Brevet FR2554955A1 — publié le 19850517

I BARRETTE MULTI-LINEAIRE A TRANSFERT DE CHARGE La présente invention concerne une barrette multi-linéaire à transfert de charge. Selon l'art antérieur, on connait de telles barrettes qui sont utilisées par exemple pour capter des images radiologiques. Ces barrettes vont être décrites en se référant aux figures 1 et 2. Dans ces barrettes, on utilise N éléments photosensibles alignés, des photodiodes par exemple appelées D1, D2..' DN sur la figure 1. Ces N éléments photosensibles reçoivent successivement le rayonnement à détecter. Sur la figure 1, on a indiqué par une flèche allant de gauche à droite le sens de défilement de la barrette devant l'objet ou le corps I qui émet le rayonnement à détecter. Le temps d'intégration est ainsi multiplié par un facteur N à condition de sommer en syn- chronisme avec le défilement les informations recueillies sur les différents détecteurs. Pour sommer en phase les informations col- lectées il faut leur apporter des retards de valeurs T, 2T, 3T..; NT, o T est le temps de passage de l'objet ou du corps qui émet le rayonnement devant chaque détecteur, c'est aussi le temps d'inté- gration de chaque détecteur.' On a représenté schématiquement sur la figure I qu'un retard T est apporté à l'information issue du détecteur D1 avant d'être envoyée sur un sommateur, un retard 2T est apporté à l'information issue du détecteur D2... et ainsi de suite. Le temps d'intégration étant multiplié par N et les bruits de lecture s'ajoutant de façon quadratique, on obtient un gain sur le rapport signal sur bruit égal à VN. Lorsque ces barrettes sont utilisées pour capter des images radiologiques, l'augmentation du rapport signal sur bruit permet de diminuer la dose de rayons X utilisée, pour un même temps d'exposition. Le dispositif représenté sur la figure 1 - hormis les détecteurs D1 à DN est connu dans la littérature anglo-saxonne sous le nom de "Time Delay Intégration" ou TDI et c'est par ces initiales que nous le désignerons par la suite. Il est connu de réaliser un TDI par un registre à décalages à transfert de charge à entrées parallèles et sortie série. Dans l'exemple de la figure 1, l'information issue du détecteur DN est envoyée sur le premier étage du registre, puis se trouve transférée dans le deuxième étage o elle est sommée avec l'information issue du détecteur DN_1... et ainsi de suite. On signale que dans les barrettes multi-linéaires à transfert de charge connues, on entre les informations sur les TDI en tensions, c'est-à-dire que les charges stockées dans les détecteurs sont lues en tensions et ce sont ces tensions qui commandent l'injection des charges dans les TDI. Lorsque les capacités des détecteurs et de leurs connexions sont importantes, c'est le cas pour les applications du type radiologie, on ne dispose plus que de faibles tensions pour commander l'injection ce qui est un inconvénient. Pour réaliser une barrette multi-linéaire à transfert de charge pour la radiologie on utilise un grand nombre de dispositifs tel que celui représenté sur la figure 1. On juxtapose sur un support M circuits comportant chacun N lignes et P colonnes de détecteurs, avec les N détecteurs d'une même colonne reliés à un TDI comme sur la figure 1. On obtient ainsi par exemple, une barrette de 50 cm de long, constituée de M = 50 barrettes élementaires comportant chacune P = 40 colonnes de détecteurs, et d'l cm de large, avec N, le nombre de lignes, égal à 20. La présente invention concerne une barrette multi-linéaire à transfert de charge comportant plusieurs lignes d'éléments photo- sensibles, chaque ligne recevant successivement le rayonnement à détecter et comportant des registres à décalages à transfert de charge qui assurent la sommation en phase des informations col- lectées sur les détecteurs occupant une même position sur les diverses lignes, caractérisée: - par la présence d'un dispositif d'injection en charges de l'information entre chaque connexion reliée à un détecteur et une entrée d'un registre à décalages à transfert de charge, ce dispositif assuant également la polarisation du détecteur; - par le fait que les registres à décalages à transfert de charge ont des entrées, en parallèle, latérales, et une sortie série, que les étages de ces registres ont une capacité croissante selon le sens du transfert des charges et que le sens du transfert est parallèle aux connexions. La présente invention concerne un mode de réalisation original d'une barrette multi-linéaire à transfert de charge. Par rapport aux barrettes connues, la barrette selon l'invention est très compacte. De plus, on remarque que les informations collectées sur les détecteurs sont injectées sous forme de charges dans les TDI, sans conversion préalable en tensions, ce qui est un avantage. Les dispositifs d'injection en charges ou DIC utilisés permettent de réaliser une adaptation d'impédance entre d'une part la capacité importante de chaque connexion, qui relie un détecteur à la partie traitement de l'information de la barrette, placée à l'abri du rayonnement, et d'autre part, la faible capacité d'un étage de registre à décalages à transfert de charge. On réalise ainsi une injection précise et efficace qui est encore améliorée par divers perfectionnements tels que l'utilisation de deux charges d'en- tralnement.' Dans un mode de réalisation préféré, on utilise un drain d'évacuation des charges en excès placé au niveau des DIC.- Les diodes utilisées, par exemple dans les applications du type radio- logie, ont une forte capacité et s'il y a suréclairement ce sont d'abord les registres à décalages à transfert de charge qui sont saturés. L'utilisation de drains d'évacuation au niveau des DIC permet de protéger les registres sans augmentation sensible de l'encombrement. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent: - les figures 1 et 2, des schémas de l'art antérieur, montrant les connexions entre un TDI et des détecteurs D1 à DN, et montrant la structure générale d'une barrette multi-linéaire à transfert de charge; - la figure 3, le schéma d'un mode de réalisation selon l'invention d'un TDI; - la figure 4, un schéma montrant de façon plus détaillée que la figure 3 la structure d'un mode de réalisation préféré d'un dispositif d'injection en charges; les figures 5a, b, et 6a, b, des vues en coupe effectuées sur le schéma de la figure 4 et des diagrammes expliquant le fonction- nement; - la figure 7, le schéma d'un mode de réalisation d'une barrette élémentaire; - la figure 8, une vue en coupe de la figure 7. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions de divers éléments ne sont pas respectées. Sur la figure 3 est représenté le schéma d'un mode de réalisation d'un TDI.- Des connexions parallèles, verticales sur la figure, C1 à CN, sont reliées à des détecteurs D1 à DN. On rappelle qu'une barrette multi-linéaire à transfert de charge comporte plu- sieurs lignes d'éléments photosensibles. Chaque ligne reçoit succes- sivement le rayonnement à détecter. Chaque TDI est relié à N détecteurs qui occupent une même position, c'est-à-dire une même colonne, sur les diverses lignes. Chaque connexion est reliée par l'intermédiaire d'un dispositif d'injection en charges ou DIC à l'entrée d'un étage d'un registre à décalages à transfert de charge de N étages. Ce registre a des entrées, en parallèle, et latérales, et une sortie série. Dans le mode de réalisation de la figure 3, on a utilisé un registre à décalages à transfert de charge dont chaque étage est constitué par un couple d'électrodes relié à un signal de commande 01 et par un couple d'électrodes relié à un signal de commande 02 Dans chaque couple, l'une des électrodes est une électode de stockage et l'autre une électrode de transfert. La dissymétrie dans les potentiels de surface nécessaire pour rendre unilatéral le trans- fert est réalisée par exemple par une surépaisseur d'oxyde ou par une implantation d'impuretés de même type que le substrat. De même, on peut utiliser un registre présentant un nombre quelconque de phases de commande. Sur la figure 3, l'injection des charges se fait sur la phase 0O. Dans le mode de réalisation de la figure 3, les DIC sont en contact avec l'extrémité de droite des électrodes de stockage reliées au signal d'horloge 01. Les DIC pourraient aussi, par exemple, être en contact avec l'extrémité gauche de ces électrodes ou avec leur partie supérieure. Le sens de transfert des charges dans le registre est vertical, de bas en haut, et parallèle aux connexions. Les étages de ce registre ont une capacité croissante selon le sens du transfert. L'augmentation de capacité se fait de préférence par augmentation de la surface des électrodes. On peut doubler la capacité du registre d'un étage au suivant. Par la connexion CN on transfère dans le registre les charges provenant du détecteur DN. Ces charges sont transférées dans le registre à décalage à partir du DIC relié à la connexion CN. Il y a transfert de ces charges vers Pétage suivant, puis il se produit le transfert dans cet étage du registre par la connexion CN_1 des charges provenant du détecteur DN.1 Et ainsi de suite.:-; le registre affecte de retards décroissants de valeurs NT, (N-1).T.;. les charges provenant des détecteurs DN à- D1 et ce registre réalise aussi la sommation des charges. La disposition adoptée sur la figure 3 est particulièrement- avantageuse du point de vue de la compacité de la barrette.' - Le dernier étage du registre comporte un dispositif pour lire les charges. Ce dispositif peut être par exemple constitué par une grille de sortie G5, suivie par une diode de lecture DL à laquelle sont reliés un étage suiveur Si qui fournit le signal de sortie S et par un Z'554955 transistor de remise à zéro TRAz dont la grille est commandée par le signal 02 et qui reçoit une tension continue VR. Sur les figures 4, 5 et 6, on a représenté un mode de réalisation préféré des DIC de la figure 3. Sur la figure 4 qui est une vue de dessus, on constate que chaque DIC comporte: - une diode d'injection des charges di reliée à une connexion Ci; - une grille-écran P portée à un potentiel constant; - une grille de stockage CI; - une grille d'injection C qui contrôle le passage des charges vers l'entrée d'un étage d'un registre à décalages à transfert de charge; - une diode DB d'évacuation des charges reliée latéralement à la grille de stockage C1. La figure 5a est une vue en coupe dans la direction BB' du dispositif de la figure 4. On remarque que le DIC est réalisé sur une diffusion N/P. On pourrait aussi utiliser une diffusion P/N.' Les transferts s'effectuent donc en volume ce qui diminue le bruit. De même, les registres comportent de préférence des diffusions pour que les transferts s'effectuent en volume. Sous la grille P, il existe une compensation 1 qui élève partiellement le seuil et dont le rôle sera expliqué plus loin. De même, il existe une compensation 2 sous la grille C. Sur la figure 5b, on a représenté les profils de potentiels à deux périodes a et b. Pendant la période a, s'opère le transfert des charges vers l'étage du registre qui est représenté sur les figures 5a et b. Les grilles C1 et C sont au niveau bas. Sur la diode d'injection di et sous la grille-écran P se trouve la charge-signal Q5 provenant du détecteur Di. Pendant la période b, les grilles C1 et C sont portées à des niveaux hauts. Il y a transfert vers ces grilles d'une quantité de charges égale à QS + QO, o QO constitue une première charge d'entraînement destinée à améliorer le transfert des charges au niveau de la grille P. La charge d'entraînement QO est retenue sous la grille C1 alors que la chargesignal Q5 est transférée dans le registre o elle s'ajoute aux charges-signal provenant d'autres détec- teurs. On choisit les niveaux hauts appliqués aux grilles C1 et C pour que la charge d'entaînement QO soit retenue sous la grille Ci. La grille-écran P sert essentiellement à la polarisation des détecteurs.' Elle définit le potentiel de référence des détecteurs au début de leur temps d'intégration. Cela se produit à chaque lecture lorsque les charges en excès par rapport au potentiel de référence sont transférées sous la grille Cl. La compensation I à cheval sous la grille P et qui élève partiellement son seuil améliore ce dé- couplage entre le potentiel de référence et le potentiel sous la grille Cl. Sous la grille C, il y a aussi une compensation 2 qui élève son seuil. Ainsi, lorsque les grilles C et C1 passent au niveau bas, la charge d'entraînement QO est restituée sous la grille P et la diode di et non dans le registre. Pour améliorer le transfert des charges-signal QS au niveau de la grille C, on utilise une deuxième charge d'entraînement QI. La charge d'entraînement QI est de préférence transférée dans le DIC en même temps que la charge-signal QS. Elle peut être générée par un éclairement supplémentaire des détecteurs ou, par exemple, par un registre à décalages à transfert de charge ou des transistors MOS assurant l'injection d'une quantité de charges sup- plémentaire au niveau des connexions C1.;.CN par exemple. La deuxième charge d'entraînement QI est de l'ordre du 1/10e ou du 1/20e de la chargesignal moyenne, alors que la première charge d'entraînement Q0 est de l'ordre de 3 à 5 fois la charge-signal maximum.'Elle est transférée dans le registre en même temps que les charges-signal Q5. Le DIC des figures 4 et 5 constitue un mode de réalisation préféré, très perfectionné. Le mode de réalisation de base d'un DIC comporte la diode di la grilleécran P, la grille de stockage C1 et la grille d'injection C. Dans des modes de réalisation plus perfectionnés, on ajoute les compensations 1 et 2 sous les grilles P et C, le système pour générer la deuxième charge d'entraînement... A partir du mode de réali- sation des figures 4 et 5, découlent donc d'autres modes de réali- sation de DIC, moins performants. De même les DIC et les registres peuvent fonctionner avec des transferts en surface. On a vu dans l'introduction à la description que dans le cas d'une utilisation en radiologie, les détecteurs présentent une forte capacité.- En cas de suréclairement les registres sont saturés les premiers, ils peuvent avoir par exemple une capacité de stockage 10 fois plus faible que celle des détecteurs. Pour des raisons d'encombrement, il n'est pas très souhaitable d'utiliser des drains d'évacuation au niveau des registres. On préfère disposer un drain d'évacuation au niveau des DIC. Dans le mode de réalisation de la figure 4, ce drain est constitué par une diode DB connectée à la grille C1. La diode DB est placée latéralement par rapport à la grille C1. La figure 6a est une vue en coupe selon la direction DD', D'B' indiquée sur la figure 4 et la figure 6b montre le profil de potentiel en cas de suréclairement pour le dispositif de la figure 6a. Lorsqu'il y a excès de charge sous la grille C1, il y a transfert vers la diode DB. Pour obtenir un bon transfert à faible bruit, l'ensemble des grilles P, C1, C ainsi que le registre à décalages à transfert de charge sont réalisés sur une diffusion, par exemple N/P sur la figure 6a, de façon à effectuer tous les transferts en volume, mais la zone diffusée N est interrompue dans la zone E - voir figure 6a - au voisinage de la diode DB. Le potentiel dans cette zone est tel que le transfert s'y effectue en surface. On obtient une barrière de potentiel qui détermine la quantité maximum de charge stockable sous la grille C1. Dans une variante, la zone diffusée N n'est pas interrompue dans la zone E, au voisinage de la diode DB.' On réalise alors sous la grille Cl, au voisinage de la diode DB, une compen- sation plus forte que la compensation 2 existant sous la grille C ce qui permet d'avoir un seuil plus élevé au voisinage de la diode DB pour moduler la quantité de charge stockée sous la grille C1. On constate que sur la figure 3 les diodes d'injection des charges D1 à DN_1 débutent toutes au même niveau sur les connexions. Il serait possible de limiter la hauteur des diodes d'injection à la dimension des grilles P, Ci, C.;. des DIC. L'augmen- tation de la surface de ces diodes permet le passage de connexions telles que celles qui amènent les signaux d'horloge 1 et P2 aux TDI voisins. Sur la figure 7, on a représenté de façon détaillée l'une des barrettes élémentaires représentée sur la figure 2 et dont il faut réunir M exemplaires pour obtenir une barrette multi-linéaire à transfert de charge. L'ensemble de la barrette est de préférence réalisé sur le même substrat semi-conducteur. 1.5 Cette barrette comporte une zone photosensible constituée de N lignes et P colonnes de détecteurs. On peut considérer que chaque colonne constitue un point de résolution. Dans le mode de réalisation de la figure 7, les détecteurs sont des photodiodes ayant une forme rectangulaire d'envirion 250 microns de long et 500 microns de large. L'intervalle entre les photodiodes est d'envision 10 microns pour augmenter au maximum la sensibilité.' Il y a sur chaque colonne de détecteurs, N connexions verticales C1 à CN qui relient l'un des détecteurs à une entrée d'un TDI. Ces connexions sont réalisées en matériau conducteur semi- transparent, en silicium polycristallin par exemple. Elle sont aussi fines que possibles pour ne pas trop diminuer la sensibilité, par exemple leur largeur est de 5 microns et elles sont séparées par un intervalle de 5 microns. Ces connexions s'étendent sur toute la largeur de la zone photosensible pour équilibrer les sensibilités de toutes les photodiodes. Le circuit de la figure 7 comporte donc faisant suite à la zone photosensible P organes DIC et P organes TDI, c'est-à-dire un DIC et un TDI par colonne de photodiodes. Un registre à décalages adresse l'un après Pautre chacun de ces TDI. L'adressage se fait par la grille de transistors MOS de commutation T1 à TN reliés entre un point commun K et la sortie d'un étage suiveur S1 à SN connecté à la sortie d'un TDI. Ces étages suiveurs délivrent une tension sur impédance moyenne. Le point K reçoit successivement les infor- mations de chaque TDI et les délivre sur la sortie S à travers un amplificateur de sortie basse impédance A. On peut utiliser le même registre à décalages pour adresser successivement tous les TDI d'une barrette comportant plusieurs barrettes élémentaires telle que celle de la figure 7. On protège les DIC, les TDI et la partie multiplexage et sortie de la barrette par un écran. Une zone morte est ménagée entre la zone photosensible et les TDI pour permettre de positionner sans difficulté le bord de Pécran. Un avantage du dispositif selon l'invention est que la polaisation des détecteurs est réalisée par les DIC qui sont protégés du rayonnement. Lorsque la barrette multi-linéaire à transfert de charge est utilisée en radiologie, la zone photosensible est placée par exemple, derrière un scintillateur qui reçoit des rayons X. Cette zone photosensible reçoit une lumière visible mais se trouve traversée par un flux de rayons X. Dans ces conditions pour éviter toute dérive des carac- téristiques, il est important que la zone photosensible ne comporte aucun transistor MOS et aucun dispositif à transfert de charge. De plus on réalise cette zone sur un substrat épitaxié, une zone P sur un substrat P+ par exemple, comme on peut le voir sur la figure 8 qui est une vue en coupe d'un détecteur selon la direction AA' indiquée sur la figure 7. L'épaisseur utile de la couche épitaxiée est faible, de 15 microns environ par exemple. Les rayons X n'ont que peu de chance d'être absorbés dans cette zone ce qui générerait un afflux de charges parasites. un afflux de charges parasites. REVENDICATIONS 1. Barrette multi-linéaire à transfert de charge, comportant plusieurs lignes (N) de détecteurs photosensibles (ô 1..;DN), chaque ligne recevant successivement le rayonnement à détecter et com- portant des registres à décalages à transfert de charge qui assurent la sommation en phase des informations collectées sur les détec- teurs (D.;. DN) occupant une même position sur les diverses lignes, caractérlsée: par la présence d'un dispositif d'injection en charges (DIC) de l'information entre chaque connexion (C1...CN) reliée à un détecteur (Di.. DN) et une entrée d'un registre à décalages à transfert de charge, ce dispositif assurant également la polarisation du détecteur; - par le fait que les registres à décalages à transfert de charge ont des entrées, en parallèle, latérales, et une sortie série, que les étages de ces registres ont une capacité croissante selon le sens du transfert des charges et en ce que le sens du transfert est parallèle aux connexions (CI...CN). 2. Barrette selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque dispositif d'injection en charges (DIC) est constitué par: - une diode d'injection (di) des charges reliée à l'une des connexions (C1..;CN); une grille écran (P) portée à un potentiel constant; - une grille (C1) qui permet de retenir une quantité de charges dite première charge d'entraenement (Qo), destinée à améliorer le transfert des charges sous la grille-écran (P), et qui est ensuite restituée vers la grille-écran (P) et la diode d'injection (di); - une grille d'injection (C) qui contr8le le passage des charges vers l'entrée d'un étage d'un registre à décalages à transfert de charge. 3. Barrette selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'il existe sous la grille d'injection (C) une compensation (2) qui élève son seuil.- 4. Barrette selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce qu'il existe sous la grille écran (P) une compensation qui élève partiellement son seuil. 5. Barrette selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens permettant de superposer aux chargessignal provenant de chaque détecteur une deuxième charge d'entraînement (QI) destinée à améliorer le transfert par-dessus la grille d'injection (C) et qui est transférée dans un registre avec les charges-signal (Q5). 6. Barrette selon la revendication 5, caractérisée en ce que ces moyens consistent en un éclairage supplémentaire des détec- teurs. 7. Barrette selon la revendication 5, caractérisée en ce que ces moyens sont constitués par des transistors MOS ou par un registre à décalages à transfert de charges assurant l'injection d'une quantité de charge supplémentaire sur chaque connexion (C1i..;CN). 8. Barrette selon l'une des revendications 2 à 7 caractérisée en ce que chaque dispositif d'injection en charges (DIC) comporte un drain d'évacuation latéral constitué par une diode (DB) reliée à la grille (C1) qui retient la première charge d'entraînement (Qo). 9. Barrette selon Pune des revendications I à 8 caractérisée en ce que les registres à décalages et les dispositifs d'injection des charges comportent des diffusions de façon à ce que tous les transferts s'effectuent en volume. 10. Barrette selon les revendications 8 et 9 caractérisée en ce que la diffusion est interrompue au voisinage de la diode (DB) servant de drain pour que le transfert s'effectue en surface entre le dispositif d'injection des charges (DIC) et cette diode (dB).' 11. Barrette selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'il existe sous la grille (C1) qui retient la première charge d'en- traînement (QO) au voisinage de la diode (DB) du drain une compen- sation qui élève partiellement son seuil. 12.- Barrette selon Pl'une des revendications I à 11, caractérisée en ce qu'elle est réalisée sur un même substrat semi-conducteur.' 13. Barrette selon l'une des revendication I à 12, caractérisée en ce qu'elle est constituée par la juxtaposition sur un support de barrettes élémentaires comportant N lignes et P colonnes de détec- teurs, des registres à décalages à transfert de charge, des dispositifs d'injection des charges (DIC) et des organes de multiplexage et sortie. 14. Barrette selon l'une des revendications I à 13, caractérisée en ce que, hormis la zone de la barrette comportant les éléments photosensibles, le reste de la barrette est protégé par un écran. 15. Barrette selon l'une des revendications 1 à 14, destinée à une utilisation en radiologie, caractérisée en ce que les éléments photosensibles sont réalisés sur un substrat épitaxié. 16.' Barrette selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisée en ce que les connexions (C1..:CN) s'étendent sur la totalité de la zone de la barrette comportant les éléments photosensibles.'