 couplés chacun à un conducteur de colonne respectif. Les conducteurs de rangée 35 sont couplés à un formateur d'impulsions d'exploration de rangée 24 réalisé par deux étages successifs R1 et R2 chacun couplé à un conducteur de rangée. L'électrode de base 16 de chacun des éléments d'emmagasinage 10 est portée à un potentiel de référence, par exemple à la masse. Les électrodes de collecteur 14 sont interconnectées 40 et sont reliées à un circuit de sortie comportant une résistance 26 et une 71 24456 3 2Q98169 source d'alimentation 28 tandis que le signal de sortie est disponible à une borne de sortie 32 par l'intermédiaire d'un condensateur 30• Les conducteurs dé rangée et de colonne sont reliés à la masse par l'intermédiaire de résistances. 5 Chaque élément d'emmagasinage 10 est placé de telle façon qu'il agit sur la base d'un choix de coïncidence. Les formateurs d'impulsion 22 et 24 ont un cycle sous la commande d'une unité d'impulsion 34 alors qu'une impulsion de rangée engendrée par l'étage R1 agit sur les éléments 10 et 10A par l'intermédiaire de la ligne de rangée qui y est reliée. 10 Ensuite et en coïncidence avec l'application de l'impulsion de rangée de l'étage R1 une impulsion de colonne de l'étage C1 du formateur d'impulsions d'exploration de colonne 22 est appliquée par l'intermédiaire du conducteur de colonne aux éléments 10 et 10B. Etant donné que pour l'élément 10 l'impulsion de rangée et l'impulsion de colonne coïncident, 15 seul cet élément est ^lectionné. L'impulsion de colonne est de durée relativement courte par rapport à l'impulsion de rangée et après que l'impulsion de colonne de l'étage C1 est terminée, l'étage C1 fournit une deuxième impulsion de colonne par l'intermédiaire du conducteur de colonne correspondant des éléments 10A et 10C. Etant donné que l'impul-20 sion de rangée de l'étage R1 est encore présente l'élément 10A est sélectionné. Ensuite les impulsions des deux étages R1 et C2 se terminent et l'impulsion de rangée suivante de l'étage R2 devient disponible. Le cycle de la génération des impulsions de colonne recommence. De cette façon les éléments 10, 10A, 10B et 10C sont successivement explorés 25 après quoi un nouveau cycle commence avec l'élément 10. Dans une forme de réalisation pratique la matrice est réalisée avec plusieurs centaines de milliers d'éléments pour obtenir la densité et la résolution ^ésir'es. Sur la fig. 2 est représentée une partie du capteur selon la fig. 1 avec les mêmes références. Sur les figures 2 et 3 on montre que 30 l'étage R1 du formateur d'impulsions d'exploration de rangée 24 fournit une impulsion de rangée 36 à un point A. Pour la hauteur d'impulsion on a indiqué une tension de +2V. L'apparition de l'impulsion de rangée 36 au point A provoque une impulsion de tension de courte durée 38 de l'autœ côté du condensateur 20 où est indiqué un point C. L'apparition d'une 35 impulsion de colonne 40,tandis que l'impulsion ie rangée 36 est encore présente ,donne par l'intermédiaire du condensateur 18 une impulsion de tension 42 au point C. Des impulsions de tensions correspondantes à celles-ci 44 et 46 apparaissent en un point D (borne 32). La fin de l'impulsion de colonne 40 qui se produit ensuite fait en sorte que le 40 condensateur 18 se décharge partiellement vers le condensateur 20 et au 71 24456 4 2098169 10 15 point C apparaît la tension -V. Bien qu'il existe un couplage capacitif par le transistor celui-ci peut être négligé. I* de l'im pulsion de rangée 38 qui se produit ensuite fait en sorte que la charge du condensateur 20 passe dans le condensateur 18 et au point C apparaît la tension -2V. La tension -2V sur l'électrode d'émetteur 12 donne par rapport à l'électrode de base à la masse 16 une tension de polarisation de blocage pour le transistor. Ensuite le capteur est prêt pour traiter dans les éléments d'emmagasinage 10 la lumière incidente. Après la polarisation négative de la couche limite pn entre l'émetteur 12 et la base 16 celle-ci reste dans cet état et reste de ce fait non conductrice aussi longtemps que la tension au point C reste négative. Lorsque la tension au point C devient positive ,1e transistor débite du courant et il apparaît par l'intermédiaire du condensateur 30 uh signal de sortie à la borne 32. La résistance 26 a une influence limiteuse de courant et la source d'alimentation 28 assure une excitation rapide du transistor lorsque la conductibilité est rendue possible. L'apparition d'une impulsion de colonne suivante 48 au point B représentée sur la fig. 3 en l'absence d'une impulsion de rangée au point A a pour résultat que la tension au point C passe de -2 V à -V. Etant donné que le saut de tension ne passe pas par zéro, il ne se produit pas de conduction par la couche émetteur-base de sorte qu'il ne se présente pas de signal de sortie au point D. Après l'impulsion de colonne 48,il apparaît au point C de nouveau la tension -2V. Pendant la période où l'élément d'emmagasinage 10 n'est pas commuté il tombe de la lumière sur 25 celui-ci. L'éclairement de l'élément d'emmagasinage 10 pendant la période entre l'apparition de deux impulsions coïncidentes fait en sorte que la charge présente au point C par rapport à la masse diminue en fonction du nombre de photons incidents, étant donné que ceux-ci forment des paires d'électrons-trous qui sont séparées psr la tension de polarisation et 30 se dirigent vers les électrodes respectives. La charge enlevée de cette façon est proportionnelle à la quantité de lumière qui est reçue avant une impulsion de lecture précédente, la lumière est ainsi intégrée dans le temps. Le temps d'intégration disponible pour chaque élément 10 correspond à la période d'image usuelle en télévision de l/30eme ou / eme 35 1/25 de seconde. L'intégration de la lumière offre comme dans les capteurs de télévision connus l'avantage d'une grande sensibilité. Sur la fig. 3 une ligne en pointillé 50 représente la variation de la tension au point C en corrélation avec une ligne en trait plein 52 qui donne la tension au point C sans que l'on tienne compte de l'effet 40 de la lumière incidente. On suppose que la lumière a une intensité con20 71 24456 5 2098169 stante entre les instants t^ et de sorte que la tension a une variation linéaire par l'effet intégrateur dans l'élément 10. l'autre part,on suppose que l'écoulement de charge est à peu près maximal alors au'une variation de tension d'environ V volt se produit. L'apparition à la fois 5 d'une impulsion de rangée 54 et d'une impulsion de colonne 56 à l'élément sélectionné 10 donne un saut de tension de +2 V au point C et un segment représenté par une ligne en pointillé 58 qui avec une valeur X venant au-dessus de la ligne de zéro est proportionnelle à la réduction de charge provoauée par l'écoulement par suite de la lumière incidente. A 10 l'instant la couche limite pn présente entre les électrodes 12 et 7 de l'élément d'emmagasinage 10 passe à l'état conducteur et un courant qui en découle par la résistance 26 donne par l'intermédiaire du condensateur 30 sur la borne 32 un signal de sortie 60 avec une amplitude proportionnelle à la lumière reçue et intégrée pendant le temps t^, tg. 15 Après l'entrée en conduction de l'élément 10 celui-ci cherche à prendre un état stable et les constantes de temps du circuit sont choisies de telle façon que l'état stable est atteint avant que l'impulsion 56 se termine. De ce fait la fin de l'impulsion de colonne 56 tend à rétablir la tension —V au point C ce fait dans la 20 génération d'une tension de polarisation de blocage après quoi une période d'image suivante commence. La tension donnée par la valeur X du segment 58 qui amène la couche limite pn à l'état conducteur est en relation en grandeur avec la charge totale sur la région p qui est obtenue par intégration dans le 25 temps t^, t2 entre les instants de lecture. Cette tension injecte des porteurs de charge minoritaires dans la couche de base de type n. Par l'action normale des transistors les trous diffusent vers la région de collecteur. La quantité de charge qui est transportée lorsque la couche limite pn est à l'état conducteur est exactement égale à la charge in-30 tégrée qui traverse la couche limite pn pendant le temps d'intégration. En plus du courant donné par le transport de charge par l'intermédiaire de la couche limit% il apparaît un courant provoqué par le couplage capacitif. La couche de base connectée à la masse est » comme région centrale, une voie parallèle pour ce courant vers 1a. masse 35 de sorte que le signal provoqué par le couplage capacitif est notablement réduit. Le grand avantage de l'invention est que la couche de base connectée à la masse, située entre les conducteurs d'alimentation et le conducteur de sortie forme un blindage électrostatique. Le signal de sortie est provoqué par les porteurs de charge minoritaires injectés par 40 la photodiode pn et rassemblés par 1a. grande région de collecteur de 71 24456 6 2098169 type p. Par la recombinaison dans la région de collecteur de type p,le signal de sortie est engendré aux bornes de la résistance 26. La fig. 4 représente une forme de réalisation du capteur avec une coupe d'un élément 10. Lors de l'utilisation de techniques d'inté-5 gration normales, outre l'élément 10, les condensateurs 18 et 20 sont également intégrés. L'élément 10 est conçu avec un substrat commun 62 en matériau semiconducteur de type n dans lequel est élaboré un îlot 64 en matériau de type p par diffusion pa.r l'intermédiaire de trous pratiqués dans une couche 66 en bioxyde de silicium située sur celle-ci. D'autre 10 part, une couche de collecteur de type p 68 est appliquée simultanément du côté opposé du substrat 62 qui forme la région centrale. Par une seule diffusion ,on forme une pluralité detransistors avec bases et collecteurs communs. Ensuite on applique une mince couche de bioxyde de silicium 69 sur chacun des îlots de type p qui forment une diode. On applique des 15 électrodes 70 sur la mince couche isolante 69 et par l'intermédiaire de conducteurs d'alimentation 72 et 74,on les connecte à des étagesRn ou Cn respectivement des formateursd'impulsions d'exploration de colonne et de rangée. Le signal de sortie est obtenu par l'intermédiaire de la résistance 26 hors de la couche de collecteur commune 68. On peut utiliser les 20 techniques de couches multiples pour appliquer les conducteurs d'alimentation de colonne et de rangée 72 et 74 comme couches conductrices allongées avec plusieurs croisements qui font partie du capteur et qui sont reliés aux condensateurs 18 et 20 qui sont formés entre les électrodes 70 et l'îlot de type p 64. La fig. 5 est une coupe de la fig. 4 et il-25 lustre la connexion du conducteur de rangée 72 tandis que le conducteur de colonne n'est pas représenté par souci de clarté. La position du point de masse sur le substrat 62 pourrait comme le montre la fig. 5 résulter en une impédance divisée présente sur la longueur du substrat 62 et comptée à partir du point connecté à la masse. 30 De ce fait il pourrait se présenter une diminution notable de la protection par l'application de plusieurs conducteurs de colonne. On a toutefois constaté que l'adjonction de conducteurs de colonne n'augmente pas le niveau de bruit en rapport avec l'effet de shunt qui est donné par la fermeture à basse impédance des conducteurs de colonne non excités. En 35 d'autres mots,chaque impulsion apparaissant sur une couche limite pn choisie est couplée du point de vue courant alternatif par l'intermédiaire de couches limites pn voisines avec des fermetures à basse impédance qui forment une impédance effective qui est placée en parallèle avec l'impédance divisée qui est présente entre la couche limite pn choisie et la 40 masse. Au besoin on peut prévoir plusieurs points de masse en décapant 71 24455 7 2098169 dans la couche d'oxyde superficielle 66 des trous vers le substrat 62, trous situés entre les îlots p 64 par l'intermédiaire desquels des points de masse sont appliqués. 71 24456 8 2098169 REVENDICATIONS 1 Capteur d'images comportant des éléments d'emmagasinage placés aux points de croisement de conducteurs disposés suivant des rangées et des colonnes alors que chaque élément d'emmagasinage comporte un 5 dispositif semiconducteur couplé capacitivement avec un conducteur de rangée et un conducteur de colonne, dispositif semiconducteur qui comporte entre deux régions une couche limite photosensible, ce capteur étant muni d'un circuit de sortie qui sous l'influence d'impulsions apparaissant périodiquement sur les conducteurs de rangée et de colonne fournit un signal à une borne de 10 sortie du capteur signal, qui représente la lumière tombant sur les éléments d'emmagasinage, caractérisé en ce que le dispositif semiconducteur des éléments d'emmagasinage est réalisé sous la forme d'un transistor comportant trois régions, alors qu'une région se situe centralement entre les deux autres, cette région centrale étant portée à un potentiel 15 de référence tandis que le circuit de sortie est relié à une région qui est protégée par la région centrale des conducteurs de rangée et de colonne. 2.- Capteur d'images selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région centrale précitée est réalisée sous forme d'une couche 20 commune sur laquelle est appliquée d'unité la région reliée au circuit de sortie également sous forme de couche commune, tandis que de l'autre côté de la région centrale sont appliqués des flots à l'endroit des points de croisement des conducteurs de rangée et de colonne. 3.- Capteur d'images selon l'une quelconque des revendications 1 25 ou 2, caractérisé eh ce que la région centrale est réalisée sous forme d'un substrat commun qui est connecté à la masse. 4.- Capteur d'images selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le circuit de sortie est conçu avec une source d'alimentation dont une borne est reliée par l'intermédiaire d'une 30 résistance à la région précitée, tandis que le point de liaison de la résistance et de la région est connecté par l'intermédiaire d'un condensateur h la borne de sortie du capteur.