Brevet FR2524751A1 — publié le 19831007

La présente invention concerne un dispositif de formation d'images à l'état solide ou transistorisé conçu selon un réseau bidimensinnel et possédant un réseau de pho- todiodes disposées dans une section de détection photosen- sensible et un dispositif à transfert de charge (CTD), tel qu'un dispositif à transfert de charges en masse BCD, un dispositif à couplage de charges CCD ou un dispositif dit à chapelets ou en forme de chaîne à seaux BBD, ainsi qu'ifn registre horizontal de lecture. La figure 1, annexée à la présente demande,re- présente un photodétecteur comportant un réseau de diodes disposé dans une section de détection photosensible et un dispositif à transfert de charges CTD servant de registre de lecture On se reportera par exemple à la demande de modèle d'utilité japonais publiée sous le NO 78364/81 en date du 25 Juin 1981 Sur la figure 1, la référence 1 dé- signe des photodiodes, la référence 2 des transistors MOS de commutation verticale (transistors à effet de champ du type à grille isolée), la référence 3 désigne un circuit d'exploration par balayage vertical, la référence 4 dési- gne des lignes verticales de transmission de signaux, les références 5 ( 5 '),11 ( 11 ') et 6 ( 6 ') désignent des tran- sistors MOS de commande, les références 7 ( 7 ') désignent un amplificateur de sortie, les références 8 ( 8 ') désignent un dispositif à transfert de charges qui fonctionne à la manière d'un registre hozontal,les références 9 ( 9 ') dési- gnent un circuit d'entrée du dispositif à transfertde char- ges CTD et les références 10 ( 10 ') désignent un circuit de suppression de flou d'image Le dispositif à transfert de charges ( 8) est habituellement commandé selon deux pha- ses, trois phases ou selon une commande quasiment à qua- tre phases Le dispositif à transfert de charges peut être un dispositif BCD (dispositif à transfertde charge en masse), un dispositif CCD {dispositif à couplage de -charges) ou un dispositif BBD (dispositif à chapelets ou en forme de chaine à seaux) Des pseudo-signaux tels que le flou d'image ou le maculage vertical mémorisés dans la ii_ gne verticale de transmission de signaux 4 pendant une pé- riode de balayage horizontal sont extraits par l'intermé- diaire des portes 5,11 et 10 au début d'une période de suppression horizontale Ensuite une ligne horizontale d'éléments d'image représentée par D sur la figure 1 est sélectionnée et une ligne de signaux est transmi- se, sous la forme d'une unité, au registre à transfert de chargé 8 formant le canal, et sont mémorisés dans des zones respectives de mémoire. Le fonctionnement ci-dessus est effectué pen- dant une première moitié de la période de suppresion ho- rizontale, et pendant l'intervalle de temps correspondant à la seconde moitié de la période, une ligne horizontale de signaux des photodiodes, représentée par \ sur la fi- gure 1 est transmiseet mémorisée dans le registre à trans- fert de charges 8 ' formant le canal @ Pendant la pério- de de balayage ou d'analyse horizontale, les portes 6 et 6 ' sont bloquées et le dispositif à transfert de charges est piloté de manière à lire simultanément les deux lignes de signaux provenant des amplificateurs de sortie 7 et 7 '. Les deux lignes de signaux sont simultanément lues de maniè- re à améliorer la résolution d'image d'un détecteur de cou- leurs formé d'une plaque ou d'un substrat unique. Un tel dispositif de formation d'images de l'art antérieur présente l'inconvénient suivant Un ren- dement N de transfert depuis la ligne verticale de trans- mission de signaux 4 au registre horizontal 8 est faible et ce rendement de transfert varie d'une ligne à l'autre. Il en résulte la production de tensions de bruit périodi- ques fixes Le rendement N de transfert est représenté par le produit d'un rendement nl de transfert depuis la ligne verticale de transmission de signaux 4 jusqu'à un point 12 sur la figure 1 par l'intermédiaire du transistor 5, par un rendement N 2 de transfert depuis le point 12 au disposi- tif à transfert de charge 8 Le rendement N 1 de transfert par l'intermédiaire du transistor 5 est fourni de façon approximative par t/T n 1 + t/T( 1) dans laquelle t est la durée du transfert de charge et T est défini par 2 CV 2 T v ( 2) qo-$ dans laquelle 8 est une conductance de canal du transis- tor 5, Cv est la capacité de chacune des lignes vertica- les de transmission de signaux et q O est une charge de transfert En vue d'accroître le rendement de transmis- sion, on peut accroître la conductance B du transistor 5 ou bien on peut réduire la capacité Cv de la ligne verti- cal 4 de transmission de signaux Cependant, la capacité CV de la ligne verticale de transmission de signaux est essentiellement déterminéepar une technique de fabrica- tion et on n'a qu'une faible liberté d'action pour sa con- ception. En tant que solution pour accroître la conduc- tance du transistor en vue d'améliorer le rendement du transfert de charges, on connaît un procédé illustré sur la figure 2 annexée à la présente demande (voir par exem- ple le document IEEE Vol SC-12, N 3, page 232 ( 1977), "J Solid-State Circuits" de Jespers et consorts) Dans le circuit proposé, un signal d'un dispositif de forma- tion d'imagesdu type mos est amplifié par le circuit re- présenté sur la figure 2, qui est disposé sur la même mi- croplaquette ou puce que le dispositif de formation d'ima- ges (voir figure 4 annexée à la présente demande) Sur la figure 2, la référence 20 désigne un transistor de trans- fert, la référence 21 un inverseur possédant un gain G, les références 22 et 23 des capacitésde source et de drain, la référence 24 une borne d'entrée du potentiel de référen- ce de l'inverseur,les références 25 et 29 un transistor de remise à l'état initial et une grille de ce dernier, la référence 26 un transistor de sortie, la référence 28 un drain et la référence 27 une borne de sortie Une conduc- tance efficace eff du transistor de transfert 20 du cir- cuit de la figure 2 est accrue par l'inverseur 21 possédant le gain G, comme suit Seff = ( 1 + G) ( 3) Par conséquent le rendement du transfert de charges peut être accru de façon importante La figure 3 représente un circuit spécifique pour ce faire Les inventeurs à la base de la présente invention ont trouvé que le circuit -ci-dessus pose des problèmes liés à une caractéristique de trafnage du transistor de transfert à un bruit parasite aléatoire du système. Un but de la présente invention est de fournir un dispositif de formation d'imagesde haute sensibilité disposé sous la forme d'un réseau bidimensionnel et pré- sentant des tensions de bruit périodiques fixes réduites, moyennant le montage d'un circuit inverseur entre les li- gnes verticales de transmission de signaux et les grilles des transistors de transfert. Conformément à la présente invention, dans un dispositif de formation d'images transistorisé ou à l'état solide,qui utilise un dispositif à transfert de charges dans un circuit de balayage horizontal, les circuits inver- seurs sont prévus pour chacune des lignes verticales de transmission de signaux et sont raccordés chacun au drain du trans- sistor de transfert monté entre la ligne verticale de trans- mission de signaux et le dispositif de transfert de chargw, 252475 1 l et une sortie de chacun des circuits inverseurs est raccor- dée la grille du transistor de transfert. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur les- quels: les figures 1, 2, 3 et 4, dont il a déjà été fait mention, illustrent des circuits de l'art antérieur;' la figure 8 représente une vue en coupe d'un dispositif de transfert de chargesen masse BCD fonction- nant sur trois phases; et les figures 5, 6, 7, 9, 10, 11 et 12 illus- trent des formes de réalisation de la présente invention; En se référant à la figure 5, on va maintenant décrire une forme de réalisation de la présente invention. Les référencesl à 11 sont identiques à celles de la figu- re 1 Dans la forme de réalisation de la figure 5, un cir- cuit inverseur 50, dont une borne d'entrée est raccordée à une borne correspondante des lignes verticales de trans- mission de signaux 4 et dont l'autre borne d'entrée est re- liée à une ligne 51 d'application d'une tension commune,est prévu pour chacunedes lignes verticales de transmission de signaux 4 Une sortie du circuit inverseur est raccordée à la grille du transistor de transfert correspondant Comme cela a été décrit ci-dessus en liaison avec la figure 2, grâce à l'utilisation du circuit inverseur possédant un gain G, la conductance efficace du canal Self du tran- sistor de transfert est représentée par aeff = (l + G) 3 à__ à( 4) dans laquelle 6 est la conductance du transis- tor de transfert Par conséquent, une perte c 1 de transfert de charges depuis la ligne verticale 4 de transmission de signaux au drain 12 par l'intermédiaire du transistor de transfert, est représentée par 2 C 2 1 + qo ceff t oq Seff-t 2 C 2 2 C 2 2 à( 5) q (l+G) f 3 t Par conséquent, sous l'effet de l'insertion du circuit in- verseur, la perte de transfert de chargesest réduite d'un facteur égal à i ( 1 +G) 2 Par conséquent on obtient une amélioration importante du rendement de transfert. Conformément à la présente invention, on obtient comme décrit ci-dessus une amélioration importante de la ca- ractéristique Cependantla présente invention n'est pas une simple combinaison du circuit de l'art antérieur représen- té sur la figure 1 et du circuit de l'art antérieur repré- senté sur la figure 2, étant donné que les circuitsde l'art antérieur représentés sur les figures 2-4 et le présent cir- cuit représenté sur la figure 5 sont essentiellement diffé- rents en ce qui concerne ( 1) les tensionsde bruit périodi- ques fixes, ( 2) le bruit parasite aléatoire et ( 3) le cou- rant de traînage On va discuter ci-après de ces éléments. Dans le circuit de l'art antérieur de la figu- re 4, un transistor de transfert 20 et un circuit inverseur sont prévus pour chacune des lignes horizontales de sor- tie 43 du dispositif de formation d'images du type MOS, et les signaux provenant des éléments d'image respectifs sont délivrés à l'extérieur par l'intermédiaire du transistor de tranfert commun Par conséquent, un bruit aléatoire du à la commutation du transistor horizontalcb commutation est mélangé au signal, mais des tensions de bruit périodiques fixes dues à une variation des caractéristiques du circuit inverseur n'apparaissent pas. D'autre part, dans la présente forme de réali- sation représentée sur la figure 5, si des caractéristiques telles que des tensions de décalage ou des gains G des cir- cuits inverseurs raccordés aux lignes verticales respecti- ves de transmission de signaux varient, les conductances ' des transistors de transfert représentées par la formule ( 4) varient Il en résulte que les quantités des charges extraites par lecture hors des lignes verticales respecti- ves de transmission de signaux pendant une durée limitée de transfert de charges sont différentes et il se produit l'ap- parition de tensions de bruits périodiques fixes importan- tes Par conséquent la simple combinaison des circuits de l'art antérieur des figures 1 et 2 n'améliore pas les ten- sions de bruit périodiques fixes. Dans la présente forme de réalisation représen- tée sur la figure 5, afin d'améliorer les tensions de bruit périodiques fixes,dues à la variation des circuits inver- seurs, les signaux sont extraits par lecture après que des charges de polarisation aient été injectées à partir du dispositif de transfert de charges 8, tel qu'un dispositif BCD (dispositif à transfert de charges en masse) dans les lignes verticales de transmission de signaux 4 par l'inter- médiaire des transistors 6, ou bien les signaux sont extraits par lecture après que des charges de polarisation stockées dans les condensateurs des drains 12 des transistors de transfert aient été injectées dans les lignes verticales de transmission de signaux 4 Même si les potentiels de ré- férence des signaux verticaux respectifs diffèrent d'une li- gne à l'autre, des charges supplémentaires ne sont pas pro- duites d'une manière conséquente si le potentiel de référence au moment o les charges supplémentaires telles qu'un macu- lage ou un f 1 cud'image sont évacuées, et le potentiel de 2524175 ? référence au moment o le signal est lu, sont identiques ou diffèrent très faiblement entre eux pour chaque ligne verticale de transmission de signaux, et par conséquent les tensions de bruit périodiques fixes sont réduites de-façon importante Par conséquent, les tensions de bruit périodi- que fixes ne sont pas réduites par la simple combinaison des deux circuits de l'art antérieur, et au contraire l'avantage de la présente invention est obtenu par l'adjofic- tion des charges de polarisation. On va maintenant discuter des bruits aléatoires présents dans le circuit de l'art antérieur de la figure 4 et dans la présente forme de réalisation de la figure 5. Bien qu'une théorie détaillée n'ait pas été mise sur pied, on peut dire qu'un courant ini de bruit parasite aléatoire dans le circuit de l'art antérieur de la figure 4 est re- présenté de façon approchée par 1 N 1= 4 kr Tfcp B(CV+CH) ( 6) dans laquelle k représente la constante de Boltzman, T la température absolue, f CP une fréquence pilote du cir- cuit 40 de balayage horizontal, B une bande de signal, CV une capacité de la ligne verticale de transmission de signaux 4 et CH une capacité 23 de la ligne horizontale de transmission de signaux 43 D'une manière générale, on a CH ( 7) En supposant par exemple que f CP = 7 M Hz, B = 3 M Hz, Cv = 4 p F et CH = 12 p F, le courant de bruit para- site représenté par la formule ( 6) est donnée par la rela- tion i 1 1,6 n A ____-( 8) ni D'autre part un courant de bruit parasite in 2 dans la présente forme de réalisation de la figure 5 est représenté par: i 2 = 4 k T C f B+CCD n 2 V IfcpB+in CC dans laquelle k, T, Cv et B sont identiques aux grandeurs correspondantesdans la formule ( 6), fcp est une fréquence cp pilote du dispositif à transfert de charges 8 du registre horizontal, et in CCD est un bruit parasite produit par le dispositif à transfert de chargesest habituellement très faible, c'est-à- dire inférieur à 0,5 n A En supposant par exemple Cv = 4 p F et in CCD 0, 2 n A,ona in 2 = 0,8 n A ( 10) Par conséquent in 2 est égal à la moitié de inl de la formule ( 8) dans le circuit de l'art antérieur. Il ressort par conséquent à l'évidence que la présente for- me de réalisation, de la figure 5 n'est pas la simple combi- naire du circuit de l'art antérieur, mais que le mécanisme de production du bruit aléatoire est essentiellement dif- férent et que le bruit est réduit. On va maintenant discuter de la différence en- tre le courant de trainage (T Masuhara et consort, IEEE, T Electron Devices, Vol ED-21, N 6, page 363, 1974) du transistor de transfert de la présente forme de réalisa- tion de la figure 5 et celui des dispositifs de l'art an- térieur des figures 2-4 Dans le circuit de l'art antérieur de la figure 4, même si un courant de trainage existe dans une certaine mesure, seul un niveau du signal change et aucun problème important n'apparaît Cependant, dans la présente forme de réalisation de la'figure 5, si les cou- rants de trafnage des transistors de transfert respectifs sont différents, les tensions de bruit périodiques fixes sont produites Une tension de commande ou un coefficient de trafnage a servant à modifier le courant de traînage d'un ordre de grandeur est donnée par la relation cxeff = /(l+G) en raison de l'insertion du circuit inverseur possédant le gain G et représenté sur la figure 5 Par conséquent le ' coefficient de trainage est réduit et le courant de trai- nage est également réduit Dans l'article de Jespers et consorts cité cidessus, il est indiqué que le gain du circuit inverseur est de préférence égal à 3, et le pro- blème apparaîtra s'il est supérieur à 6 Dans la présente forme de réalisation, les tensions de bruit périodiques fixes peuvent être réduites moyennant le choix d'un gain supérieur afin de réduire le courant de trainage Les zo- nes de fonctionnement du transistor de transfert et du cir- cuit inverseur de la présente forme de réalisation de la figure 5 diffèrent essentiellement de celles de l'art an- térieur représenté sur la figure 4. La figure 6 montre une autre forme de réalisa- tion de la présente invention Dans cette forme de réali- sation, un circuit inverseur comprend un transistor du ty- pe MOS 61 à appauvrissement, servant de charge La réfé- rence 63 désigne un courant de drain d'inverseur, la ré- f érence 64 un courant de source et la référence 62 un tran- sistor MOS d'attaque Le transistor de charge du type à appauvrissement 61 peut être fabriqué lors de la même pha- se opératoire que la réalisation du dispositif à transfert de charges à canal enseveli 8, et le nombre des masques photosensibles nécessaires ne peut pas Etre accru Etant donné que la consommation d'énergie dans l'inverseur est réduite, au moins le drain 63 ou la source 64 peut êtré piloté de façon impulsionnelle. Les tensions de la source 64 et du drain 63 doi- il vent être choisies de manière que l'inverseur fonctionne dans une zone à gain élevé, et la source 64 n'a pas besoin d'être nécessairement mise à la masse Contraitement à l'art antérieur décrit par Jespers et consorts, dans le cas de la présente forme de réalisation, la source est de préférence polarisée de manière que la ligne verticale de transmission de signaux est polarisée de façon appropriée. La figure 7 montre une autre forme de réalisd- tion de la présente invention La référence 70 désigne un dispositif à transfert de chargesensevelies,triphasé BCD tel que représenté sur la figure 8 (brevet japonais NO 928711) Les signaux présents dans les liaisons @ et @ sont transférés et mémorisés dans deux des trois phases du dispositif BCD triphasé 70 Par conséquent, en dépit de la présence du seul dispositif BCD, les signaux pro- venant de deux éléments d'image peuvent être simultané- ment extraitspar lecture et l'on obtient une résolution élevée - Dans une' forme de réalisation représentée sur la figure 9, le transistor 61 du type à appauvrissement de la forme de réalisation de la figure 7 est remplacé par un transistor 91 du type à enrichissement Il fournit de façon suffisante l'avantage de la présente invention. Sur la figure 10, on utilise comme charge de l'inverseur, des résistances 101 formées d'une couche de polysilicium et/ou réaliséespar diffusion. Dans les formes de réalisation des figures 5 à 10, les charges de polarisation servant à la lecture des signaux sont envoyées à partir du dispositif BCD 8 ou 70. Dans une forme de réalisation représentée sur la figure l 1,les charges stockées dans des condensateurs 110 sont utilisées en tant que charges de polarisation. Dans la forme de réalisation de la figure 11, le rendement de transfert depuis le drain 12 au disposi- tif BCD 8 par l'intermédiaire des transistors 11 et 6 est un facteur important contribuant à fournir le rendement de transfert des charges Dans une forme de réalisation représentée sur la figure 12, des circuits inverseurs (comprenant chacun des éléments 61 ' et 62 ') sont raccor- dés aux grilles des transistors 11 de sorte que le rende- ment de transfert s'en trouve amélioré de façon supplémen- taire. Conformément à la présente invention, le ren- dement de transfert est accru, moyennant l'insertion des circuits inverseurs entre les transistors de transfert et les lignes verticales de transmission de signaux, et les tensions de bruit périodiques fixes sont sensiblement ré- duites par l'apport des charges de polarisation Le bruit parasite aléatoire est également réduit et l'on ob- tient un dispositif de formation d'imagesde haute sensibi- lité. REVENDICATIONS 1 Dispositif de formation d'imagestransistorisé, dans lequel des pseudo-signaux présents dans la ligne verti- cale ( 4) sont extraits par lecture pendant une période de suppression horizontale, des signaux présents dans lesdites- lignes verticales de transmission de signaux sont ensuite introduitsdans un registre horizontal en forme de dispo- sitif à transfert de charges CTD ( 8,8 ') et ledit disposi- tif CTD est piloté pendant une période de balayage horizon- tal afin d'effectuer la lecture des signaux, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit inverseur ( 50) prévu pour chacune desdites lignes verticales de transmission de si- gnaux et dont une entrée est raccordée à un drain ( 12), re- lié à la ligne verticale de transmission de signaux, d'au moins un transistor de transfert ( 5) monté entre ladite ligne verticale de transmission de signaux et ledit disposi- tif CTD, et dont une sortie est raccordée à une grille du- dit transistor de transfert ( 5). 2 Dispositif de formation d'images transistori- sé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits circuits inverseurs ( 50), lesdits transistors de transfert ( 5) et ledit dispositif CTD ( 8,8 ') sont disposéssur des cô- tés opposés d'une zone de balayage. 3 Dispositif de formation d'images à l'état solide, selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif CTD ( 8,8 ') est un dispositif à transfert de chargestriphasé, qui effectue la lecture simultanée de deux lignes.