Brevet FR2508234A1 — publié le 19821224

BEN/LRI{ ENSEMBLE DETECTEUR PHOTONIQUE, LECTEUR A TRANSFERT DE CHARGES ADAPTE, ET CIBLE DE PRISE DE VUES UTILISANT UN TEL ENSEMBLE 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 photovoltaîques 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. Un tel transfert s'accompagne toujours d'une certaine dégra- dation du signal L'expérience montre que celle-ci se produit princi- palement à la jonction entre le dispositif de transfert de charges et le capteur Elle a pour cause une injection défectueuse du signal de la photodiode dans le lecteur, liée aux valeurs relatives des impé- dances de la photodiode et de l'élément dans lequel est injecté son signal, à savoir le transistor de liaison entre photodiode et lecteur. Elle s'observe quel que soit le solide utilisé à la réalisation des diodes, tellurure d'étain plomb (Pb, Sn, Te) ou de cadmium mercure (Hg Cd Te) et celui utilisé au transfert de charges, couramment le silicium de type N ou p. La difficulté est bien connue de l'homme de l'art; elle ressort de la formule du rendement d'injection r qui peut s'écrire: gm RD r 1 + g RD et qui n'est autre que celle de la répartition des courants dans un ensemble de deux résistances alimentées en parallèle à courant constant, ici l'impédance RD de la photodiode, et 1 impédance du transistor, en désignant par le terme gn, adopté dans ce qui suit, sa transconductance. La résistance RD n'est guère modifiable; elle est prati- quement fixée par l'état actuel de la technologie de réalisation des photodiodes dans les matériaux cités. Quant au terme gm, on peut considérer qu'il est conve- nablement représenté, dans les conditions habituelles, avec des transistors à faible inversion, par q 15 q 1 sï( 1) Om -k T( 1 o q, k, et T sont la charge de l'électron, la constante de Boltzman et la température absolue, et o 1 Is représente le courant total de signal mis en jeu dans Pinjection, courant qui comprend une compo- sante alternative i correspondant aux variations du signal lors des lectures successives. Pour augmenter le rendement r, qui croît avec le produit gm RD, et donc, à RD pratiquement fixe, avec gm' on ne dispose, à température de fonctionnement donnée, que de 15. On a déjà proposé des dispositions permettant d'augmenter ce courant, qui est fixé par le point de fonctionnement de la diode, en lui adjoignant un courant supplémentaire, voir: Topics in Applied Physics, vol 38, p 78 Charge Coupled Devices Editor D F Barbe Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New-York. L'invention a pour objet un moyen nouveau d'augmentation du courant I, dans les conditions qui vont être précisées. L'invention concerne un ensemble détecteur photonique, lec- teur à transfert de charges comportant au moins un détecteur photonique exposé au rayonnement incident et un lecteur des signaux de ce détecteur, reliés entre eux par une transition consistant en un transistor à effet de champ (MOS) et une grille de transfert, transition par laquelle les signaux sont transmis du détecteur au lecteur par commutation séquentielle des potentiels des électrodes du transistor, caractérisé en ce qu'il comprend, sur le substrat du transistor, au voisinage de la source de celui-ci, une électrode supplémentaire, des moyens pour accumuler sous celle- ci, au moment de la mise en fonctionnement de l'ensemble, à l'aide des signaux du détecteur, une charge de réserve fixe, et en ce que, enfin, le potentiel appliqué à cette électrode supplémentaire au cours du cycle de commutation est un potentiel décroissant régu- lièrement dans le temps. L'invention sera mieux comprise en se reportant à la des- cription qui suit et aux figures jointes, qui représentent: figure 1: le schéma électrique équivalent d'une photodiode et de son système d'injection dans le lecteur; figure 2, une représentation schématique, selon l'art connu, de l'ensemble précédent; -figure 3, le même ensemble modifié selon l'invention; figure 4, un diagramme explicatif du fonctionnement de l'ensemble précédent; figure 5, le diagramme des temps correspondant; figure 6, un diagramme relatif à une variante de l'invention. La figure 1 donne le schéma équivalent de l'ensemble photo- diode, système d'injection Sur ce schéma, sont représentées les quantités RD et gm dont il a été question ainsi que les parties capacitives CD et Ccc 0, respectivement de la photodiode et du système d'injection En basse fréquence, dans les conditions de fonctionnement, la répartition du courant entre les deux parties est régie par la formule du rendement r donnée plus haut, o ces capacités n'interviennent pratiquement pas. Dans ce qui suit, on adoptera la terminologie et la repré- sentation habituelles en matière de transfert de charges, utilisant la notion de "puits de potentiel", la profondeur de ces puits sous chaque électrode étant proportionnelle au potentiel de surface sous l'élec- trode On pourra consulter pour ces données générales l'article de M.F Tompsett sous les références "Charge Transfer Devices" J Vac. Sci Technol; vol 9, NI 4, July-August 1972 Pages 1166 à 1181 et celui de W S Boyle et G E Smitt sous les références "Charge Coupled Semiconductor Devices" The Bell System Technical Journal, April 1970 pages 587 à 593. Ceci étant, on indique, schématiquement sur la figure 2, comment se présente en général et selon l'art connu, la transition entre un détecteur et son lecteur Le détecteur est sur la figure une diode photovoltaîque représentée de la façon conventionnelle, sans repères Cette diode reçoit le rayonnement photonique h 9 sous l'effet duquel elle engendre un signal électrique, elle est réalisée dans un substrat choisi pour sa sensibilité au rayonnement incident, en l'un des matériaux cités, par exemple La transistion consiste en un transistor à effet de champ MOS Le repère S désigne l'électrode de source du transistor MOS, réalisée par exemple par une diffusion dans un substrat 1 de type opposé, préférentiellement une diffusion de type N dans un substrat, en silicium par exemple, de type P Les autres électrodes du transistor sont représentées en GC et GST désignant respectivement la grille de commande de ce transistor et, en quelque sorte, son drain, drain sous lequel a lieu le stockage des charges de signal avant leur injection dans le dispositif à transfert de charges, dont d'entrée est la grille marquée GCCD précédé par une grille de transfert marquée G 1. Sur la figure, la transition occupe, comme on le voit, la partie comprise entre les deux traits mixtes extrêmes; elle est composée du transistor MOS compris entre les deux premiers traits mixtes et de la grille de transfert GT, situés entre la photodiode, à gauche et le lecteur à CCD, à droite C'est dans cette partie qu'intervient le rendement r considéré plus haut. Les moyens de connexion entre le substrat dans lequel est réalisée la photodiode et celui, figuré avec le repère 1 sur la figure, qui relèvent de l'art connu, n'ont pas été représentés La même lettre S est utilisée également, en indice, pour désigner le courant mis en jeu dans l'opération d'injection du signal de la photodiode dans le lecteur à transfert de charges. La figure 3, reproduit le schéma précédent tel que modifié par l'invention Une grille supplémentaire portant le repère G Sc est appliquée sur le substrat 1; dans l'exemple, elle est disposée entre la source S et la grille de commande G Son rôle est la création du courant supplémentaire dont il a été question qui, ajouté au courant de signal, améliore le rendement d'injection; il sera précisé ci- dessous à l'aide des figures 4 (a, b, c, d). C'est à cause de ce rôle, au cours duquel elle agit comme une source de courant, qu'on lui a affecté l'indice SC. Les figures 4, représentent les états successifs des puits de potentiel et les charges contenues dans ces puits au cours d'un cycle d'injection du signal d'un détecteur dans le lecteur correspondant Le transfert des charges s'y opère comme dans un dispositif à transfert de charges, comme il va être indiqué. Sur ces figures, les puits de potentiel sont représentés, selon l'usage, par des échelons suivant l'axe des potentiels, orienté positi- vement vers le bas Des pointillés sont utilisés pour montrer ce que serait le potentiel de ces puits en l'absence de charges; la présence de charges est indiquée par des hachures; OS est le potentiel de surface sous l'électrode considérée. Au début -du cycle, c'est-à-dire au temps t = t 0, l'état de la transition est celui de la figure 4 (a). La colonne étroite couverte de hachures à gauche de la figure représente la quantité de charges présente dans la diode de source S, maintenue constamment, comme on le voit, au niveau haut du potentiel du puits sous la grille Gc Les charges du signal injectées dans cette diode la traversent pour gagner le puits de potentiel sous G 5 c Une petite quantité de charges, notée Q 1 est présente dans le puits de la grille de stockage GST On reviendra sur cette quantité Q 1 plus loin. Pendant la période d'intégration, Ti qui suit, on applique à la grille G Sc de l'ensemble de l'invention une rampe de tension, c'est- à-dire une tension qui décroit régulièrement dans le temps,suivant une loi linéaire éventuellement La tension G Sc diminuant (flèche de la figure 4 (b)), le puits sous cette électrode se vide partiellement des charges qu'il contient qui se déplacent, sous GC, vers l'électrode de stockage GST Un courant supplémentaire 1 est créé par l'écoulement de ces charges, désignées par Q O sur la figure, courant qui s'ajoute au courant de signal 1 S dans l'expression ( 1) de la transconductance g, qui se trouve de ce fait augmentée, et éventuellement de façon sensible; la quantité QO peut être de l'ordre de la quantité de charges QS du signal, ou plusieurs fois supérieure à cette dernière On notera que, dans le cas de la loi linéaire, le courant additionnel est pratiquement constant pendant toute la période d'intégration, car la capacité sous la grille G Sc reste constante pendant cette période, du fait que le potentiel de surface sous cette grille est fixé par le potentiel de la grille GC, qui est maintenu constant pendant tout le cycle, comme le montrent les diagrammes des figures 4. A la fin de la période d'intégration, T la situation est celle de la figure 4 (b), o, sous la grille de stockage GST, sont représentées les charges Qi' QS et QO- Au temps t 2, peu après la fin de la période d'intégration, la charge QS est transférée sous la grille GT, dont le potentiel est augmenté à cette fin, vers la grille d'entrée GCCD (flèche) du dispositif à transfert de charges, figure 4 (c) Au cours de cette phase, le potentiel haut de GT est tel que la charge QS, et elle seule, est transférée sous Gcc D, à l'exclusion de toute fraction de la charge Q, la charge Q 1 étant telle que la somme des charges QO + Q 1 remplisse alors exactement le puits de stockage sous GST. On bloque ensuite le canal sous GT puis on diminue le potentiel sous Gs, et on redonne au potentiel de G Sc la valeur qu'il avait au sommet de la rampe de tension, au temps t Ceci a pour effet de ramener la charge Q O sous l'électrode G Sc; la situation est celle de la figure 4 (d), au temps t 3 La charge Qi est alors répartie sous les électrodes G Sc, GC et éventuellement GT; elle est représentée sur la figure 4 (d) par le petit rectangle horizontal couvert de hachures sérrées Enfin, on élève le potentiel de GST pour revenir aux conditions de l'instant initial t 0, avant le cycle suivant et ainsi de suite. On donne, pour fixer les idées, sur la figure 5, un exemple de diagramme des temps correspondant au cycle décrit Sur cette figure les axes des tensions V sont orientés, cette fois, positivement vers le haut; le diagramme est fait à tension de grille de commande VGC constant On a coupé l'axe des temps pour respecter les proportions entre le temps d'intégration marqué Ti et la durée de la fin du cycle, entre t 1 et t 3, qui est une faible fraction de la période Ti, de l'ordre du dixième au centième. L'invention utilise, comme on l'a dit, une quantité de charges QO supplémentaire pour améliorer l'injection dans le dispositif à transfert de charges En même temps, il a été question d'une autre quantité Q 1 dont l'utilité n'a pas été jusqu'ici mise en évidence En fait, dans le cas o le dispositif ne comprend qu'un seul détecteur, c'est-à-dire une photodiode unique et un seul lecteur, une telle charge Q 1 n'est pas nécessaire Il en va autrement lorsque sont mises en oeuvre plusieurs photodiodes et leurs lecteurs, comme dans les dispositifs de prises de vue, o elles sont en grand nombre et disposées suivant une mosaïque dans le substrat détecteur ou sur quelques barrettes seulement, comme on sait que cela peut être le cas dans l'état actuel de la technologie des cibles En général les transitions sont alors commandées toutes à la fois, ou par groupes, par des tensions communes appliquées à leurs électrodes; c'est le cas notamment pour les grilles GT mais, comme les potentiels de seuil de ces grilles ne sont pas tous les mêmes, pour une tension appliquée donnée, leurs potentiels de surface sont différents, et le transfert exact des seules quantités QS selon la figure 4 (c) ne se trouve pas assuré pour toutes les transitions C'est pour remédier à cet état de choses que l'invention prévoit d'introduire une charge initiale, la charge Q 1 en question, sous les éléments de stockage GST de chaque ensemble détecteur, lecteur, d'une valeur propre à chacun d'eux. Dans tous les cas, la quantité de charge Qi est obtenue à partir des charges de signal de la photodiode, accumulées sous G Sc et GST dans une phase préliminaire, au cours de laquelle on maintient la photodiode exposée au rayonnement sans procéder au transfert de ses signaux vers le lecteur La charge Qi est généralement faible, de l'ordre de QS ou un peu supérieur, comme représenté. On procède de même pour la quantité Q 0, sensiblement supérieure aux précédentes Cette charge est la même pour tous les ensembles détecteurs, lecteurs. Dans une variante de l'invention, une diode supplémentaire D est formée dans le substrat 1, associée à une grille Gi et reliée à une source de tension, Vi, comme le montre le dessin de la figure 6 La grille G occupe une position adjacente à l'une des sources S des i figures précédentes (ou plusieurs d'entre elles) Cette disposition assure la protection de la photodiode contre des surtensions éven- tuelles au moment de la mise en fonctionnement. La compensation s'opère comme suit d'après le diagramme des figures 6 (a), 6 (b), 6 (c). Dans un premier temps, les potentiels sur G Sc et GT sont portés au niveau bas, le potentiel sur GST étant au niveau haut On impose le potentiel Vi comme potentiel de surface sous Gi, G Sc, GC, GST et S, en appliquant une tension élevée sur Gi (figure 6 (a) Dans un deuxième temps, on isole 51, G Sc, GC et GST de la tension Vi en appliquant une tension faible sur Gi (figure 6 (b)) Dans un troisième temps, on applique la tension haute sur GT. Cette tension doit être telle que le puits de stockage sous GST puisse alors contenir une charge supérieure à Q O Une partie des charges est évacuée sous le CCD (flèches) Nous obtenons alors la situation de la figure 6 (c) La situation sous SV, GCS, GC, G 5 T et Gi est la même que sur la figure 4 (c) On dispose sous GST de la charge QO + QI Les conditions normales de fonctionnement sont réalisées. Il est possible également, dans une autre variante au schéma de la figure 3, d'ajouter une grille supplémentaire entre la source S et la grille GSC, qui permette d'isoler la diode S du reste de la transition pendant que s'effectue le retour de la charge Q O de l'électrode de stockage G ST vers Pélectrode GSC, entre les instants t et t 2 3 ' On remarquera enfin que l'invention, décrite dans le cas d'une grille GSC placée entre la source S et l'électrode de controle G 5, est en tous points transposable au cas o la grille Gsç serait située du côté opposé à G c par rapport à cette source; dans ce cas, les charges accumulées sous G Sc suivraient sans difficultés le même cheminement sous les différentes grilles après avoir franchi le potentiel constant sous S. Pour la clarté, les grilles ont été représentées sur les dessins coplanaires et sans recouvrement les unes par rapport aux autres. Un tel recouvrement peut s'avérer nécessaire dans la pratique; elles pourraient aussi ne pas être coplanaires. D'autres variantes, et en particulier la combinaison de celles décrites, accessibles à l'homme de l'art, sont comprises également dans l'invention. La structure de l'invention est de réalisation facile, linté- gration dans le substrat de la grille supplémentaire G Sc ne-posant aucun problème dans l'état actuel de la technologie Le rôle de source de courant qu'elle joue évite l'apport de charges extérieures pour la création du courant supplémentaire Les variations de tension de seuil de la grille de transfert GT est sans influence sur cette source. L'invention trouve une application dans la réalisation des cibles de prise de vues en infrarouge. REVENDICATIONS 1 Ensemble détecteur photonique, lecteur à transfert de charges comportant au moins un détecteur photonique exposé au rayonnement incident et un lecteur (GCCD) des signaux de ce détecteur, reliés entre eux par une transition constistant en un transistor à effet de champ (MOS) (S, GC, GST) et une grille de transfert (GT), transition par laquelle les signaux sont transmis du détecteur au lecteur par commutation séquentielle des potentiels des électrodes du transistor, caractérisé en ce qu'il comprend, sur le substrat ( 1) du transistor, au voisinage de la source (S) de celui-ci, une électrode supplémentaire (G Sc), des moyens pour accumuler sous celle-ci, au moment de la mise en fonctionnement de l'en- semble, à l'aide des signaux du détecteur, une charge de réserve fixe (QO) et en ce que, enfin, le potentiel appliqué à cette électrode supplémentaire au cours du cycle de commutation est un potentiel décroissant régulièrement dans le temps. 2 Ensemble suivant la revendication 1 comprenant au moins deux détecteurs, et deux transistors dont les électrodes sont com- mandées par les mêmes potentiels, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour accumuler sous l'électrode (GST) de chaque transition, au moment de la mise en fonctionnement de l'ensemble, une autre quantité de charges (Qi) compensant l'inégalité des potentiels régnant dans le substrat ( 1) sous les différentes grilles (GT) portées au même potentiel. 3 Ensemble suivant l'une des revendicationds 1 ou 2, carac- térisé en ce que les moyens d'accumulation des charges QO et Q. comprennent une diode (D) formée dans le substrat ( 1) au voisinage de la souce (S), une grille (Gi) appliquée sur ce substrat, adjacente à l'une des électrodes (S), (G Sc), (Gc) ou (GST), et des moyens pour appliquer une différence de potentiel à la diode (D) par rapport au substrat. 4 Ensemble suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les détecteurs sont des diodes photo- voltaïques. 5.-Ensemble suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le potentiel appliqué à cette électrode supplémentaire décroît liné- airement dans le temps. 6 Cible de prise de vues caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un ensemble suivant l'une des revendications 1 à 5.