Brevet FR2508709A1 — publié le 19821231

M L'invention concerne un ensemble formé par un détecteur de rayonnement et son système de lecture à transfert de charges. Un tel ensemble est utilisé à l'élaboration d'images de rayon- nements incidents, infrarouge notamment. L'invention concerne en particulier le cas ou les détecteurs, ou capteurs, et les lecteurs, réalisés à l'état solide, consistent en des diodes photovoltalques ou photodiodes, d'une part et, d'autre part, en des lecteurs à transfert de charges (DTC)-CCD dans la littérature de langue anglaise aujourd'hui bien connus, dans lesquels le signal à lire est transféré de proche en proche vers le registre de lecture Ce signal est ici celui des charges libres engendrées dans la diode par le rayonnement reçu L'invention sera décrite à titre non limitatif, dans le cas de telles diodes. Généralement, dans de tels ensembles, on fait en sorte que les charges porteuses du signal, c'est-à-dire celles en provenance de la photodiode, et celles mises en oeuvres dans le transfert de charges soient de même signe Mais il peut arriver, pour des raisons technologiques, que la situation soit inversée et que ces charges soient de signes contraires Un problème se pose alors pour assurer la lecture du signal; ctest à la solution de celui-ci que l'invention est consacrée, dans les conditions qui vont être exposées. L'invention sera mieux comprise en se reportant à la deserip- tion qui suit et aux figures jointes qui représentent: figures 1 (a, b) et figures 2 (a, b): des schémas montrant les diverses situations rencontrées dans les ensembles auxquels s'ap- plique l'invention; figure 3 (a, b): les schémas des figures 2 (a) et 2 (b) tels que modifiés par l'invention; figures 4 et 5: une vue schématique d'une première variante de l'invention et un diagramme des potentiels s'y rapportant, respec- tivemènt; figures 6 et 7 (a d): les mêmes figures pour une autre variante de l'invention; figure 8: un diagramme complémentaire de celui des figures 7 précédentes; figure 9 une vue schématique d'une version modifiée de la variante de la figure 6. Sur les schémas des figures 1 (a, b) et 2 (a, b), sont repré- sentées de manière conventionnelle une diode sans repère et son alimentation continue El; cette diode est la diode photovolta Tque de ce qui précède, fournissant le signal qui correspond aux photons incidents; le lecteur à transfert de charges est représenté par un rectanglemarqué par les lettres CCD et une lettre supplémentaire indiquant le signe des charges de transfert: N pour des électrons et P pour des "trous" Dans le cas des figures 1, la photodiode, montée comme indiqué, fournit un signal formé de charges du même signe que celles mises en oeuvres dans le transfert, à savoir des électrons dans le cas de la figure 1 (a) et des "trous" dans celui de la figure 1 (b) Dans la disposition des figures 2 c'est l'inverse; les charges du signal et celles du transfert sont de signe opposé, comme cela çe déduit des dessins, comparés à ceux des figures 1 (a, b) C'est aux situations des figures 2 que s'applique l'invention, et celà quel que soit le signe des charges de transfert, négatif (électrons) ou positif ('trous") Les raisons qui font que ces situations peuvent se pré- senter tiennent au fait que la photodiode et le lecteur sont ordi- nairement réalisés dans deux matériaux différents, le lecteur à transfert de charges généralement dans un substrat de silicium à canal de type N, c'est-à-dire dans lequel les charges de transfert sont des électrons, et la photodiode, dans un substrat en antimoniure d'indium, In Sb par exemple, pour fonctionnement en infrarouge. D'autre part, à cause de contraintes essentiellement technologiques, il arrive qu'on ne puisse avoir accès qu'à l'une des bornes de la photodiode (anode ou cathode) pour la liaison avec le dispositif à transfert de charges, l'autre borne étant reliée à la source de tension On pourrait ainsi se trouver dans la situation de la figure 2 (a) ou être dans celle de la figure 2 (b) si, pour des raisons particulières, on avait choisi un canal de type P dans le silicium en question. Pour résoudre le problème exposé, l'invention prévoit d'ajouter une source de courant, comme indiqué sur les figures 3 (a, b) dans les deux situations objet des figures 2 (a) et 2 (b) Cette source de courant ne porte pas de repère sur les dessins; par contre sont indiqués, par des flèches, les sens des courants mis en oeuvre selon les conventions habituelles en électricité, o le sens du courant est opposé à celui du déplacement des électrons Le courant supplé- mentaire fourni par cette source est désigné par Isc* Pour résoudre la difficulté exposée, il est nécessaire que ce courant 1 soit supérieur, en valeur absolue, au courant d'origine photonique qui circule dans la photodiode, de façon que se trouvent injectés dans le lecteur des porteurs du signe de ceux qui y assurent la conduction Il est à noter que le courant lu sera dans ce cas un courant complé- mentaire, de la forme a s, si S est le courant de signal de la photodiode et a le courant total fourni par la source pendant la période d'intégration; ce courant a S est tout aussi représentatif du signal que le courant S lui-même. Dans une première variante de l'invention, la source de courant est réalisée sur le même substrat en silicium, dans l'exemple, que le dispositif de lecture à transfert de charges, au moyen d'une zone dopée P formée dans le substrat 1 de type N, reliée à une source de tension E 2, et d'une grille GSC, comme le montre la figure 4 L'indice SC a été choisi pour marquer l'appar- tenance de cette grille à la source de courant. On rappelle que, dans ce cas, les charges transférées sont des "trous" c'est-à-dire des charges positives L'ensemble est dit à canal de type P et correspond à la situation de la figure 3 (b). Le substrat est polarisé à la tension Vsub' La figure 4 montre, en outre les éléments de la transition, telle qu'elle se présente habituellement, ménagée entre la photo- diode et l'entrée du lecteur à transfert de charges, représenté par sa première grille, marquée GCCD Cette transition consiste en un transistor MOS, dont la source est la zone dopée P la plus à droite de la figure, reliée à la photodiode, dont l'électrode de commande est la grille GC et dont le drain, en quelque sorte, est la grille GST, sous laquelle a lieu le stockage des charges de signal avant leur injection dans le dispositif à transfert de charges, au delà de la ligne en trait mixte. Les deux zones P et la grille G Sc forment un transistor, maintenu en état de saturation Ce transistor équivaut à une source de courant, le courant de cette source étant le courant ISC de la figure précédente La photodiode prélève sur ce courant une partie ID pour la compensation des charges de signe contraire à celles des charges de transfert dans le dispositif de lecture Il en reste la fraction Ii, donnée par la formule: i = ISC tîl 1, ( 1) qui est celle de la répartition des courants dans les schémas 3, fraction formée de charges ayant le signe voulu pour ce transfert. L'état de saturation précédent est nécessaire pour éviter des fluc- tuations dans le débit du transistor P, GSC, P, dues au courant qu'il pourrait recevoir de la photodiode Le courant Ii est stocké sous la grille GST et intégré sous cette grille pendant toute la période d'intégration La charge résultante est périodiquement transférée dans le lecteur en déblo- quant le canal sous la grille GT. La figure 5 montre l'état des potentiels de surface S sous les différentes grilles lors du transfert des charges du courant Ii sous la grille de stockage GST. Dans la représentation adoptée, les traits pleins représentent les potentiels de surface régnant effectivement sous les différentes électrodes, tandis que les traits interrompus représentent ce que seraient ces mêmes potentiels si les "puits de potentiel", suivant la terminologie admise en la matière, étaient vides de charges; les surfaces couvertes de hachures représentent les quantités de charges présentes dans les puits; enfin, pour la clarté, les dif- férentes grilles ont été figurées sans chevauchement les unes par rapport aux autres; en réalité deux grilles successives peuvent se recouvrir partiellement; pour les mêmes raisons de clarté, on n'a pas représenté la couche d'isolant séparant le substrat des diverses grilles L'axe des potentiels OS est orienté positivement vers le haut de la figure, en accord avec le fait que le substrat est à canal P et les charges mobiles des "trous". On remarquera, qu'étant donnée la forme de la grandeur du signal utilisé, a -s comme on l'a dit plus haut, ou Ii suivant la formule ( 1), dans le dispositif de l'invention, plus le signal de la photodiode (s ou ID dans ce qui précède) augmente et plus cette grandeur de signal, c 7 est-à-dire le signal injecté dans le lecteur diminue Il y a dans le dispositif de l'invention un effet d'auto- compensation des surcharges, comme celle résultant d'un sur-éclai- rement de la photodiode par exemple. Le signal injecté dans le lecteur peut même devenir nul lorsque le terme I devient suffisamment grand pour annuler le second membre de l'équation ( 1); pour tout -éclairement de la photodiode correspondant à cette valeur, ou supérieur, il y a écrêtage du signal lu à la sortie du dispositif à transfert de charges et en aucun cas éblouissement. On remarquera également que la présence du courant I Sc, lorsqu'il est suffisamment élevé, améliore les conditions de trans- mission du signal de la photodiode dans le lecteur à transfert de charges On sait, en effet, que le rendement d'injection de ce signal dépend des valeurs relatives des impédances de la photodiode et de la transition MOS En basse fréquence, il croit avec la transcon- ductance du MOS de transition, pour une résistance donnée de la photodiode, laquelle transconductance est elle-même une fonction croissante du courant mis en jeu dans la transmission du signal, à savoir le courant Ii précedent On notera encore, comme expliqué précédemment, qu'avec le choix qui est fait de la grandeur signal ce -2508709 rendement d'injection est d'autant meilleur que l'éclairement, c'est- à-dire la quantité 1 D de la formule ( 1), est faible. Les scènes faiblement éclairées sont mieux transmises que les scènes à fort éclairement. Dans une autre variante de l'invention, représentée sur la figure 6, la source de courant comprend une grille Gsc 2 dont on précisera le rôle à l'aide des figures 7. Dans l'exemple de réalisation de la figure 6, une grille G 5 c 2 est disposée sur le substrat I à droite de la zone P reliée à la photodiode, l'indice qui la désigne étant, comme pour la grille G 5 c de la figure 4 d O à sa participation à la création de courant, bien que, comme on va le voir, elle y participe de façon différente La source E 2, est désignée sur cette figure par la différence de potentiel VRAN, apparaissant, en fonctionnement, entre ses bornes, et la grille G Sc de la figure 4 précédente par GRAN ("RAN" pour remise à niveau) L'ensemble fonctionne comme il va être indiqué ci-dessous, à l'aide des figures 7 (a d) Le transistor MOS, P,GRAN, P fonctionne cette fois, en régime linéaire dans sa phase active; il est bloqué le reste du temps. Le puits de potentiel sous Gsc 2 est rempli par les charges du transistor consistitué par les deux diffusions P et la grille GRAN, polarisée à la tension VRAN. Après avoir bloqué le canal sous la grille GRAN à l'instant initial t = t (figure 7 (a)), on diminue la contenance du puits de potentiel sous GSC 2 en diminuant le potentiel appliqué à G Sc 2 (figure 7 (b) L'excédent de charges sous GSC 2 déverse dans le puits sous GST un courant qui, comme dans l'exemple précédent, est égal à 1 diminué du courant '1 absorbé par la photodiode suivant la formule ( 1) Lorsque la contenance du puits sous la grille Gsc 2 est à sa valeur minimale au temps t = t 1, séparé de l'instant to, éventuellement, par la durée de la période d'intégration T 1, comme on le verra, on se trouve dans la situation de la figure 7 (c) On ramène le puits sous G 502 à sa profondeur initiale et on le remplit de nouveau, en débloquant le canal sous la grille GRAN, à l'instant t = t 2 Le dispositif est prêt pour le cycle suivant Les lettres Q O et QD désignent sur le diagramme de la figure 7 les quantités de charges résultant pendant le cycle des courants ISC et ID précé- dents. Si l'on voulait se livrer à une comparaison entre les deux variantes décrites, on pourrait dire que, dans un cas comme dans l'autre, il y a création de courant par un MOS convenablement polarisé formé dans le substrat du lecteur, mais que dans un cas, Y celui de la première variante, ce courant s'écoule de façon continue vers la grille de stockage GST, d'o les charges sont ensuite transférées vers le lecteur, alors que dans l'autre cas, au contraire, il y a un premier stockage des charges sous la grille GSC 2, avant le stockage sous GST; à chaque cycle on assure le transfert du résultat de ce premier stockage vers la grille GST qui fonctionne comme dans le cas précédent. Le transfert des charges sous la grille Gs 7 peut s'effectuer de façons diverses dans le cadre de l'invention Suivant un mode préféré, il a lieu par application d'une tension décroissant réguliè- rement dans le temps à l'électrode GSC 2, suivant le diagramme de la figure 8, montrant également les tensions appliquées au cours d'un cyce aux électrodes GT de transfert dans le lecteur, et GRAN de remise à niveau Dans l'exemple de la figure, la rampe de tension appliquée à l'électrode G 5 C 2 correspond au cas d'une décroissance linéaire; sa pente positive correspond à des charges libres consis- tant en des "trous" conformément à ce qui précède On a coupé le diagramme des temps de la figure 8, afin de respecter les propor- tions des durées des différentes phases, l'intervalle t 1 t 2 étant en général une faible fraction de T 7, de l'ordre du dixième ou moins On agit sur le courant ISC en jouant sur la pente de la rampe précédente. L'injection des charges stockées sous GST dans le lecteur, commandée par la grille GT, à lieu périodiquement à une fréquence qui détermine la période d'intégration T dont il a été question; cette fréquence est en général très inférieure à celle à laquelle le lecteur est lui même vidé de ses informations, car le plus souvent on ne dispose que d'un registre pour lire l'un après l'autre les signaux de plusieurs photodiodes tous injectés en même temps dans le lecteur, à la fin de chaque période d'intégration Quant à la fréquence à laquelle se fait le transfert des charges de G 5 C 2 sous GST suivant le cycle décrit, elle peut être, elle, très différente de la fréquence à laquelle est commandée GT Si la capicité du puits sous GSC 2 est plus petite que celle du puits sous Gsr on peut répéter plusieurs fois le transfert Gsc 2 vers GST avant de vider le puits sous GST; la fréquence à laquelle on agit sur GSC 2 peut donc être supérieure à celle à laquelle on agit sur GT, et inversement, elle peut être inférieure, lorsque c'est la capacité sous GSC 2 qui est plus grande que celle sous GST Il n'y a pas de relation imposée entre ces fréquences Dans le cas des figures 7 on les a choisies égales; le transfert dans le lecteur est effectuée au temps t 2. Les fréquences de commutation des potentiels des électrodes GRAN et GSC 2 sont, elles, toujours égales Les remarques précédentes, concernant l'autoprotection contre les surcharges et l'effet favorable du courant 1 Sc sur le rendement d'injection s'appliquent au cas de cette variante. On signalera par contre une différence entre les deux variantes en ce qui concerne le traînage consécutif à un sur- éclairement; dans le cas de la première variante on observe un tratnage dû au temps nécessaire pour que la diode revienne à son point de fonctionnement, qui s'était déplacé sous l'effet de cette surcharge, vers une valeur telle que le courant ID diminue jusqu'à devenir égal à 'sc, Ce déplacement se fait vers le point de fonctionnement en circuit ouvert de la photodiode; celle-ci n'est donc exposée à aucun dommage du fait de ce sur-éclairement Dans le cas de la seconde variante, un tel traînage n'existe pas, car le point de fonctionnement de la diode est réajusté au début de chaque cycle. Dans une variante à la disposition précédente, la grille GSC 2 est placée entre les deux diffusions P, à la suite de la grille GRAN. Cette variante est représentée sur la figure 9 Son fonction- nement est le même que celui de la variante de la figure 6. On citera comme matériau du lecteur à transfert de charges, outre le silicium, déjà nommé, l'arséniure de gallium. Quant au matériau de la photodiode, on mentionnera parmi ceux le plus couramment utilisés, outre l'antimoniure d'indium, les tellurures de cadmium mercure, Hg Cd Te et d'étain plomb, Pb Sn Te pour l'infrarouge entre 3 et 12 microns de longueur d'onde. Dans des exemples de réalisation de l'invention, les tellurures sont associés à des lecteurs à canal P, l'antimoniure d'indium avec des lecteurs à canal N; L'invention est de réalisation facile; les éléments supplé- mentaires prévus sont facilement intégrables dans le substrat du lecteur à transfert de charges. Elle trouve une application dans la prise de vues en infrarouge, pour la réalisation de cibles comportant une série de photodiodes disposées le long de barrettes ou à la surface d'une mosaïque. L'invention a été décrite dans le cas d'un substrat de type N, à canal de type P correspondant à la figure 3 (c) Il va sans dire quelle s'applique aussi bien au cas de la figure 3 (a), avec un canal de type N, moyennant tous les changements nécessaires, accessibles à l'homme de l'art. REVENDICATIONS l Détecteur photonique à lecteur à transfert de charges à l'état solide, dont le signal est injecté dans le lecteur G(Cc D) par une transition consistant en un transistor MOS (P, Gc, GST), les charges de transfert mises en jeu dans le lecteur étant de signe opposé à celles de ce signal, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens engendrant un courant I Sc fait de charges de même signe que les charges de transfert, et des moyens d'injection de ce courant dans ladite transition. 2 Détecteur photonique suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que lesmranyens engendrant le courant I Sc consistent en un second transistor MOS juxtaposé au précédent sur le substrat ( 1) de celui-ci, constitué par la zone (P) dopée du substrat à laquelle est connecté le détecteur, dite première zone dopée, par une seconde zone (P) dopée formée dans ce substrat, et par une électrode de grille G Sc disposée entre ces deux zones, et en ce qu'il comporte les moyens pour maintenir en fonctionnement ce deuxième transistor MOS dans l'état de saturation 3 Détecteur photonique suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens engendrant le courant 1 consistent en un second transistor MOS juxtaposé au précédent sur le substrat ( 1) de celui-ci, constitué par la zone (P) dopée du substrat à laquelle est connecté le détecteur, dite première zone dopée, par une seconde zone P dopée formée dans ce substrat et par une électrode de grille GRAN disposée entre ces deux zones, en ce qu'il comporte des moyens pour polariser, en fonctionnement, ce deuxième transistor alternativement en régime linéaire, et en régime bloqué, et en ce qu'il comporte une seconde électrode de grille GSC 2 appliquée sur le substrat, et des moyens pour appliquer, en fonctionnement, à cette grille une tension suivant une rampe régulièrement variable dans le temps, éventuellement une ou plusieurs fois dans l'intervalle de temps qui sépare deux transferts successifs du signal, de la transi- tion dans le lecteur. 4 Détecteur photonique suivant la revendication 3, carac- térisé en ce que la seconde électrode de grille G 5 C 2 est placée à côté de l'électrode de grille GRAN entre les deux zones P. Détecteur photonique suivant la revendication 3, carac- térisé en ce que la seconde électrode de grille G 502 est placée de l'autre côté de l'électrode de grille GRAN par rapport à la seconde zone P. 6 Détecteur photonique suivant la revendication 3, carac- térisé en ce que la rampe de tension est linéairement variable. 7 Détecteur photonique suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce quil consiste en une diode photovoltarque. 8 Cible de prise de vues, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un détecteur suivant l'une des revendications 1 à 7.