Brevet FR2549328A1 — publié le 19850118

DISPOSITIF PHOTOSENSIBLE A L'ETAT SOLIDE La présente invention concerne les dispositifs photosensibles à l'état solide Elle concerne plus particulièrement l'étage de lecture de ces dispositifs. Les dispositifs photosensibles à l'état solide actuellement utilisés aussi bien dans le domaine du visible que de l'infrarouge sont constitués principalement par des cellules de détection photonique et d'intégration des charges et par un dispositif de lecture constitué d'au moins un registre à décalage à transfert de charge recevant en parallèle par l'intermédiaire d'une grille de transfert les charges intégrées dans la zone d'intégration des cellules et les délivrant en série vers un étage de lecture donnant en sortie un signal électrique d'analyse d'images. L'utilisation d'un dispositif à transfert de charge ou CCD en langue anglaise dans le dispositif de lecture présente un certain 15 nombre d'inconvénients En effet pour obtenir un écoulement correct des charges d'un étage à l'autre du dispositif à transfert de charge, il est nécessaire que les potentiels electriques aillent en croissant de l'entrée du CCD vers la sortie Or la tension de sortie du CCD étant bien souvent limitée par la tension maximale que peut 20 supporter l'étage de sortie, il en résulte que la tension en entrée du CCD est faible, ce qui limite la quantité de charges pouvant être injectée dans l'étage d'entrée Cette croissance progressive des potentiels peut être évitée en pulsant certaines tensions, mais cela se traduit alors par une plus grande complexité de l'électronique de 25 commande. D'autre part, lorsque le nombre de cellules de détection photonique est important, on est limité par l'inefficacité du transfert et le bruit de transfert du dispositif à transfert de charge, en particulier lorsque l'on travaille avec des quantités de charges 30 importantes et à des fréquences de fonctionnement élevées. La présente invention a en conséquence pour but de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus. La présente invention a donc pour objet un dispositif photosensible à l'état solide du type comportant au moins une cellule de détection photonique et d'intégration des charges reliée à un étage 5 de lecture donnant en sortie un signal électrique d'analyse d'images caractérisé en ce que l'étage de lecture est constitué par: des moyens de lecture en tension reliés chacun à une cellule de détection et d'intégration par l'intermédiaire d'un moyen permettant de lire le potentiel correspondant à la quantité de charges dans 10 la zone d'intégration; au moins un moyen d'adressage pour adresser séquentiellement un des moyens de lecture; et des moyens de remise à zéro de la cellule de détection et d'intégration précédemment lue. Selon un mode de réalisation préférentiel, le moyen de lecture en tension est constitué par un étage suiveur, en particulier par un transistor MOS dont la source est connectée à une charge et la grille à une diode constituant le moyen permettant de lire le potentiel correspondant à la quantité de charges dans la zone d'intégration. Ainsi, l'étage de lecture ne comportant plus de dispositif à transfert de charge, les inconvénients liés à ce type de dispositif sont donc supprimés. D'autre part, le dispositif à transfert de charge est remplacé par un nombre limité' de transistors MOS nécessitant moins de 25 surface, ce qui permet une diminution importante des dimensions du dispositif photosensible ou l'intégration d'un plus grand nombre de cellules. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de divers modes de 30 réalisation faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue de dessus d'un dispositif photosensible du type barrette utilisé pour l'infrarouge, selon un mode de réalisation de la présente invention; la figure 2 est une représentation schématique, selon l'art connu, d'un étage du dispositif de figure 1, et des potentiels de surface correspondants dans le substrat sur lequel est intégré le dispositif multiplexeur. la figure 3 est une vue de dessus d'un dispositif photosensible matriciel comportant un étage de lecture conforme à la présente invention; la figure 4 est une vue semblable à celle de la figure 2 dans le cas d'un dispositif photosensible utilisé dans le domaine du visible. la figure 5 est une vue de dessus d'encore un autre mode de l O réalisation d'un étage de lecture conforme à la présente invention. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments mais pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées. La figure I représente un dispositif photosensible utilisé dans le domaine de l'infrarouge De manière connue, ce dispositif photosensible est constitué de cellules I de détection photonique et d'intégation des charges et d'un étage de lecture 2 donnant en sortie un signal électrique d'analyse d'images A titre d'exemple, on a 2 représenté sur la figure I un dispositif photosensible comportant 20 quatre cellules Il est bien entendu que le dispositif selon l'invention peut comporter un nombre plus élevé de cellules, lesdites cellules pouvant être alignées comme sur la figure I ou par exemple disposées en matrice comme expliqué ci-après avec référence à la 25 figure 3. Dans le domaine de l'infrarouge et comme représenté sur la figure 1, chaque cellule I comporte un détecteur photosensible 3 intégré sur un substrat semiconducteur 4 différent du substrat 5 sur lequel sont intégrés les autres éléments du dispositif photosensible et une zone d'intégration réalisée sur le substrat 5 Le substrat 4 est de préférence réalisé en tellurure de cadmium et de mercure, en tellurure d'étain et de plomb, ou en antimoniure d'indium De même le substrat 5 est de préférence réalisé en silicium de type P, mais il pourrait être réalisé en silicium de type N dans le cas de diodes de détection à cathode commune, en arséniure de gallium ou en tout autre matériau semiconducteur équivalent. A titre d'exemple et comme représenté sur les figures 1 et 2, le détecteur photosensible 3 utilisé dans la présente invention est 5 une photodiode Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art que l'invention s'applique quel que soit le détecteur utilisé. Ainsi comme représenté sur les figures I et 2, l'anode A de la photodiode 3 reçoit une tension de polarisation VSD Sa cathode K est reliée par une connexion 7 à la zone d'intégration des charges qui 10 permet d'intégrer dans le substrat 5 les charges créées dans la photodiode 3 par le rayonnement à détecter symbolisé par les flèches ondulées sur la figure 2. D'autre part, chaque zone d'intégration des charges réalisée sur le substrat semiconducteur 5 qui est polarisé à une tension VSM 15 comporte une diode D constituée par une zone de type N réalisée dans le substrat semiconducteur 5 en silicium de type P Cette zone + est désignée par la référence N 1 sur la figure 2 Chaque diode est reliée par une des connexions 7 à la cathode K de la photodiode correspondante D'autre part, une grille GC reliée à une tension de 20 polarisation VGC sépare chaque diode D d'une capacité de stockage des charges constituée par une partie d'une grille GST, une couche d'isolant et le substrat Sur la figure 2, par souci de clarté, on n'a pas représenté la couche d'isolant qui sépare les diverses grilles de la surface du substrat semiconducteur 5. De même, comme représenté sur les figures 1 et 2, conformément à la présente invention, l'étage de lecture 2 comporte quatre moyens de lecture en tension constitués par des transistors MOS Mil montés en suiveur La grille G 1 de chaque transistor MOS Mil est reliée à une diode D' adjacente à la capacité de stockage de 30 chaque cellule I de détection et d'intégration des charges Cette diode D' est réalisée par une diffusion de type N désignée par la référence N 2 + sur la figure 2 Le role de cette diode D' sera expliqué ci-après de manière plus détaillée avec référence aux potentiels de surface représentés sur la figure 2 Le drain des transistors MOS Mil réalisé par la diffusion de type N référencée N 3 sur la figure 2 est relié à une tension de polarisation VDD. D'autre part la source des transistors MOS Mil est connectée par l'intermédiaire de transistors MOS Mi 2 jouant le role d'interrupteur 5 à une charge MC On utilise, dans le mode de réalisation représenté, une charge unique pour tous les étages suiveurs ce qui permet de limiter la puissance Toutefois, on pourrait aussi dans le cadre de l'invention, utiliser une charge par étage suiveur comme représenté par Mic, M 2 C sur la figure 5 Dans ce cas, la source de chaque 10 transistor MOS Mil est connectée à la charge Mic et à un transistor MOS Mi 2 Cette charge Mc est constituée par un transistor MOS à dépletion dont la grille G 3 est connectée à la source réalisée par la diffusion de type N référencée N 6 + sur la figure 2, cette source étant polarisée par une tension continue VSS Toutefois, la charge 15 pourrait être réalisée par d'autres types de source de courant ou par une résistance. D'autre part, chaque grille G 2 des transistors MOS interrupteurs Mi 2 est reliée à une des sorties d'un registre à décalage logique R à entrée série et sorties parallèles Comme expliqué de 20 manière plus détaillée ci-après, le registre à décalage R permet d'adresser et de rendre passant un des transistors MOS Mi 2, en conséquence d'effectuer le multiplexage des différents étages suiveurs. L'étage de lecture 2 comporte de plus des moyens de remise à 25 zéro Ces moyens de remise à zéro sont réalisés par des transistors MOS Mi 3 dont la porte G 4 est connectée à la sortie du registre à décalage logique R correspondant à l'étage suiveur précédent La source induite des transistors MOS Mi 3 est constituée par la capacité de stockage de la zone d'intégration correspondante et le 30 drain réalisé par une diffusion de type N référencé N 7 + est connecté à une tension continue VRAZ Dans le mode de réalisation représenté, on utilise le même registre à décalage logique R pour commander les transistors MOS interrupteur Mi 2 et les transistors MOS Mi 3 de remise à zéro ce qui nécessite un étage de plus que le nombre de cellules ou l'utilisation d'un registre à décalage bouclé. Toutefois, on pourrait envisager d'utiliser deux registres à décalage indépendants. On va expliquer maintenant le fonctionnement du dispositif décrit ci-dessus avec référence en particulier à la partie inférieure de la figure 2 Cette partie représente le potentiel de surface dans le substrat 5 lors de la lecture d'un étage. La partie gauche représente le potentiel sous la zone d'intégration d'une cellule I qui est réalisée de manière connue par la 10 diode D, la grille GC et la capacité de stockage GST constituant un transistor MOS dont la diode D est la source et dont la capacité est le drain induit. Ce transistor MOS est polarisé en régime de saturation car la tension VGST appliquée à la grille GST est supérieure à la tension 15 continue VGC appliquée à la grille Gc Le niveau des charges sur la diode D s'aligne sur le potentiel proche du potentiel constant existant sous la grille GC La cathode K de la photodiode est polarisée par la tension continue VSD choisie pour être par exemple égale à O Volt. Les charges créées dans le détecteur par le rayonnement sont stockées dans la capacité sous la grille de stockage polarisée par VGST comme cela est représenté symboliquement sur la figure 2, o les zones hachurées indiquent la présence de porteurs minoritaires par rapport au substrat 5. La lecture des charges intégrées dans une des zones d'intégration est réalisée lorsque la sortie i correspondante du registre à décalage R est au niveau logique I de sorte que la grille du transistor MOS Mi 2 correspondant reçoive une tension élevée rendant passant ledit transistor, toutes les grilles des autres transistors 30 MOS jouant le role d'interrupteur recevant un niveau logique O bloquant lesdits transistors Dans ce cas, le transistor MOS Mi 2 se comporte comme une résistance, le transistor MOS MC, à savoir la charge, se trouve connecté au transistor suiveur Mil et on obtient donc un étage suiveur classique, la tension de polarisation VDD étant choisie très supérieure à la tension de polarisation V 55 comme représenté sur la figure 2. La diffusion N 2 réalisée à droite de la grille de stockage GST et connectée à la grille G 1 du transistor MOS Mil permet d'obtenir au niveau de cette grille un potentiel représentatif du potentiel sous la grille de stockage. En effet comme représenté sur la figure 2 le potentiel au niveau de la diffusion N 2 + est toujours égal au potentiel sous la grille GST quel que soit ce potentiel Comme la diffusion N 2 + à 10 savoir la diode D' est reliée à la grille G 1, le potentiel sous cette grille s'aligne, en prenant en compte la différence de potentiel due à l'isolant, sur le potentiel au niveau de la diffusion N 2 +. De plus, comme dans le cas de la lecture le transistor Mi 2 est équivalent à une résistance, le potentiel au niveau de la diffusion + N 5 s'aligne sur le potentiel au niveau de la diffusion N 4 Or le potentiel au niveau de la diffusion N 4 + est fonction du potentiel sous la grille Gi, car dans un étage suiveur la différence de potentiel t Obest une constante On obtient donc au niveau de la diffusion N 5 une tension représentative de la tension sous la grille de stockage. 20 Cette tension est envoyée à travers un amplificateur A sur la borne de sortie S du dispositif photosensible. On a représenté en pointillé sur la figure 2, le potentiel sous la grille G 2 lorsqu'un niveau logique O est appliqué sur cette grille On voit que, dans ce cas, le courant ne peut pas s'écouler du transistor 25 MOS de charge MC vers le transistor MOS suiveur Mil En conséquence, seule l'entrée sélectionnée contribue à la consommation du circuit. En ce qui concerne les différentes tensions de polarisation, elles doivent être choisies de telles sorte que 30 VSM, VSD VGC -'" VSD + VT o VT est la tension de seuil d'un transistor MOS SM VSS A tire d'exemples, les valeurs ci-après peuvent être prises pour les différentes tensions, en supposant que VT = 2 Volts sur tous les transistors MOS sauf sur les transistors Mc, Mi C o la tension de seuil est négative. Exemple 1 VSM = 3 VX VSD = O, VGC 2 V, Vss = 3 V VGST = 15 V, VRAZ = 12 V, VDD= 14 V Exemple 2 VSM= VSD = Vss =OV, VGC 2 V VGST = VDD = VRAZ = 15 V. De plus VEL représente les impulsions logiques envoyées en 15 entrée du registre R et qui sont décalées sous l'action d'impulsions horloge H. Après avoir lu l'information sur l'entrée i, on décale le niveau logique "'1 " du registre à décalage R d'un étage sous l'action de l'horloge H On réalise donc, la lecture de l'entrée i+l. Conformément à la présente invention, le niveau logique " 1 " est appliqué sur la grille G 4 du transistor MOS Mi 3 de remise à niveau qui est rendu passant Les charges qui se trouvent sous la grille de stockage GST sont alors évacuées vers la source de tension VRAZ qui peut être choisie égale à la tension VDD On effectue 25 ainsi la réinitialisation de la valeur de la capacité de stockage de l'entrée i pendant la lecture de l'entrée i+ 1 En fait, pendant cette remise à zéro de la capacité de stockage, les charges délivrées par la photodiode sont directement évacuées vers la source de tension VRAZ et donc inexploitées Toutefois, ceci n'est pas génant, car le 30 nombre de cellules de détection et d'intégration est en pratique relativement élevé et la fraction des charges inexploitées reste donc en réalité négligeable. D'autre part selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, en réglant convenablement la valeur de la tension du niveau logique "O" du registre à décalage, on assure une fonction d'anti-éblouissement En effet, les charges en excès peuvent déborder par dessus la barrière de potentiel créée sous la grille G 4 vers la source de tension VRAZ avant que le débordement ne soit possible vers les autres étages d'entrée. Cette fonction d'anti-éblouissement peut être réalisée de deux façons. En utilisant, l'enseignement du brevet français 82 11205 au nom de THOMSONCSF, on obtient un effet d'anti-éblouissement 10 lorsque: 1 ) les substrats sont polarisés à des tensions VSM et VSD répondant aux équations suivantes VSD VSM VSD 1 Vcomaxio Vcomax est un majorant de la tension de circuit ouvert des photodiodes (de l'ordre de 20 à 50 m V) et, 2 ) l'une des grilles de l'étage d'entrée est commandée par une tension pulsée. Dans le cas de la présente invention, seule la première condition doit être réalisée. On peut alors créer entre les différents étages d'entrée, des barrières d'isolement suffisamment hautes pourqu'en cas de suréclairement, le point de polarisation de la photodiode puisse se déplacer de sa position nominale jusqu'au point de circuit ouvert o le courant de la photodiode s'annule avant qu'il y ait débordement vers les 25 autres entrées Ceci se produit si le niveau logique "O" est suffisamment bas Si le niveau logique "O" n'est pas suffisamment bas, il y a débordement par dessus la barrière de potentiel créée sous la grille G 4 avant qu'on ait atteint le point de circuit ouvert Toute30 fois, ce débordement se fait vers la tension de polarisation VRAZ ce qui n'est pas gènant Dans les deux cas, il y a protection contre l'éblouissement. D'autre part, si l'on n'utilise pas l'enseignement du brevet français 82 11205, la condition pour réaliser l'anti-éblouissement est que le niveau logique "O"> VT En effet, en supposant VSM = VSD = O, les barrières d'isolement entre étages d'entrée ne peuvent pas être inférieures à VSM = O En particulier, on ne peut pas avoir des barrières d'isolement a I Vcomax i Il en résulte que le courant de la photodiode ne peut jamais s'annuler Il y aura donc débordement. Toutefois, on cherche à réaliser ce débordement sous la grille G 4 vers la tension VRAZ pour qu'il ne soit pas génant Si les autres 10 isolements entre étages d'entrée sont à VSM = O, il faut que le potentiel de surface sous la grille G 4 soit toujours supérieur à O Il faut donc que la tension appliquée sur la grille G 4 soit toujours supérieure à VT, d'o la condition rappelée ci-dessus. On décrira maintenant avec référence à la figure 3, l'appli15 cation de la présente invention à un dispositif photosensible à l'état solide du type matriciel Le dispositif matriciel représenté est constitué de deux lignes à trois cellules de détection et d'intégration Pour simplifier le dessin, les photodiodes prévues sur un substrat indépendant n'ont pas été représentées Chaque ligne pré20 sente la même structure que le dispositif photosensible décrit avec référence à la figure 1. A chaque photodiode sont donc associés une diode D, une partie de la grille de controle GC, une partie de la grille de stockage GST, un transistor MOS suiveur Mil, un transistor MOS Mi 2 25 jouant le role d'interrupteur et un transistor MOS Mi 3 de remise à zéro Toutefois le registre à décalage logique R commandant les transistors MOS Mi 2 est commun à l'ensemble des lignes. D'autre part dans le mode de réalisation représenté, le dispositif photosensible comporte une seule sortie S, le multiplexage des 30 différentes lignes étant réalisé de manière semblable au multiplexage des différentes cellules dans le cas de la figure 1 A savoir, un transistor MOS M 3 jouant le role d'interrupteur est monté entre la source des transistors Mi 2 et la charge unique MC, ces transistors MOS M 3 étant commandés par un registre à décalage R' à entrée série/sorties parallèles dans lequel on fait avancer sous l'action d'une horloge H' un niveau logique 1. L'horloge H' est choisie de manière que, pendant une impulslion, on fasse défiler tout le registre R. D'autres modes de réalisation pourraient être envisagés. Ainsi, on peut envisager de connecter en bout de chaque ligne une charge MC et un amplificateur A, les sorties de chacun des amplificateurs étant connectées à une entrée d'un multiplexeur qui peut être réalisé, par exemple, par un dispositif à transfert de 10 charge ou par un réseau de transistors MOS. La figure 4 est une vue semblable à celle de la figure 2, la seule différence réside dans le fait que le dispositif photosensible à l'état solide étant destiné à détecter un rayonnement visible, les détecteurs sont intégrés sur le substrat 5 Dans le présent cas, la 15 cellule de détection photonique et d'intégration est réalisée à l'aide d'un seul élément à savoir un photo MOS Il ne reste plus au niveau de l'entrée des charges, qu'une seule grille de stockage GST reliée à une tension de polarisation VGST. En ce qui concerne le fonctionnement des dispositifs des 20 figures 3 et 4, il est identique à celui décrit avec référence à la figure 2 et il ne sera pas décrit à nouveau. REVENDICATIONS 1 Un dispositif photosensible à l'état solide du type comportant au moins une cellule ( 1) de détection photonique et d'intégration des charges reliée à un étage de lecture ( 2) donnant en sortie un signal électrique d'analyse d'images caractérisé en ce que l'étage de lecture est constitué par: des moyens de lecture en tension (Mil MC) reliés chacun à une cellule ( 1) de détection et d'intégration par l'intermédiaire d'un moyen (D') permettant de lire le potentiel correspondant à la quantité de charges dans la zone d'intégration de ladite cellule ( 1); 10 au moins un moyen d'adressage (R, Mi 2) pour adresser séquentiellement un des moyens de lecture; et des moyens (Mi 3) de remise à zéro de la cellule de détection et d'intégation précédemment lue. 2 Un dispositif photosensible selon la revendication I carac15 térisé en ce que chaque moyen de lecture est constitué par un étage suiveur. 3 Un dispositif photosensible selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'étage suiveur est réalisé par un transistor MOS (Mil) monté entre une charge (Mc),et une tension de polarisation 20 (VDD) et dont la grille est connectée au moyen (D') permettant de lire le potentiel correspondant à la quantité de charges dans la zone d'intégration. 4 Un dispositif photosensible selon l'une quelconque des revendications 2 et 3 caractérisé en ce que la charge (MG) est commune à 25 l'ensemble des étages suiveurs. Un dispositif photosensible selon la revendication 4 caractérisé en ce que la charge (MC) est connectée aux transistors MOSsuiveurs (Mil) par l'intermédiaire du moyen d'adressage (R, Mi 2). 6 Un dispositif photosensible selon l'une quelconque des reven30 dications 3 à 5 caractérisé en ce que la charge (MC) est constituée par une résistance de charge ou par un transistor MOS (MC) monté en source de courant; 7 Un dispositif photosensible selon l'une quelconque des revendications I à 6 caractérisé en ce que le moyen (D') permettant de lire le potentiel correspondant à la quantité de charges dans la zone d'intégration de la cellule ( 1) est constitué par une diffusion (N 2 +) d'un type de dopage opposé à celui du substrat. 8 Un dispositif photosensible selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le moyen d'adressage est constitué par un registre à décalage logique (R) à entrée série et sorties parallèles dont chaque sortie est reliée par l'intermédiaire 10 d'un interrupteur (Mi 2) à un des moyens de lecture. 9 Un dispositif photosensible selon la revendication 8 caractérisé en ce que l'interrupteur est constitué par un transistor MOS (Mi 2) monté entre chaque sortie des transistors MOS (Mil)-suiveurs et la charge (Mc), la grille dudit transitor MOS (Mi 2) étant 15 commandée par une des sorties (i) du registre à décalage (R). Un dispositif photosensible selon l'une quelconque des revendications I à 9 caractérisé en ce que chaque moyen de remise à zéro est constitué par un transistor MOS (Mi 3) monté entre la zone d'intégration (GST) d'une cellule ( 1) et une tension de polarisation 20 (VR Az), la grille dudit transistor MOS (Mi 3) étant commandée par la sortie (i-l) du registre à décalage (R) correspondant au moyen de lecture précédent. 11 Un dispositif photosensible selon la revendication 10 caractérisé en ce que les transistors MOS (Mi 3) des moyens de remise à 25 zéro sont utilisés comme dispositif anti-éblouissement. 12 Un dispositif photosensible selon l'une quelconque des revendications I à Il caractérisé en ce que, dans le cas d'un dispositif photosensible de type matriciel, il comporte de plus un moyen pour réaliser le multiplexage des différentes lignes de la 30 matrice. 13 Un dispositif photosensible selon la revendication 12 caractérisé en ce que le moyen pour réaliser le multiplexage des différentes lignes de la matrice est constitué par un registre à décalage à transfert de charges à entrées parallèlles et sortie série,dont chaque entrée est connectée à la sortie de l'étage de lecture de chaque ligne. 14 Un dispositif photosensible selon la revendication 12 caractérisé en ce que le moyen pour réaliser le multiplexage des 5 différentes lignes de la matrice est constitué par des interrupteurs (M.) montés sur chaque ligne entre la sortie des interrupteurs (Mi 2) de colonne et une charge unique (Mc), lesdits interrupteurs (M 3) étant commandés par un registre à décalage logique (R') à entrée série et sorties parallèles. 15 Un dispositif photosensible selon la revendication 14 caractérisé en ce que les interrupteurs sont constitués par des transistors MOS (MJ).