Brevet FR2600853A1 — publié le 19871231

DISPOSITIF A TRANSFERT DE CHARGES (DTC), ELIMINATEUR DU NIVEAU DE FOND D'UN SIGNAL DETECTE, STRUCTURE DE DETECTION ET PROCEDE D'UTILISATION D'UN TEL DTC. L'invention concerne un dispositif à transfert de charges (DTC), éliminateur du niveau de fond d'un signal détecté, muni d'un circuit d'entrée et d'un circuit de transfert, ledit signal étant détecté à l'aide du circuit d'entrée qui comprend - une source d'injection de charges reliée à un émetteur de charges qui délivre une quantité de charges, - une électrode de contrôle permettant à la source d'injec tion d'injecter cette quantité de charges dans un puits de potentiel de stockage du DTC dont la profondeur est con trôlée par une électrode de stockage, - le puits de stockage étant subdivisé en un puits-niveau de fond et un puits-signal séparés par le potentiel de sé paration créé par une électrode de séparation qui permet de conserver dans le puits-niveau de fond une quantité de charges représentative du niveau de fond et de déverser dans le puits-signal la quantité excédentaire représenta tive du signal utile, celle-ci étant transmise au circuit de transfert à l'aide d'une électrode de transfert pour être acheminée vers la sortie du DTC reliée à des organes de traitement, les charges du puits-niveau de fond pouvant être évacuées à l'aide d'un transistor pour la remise à zéro Elle concerne également un dispositif de détection ou une structure de détection comprenant plusieurs dispositifs à transfert de charges réunis individuellement à un émetteur de charges. Ces derniers peuvent être des diodes au cdxHg(1-x)Te pour effectuer une détection infrarouge. Une invention de ce genre est connue du document Hybrid Infrared Focal Plane Arrays" de KUEN CHOW, J.P. RODE, D.H. SEIB, J.D. BLACKWELL, IEEE Transactions on Electron Devices vol. ED-29 n0 1 p. 3, January 1982. Ce document décrit un réseau plan focal hybride pour la détection d'un rayonnement à l'aide de détecteurs photovoltaïques et de barettes de DTC. Ce réseau opère à basse température pour détecter des rayonnements infra-rouge. Néanmoins la dynamique définie comme étant le rapport signal/niveau de fond S/D est assez faible au niveau du détecteur et il s'avère indispensable d'accroître ce rapport S/D à l'aide d'un DTC dont le ou les circuits d'entrée sont spécialement conçus pour ne pas tenir compte de la composante relative au niveau de fond du signal du détecteur.Pour cela le signal issu du détecteur agit sur la source d'injection du DTC pour délivrer des charges électriques qui sont introduites dans un puits de potentiel de stockage qui peut être subdivisé en deux parties, un puits-niveau de fond et un puits signal, à l'aide d'une électrode de séparation sur laquelle on applique extérieurement une tension électrique déterminée et fixe. Cette tension est la même pour tous les DTC constituant un dispositif de détection à plusieurs DTC. Les charges contenues dans le puits-signal sont ensuite déversées dans le circuit de transfert du DTC à l'aide d'une électrode de transfert dont le potentiel peut être déterminé pour effectuer soit une opération d'écrémage des charges excédentaires soit un simple transfert. Ce dispositif permet d'accroître la dynamique mais reste néanmoins insuffisant en pratique car le même potentiel est appliqué à tous les DTC constituant un dispositif de détection, en ce qui concerne les électrodes de séparation d'une part, et les électrodes de transfert d'autre part. Or chaque source d'injection est réunie individuellement à un détecteur photovoltaïque. Il est bien évident que le niveau de fond vu par chaque DTC sera très différent à cause de l'addition de toutes les dispersions liées à la chaîne formée par le détecteur photovoltaïque, la source d'injection du DTC, les dimensions des électrodes, le dopage du semi conducteur dans le puits de potentiel, les tensions de seuil. Ces dispersions peuvent atteindre 30S à 50 de la capacité de stockage maximale de la zone de transfert du DTC. Chaque détecteur de rayonnement analyse un point d'une scène et le signal injecté puis traité par le DTC est ensuite utilisé pour restituer une image. Ces dispersions erratiques propres à chaque voie produisent une image finale très dégradée. Le but de l'invention est donc de s'affranchir de l'action néfaste de ce cumul des dispersions propres à chaque détecteur et d'accroître la qualité d'image. Pour cela l'invention telle que définie dans le préambule est remarquable en ce que le circuit d'entrée du DTC comprend - une électrode flottante reliée à l'électrode de séparation afin que le potentiel de séparation soit asservi au ni veau de fond, ce potentiel étant déterminé au couru d'une opération de calibrage à l'aide d'un émetteur de charges de référence qui charge à partir du puits de stockage le puits-de référence situé sous l'électrode flottante, - et une électrode d'isolation qui isole, au cours des opé rations de mesure, le puits de référence du puits-signal, celui-ci étant préalablement déchargé, l'électrode flot tante étant chargée à l'aide d'un transistor réuni à un potentiel de référence. Ce dispositif à transfert de charges peut constituer un dispositif de détection mono ou bidimensionnel. L'invention est également remarquable en ce que le procédé d'utilisation d'un tel DTC est caractérisé en ce qu'au cours d'une séquence d'opérations - premièrement, on effectue un calibrage du puits-niveau de fond, à partir d'un rayonnement de référence, - en chargeant, pendant une durée déterminée, à partir du puits de stockage, un puits de référence situé sous une électrode flottante afin de modifier son potentiel élec trique et d'asservir le potentiel de l'électrode de sépa ration à laquelle elle est connectée, afin d'isoler le puits-niveau de fond du puits-signal par un potentiel de séparation calibré, - on isole, à l'aide d'une électrode d'isolation, le puits signal du puits de référence, que l'on conserve chargé, - on vide de leurs charges le puits-niveau de fond et le puits-signal, - deuxièmement, on effectue la mesure sur la scène à analyser, en introduisant les charges créées par l'émetteur de char ges dans la source d'injection qui remplit d'abord le puits niveau de fond puis le puits-signal, la quantité de charges du puits-signal étant transférée au circuit de transfert du DTC pour être acheminée vers des organes de traitement. La correction automatique de niveau de fond, selon l'invention, utilise la relation de proportionnalité existant entre le potentiel d'une électrode flottante et la quantité de charges électriques accumulées sous cette électrode, Au cours d'une opération de calibrage, on soumet tous les détecteurs de rayonnement à un flux de calibrage correspondant au niveau de fond à supprimer. Chaque puits de potentiel de stockage reçoit de chaque détecteur à travers chaque source d'injection une quantité de charges proportionnelle au niveau de fond reçu. Le potentiel de l'électrode flottante se détermine en conséquence et impose ainsi son potentiel à l'électrode de séparation. Celle-ci dissocie le puits-niveau de fond du puits-signal en modifiant le potentiel de séparation. Pour accroître le rapport S/D final, l'opération précédente est répétée, après avoir évacué à chaque fois les charges stockées dans le puits-niveau de fond. On arrive ainsi à éliminer la quasi-totalité du niveau de fond après quelques cycles de fonctionnement. Le puits de référence et le potentiel de séparation sont alors conservés en l'état pour chaque DTC, le puits-signal est isolé du puits de référence par l'électro- de d'isolation, le puits-niveau de fond et le puits-signal sont remis à zéro, et le dispositif de détection est prêt à opérer les mesures de signal proprement dites. Chaque puitsniveau de fond se recharge de la quantité de charges pour laquelle il a été dimensionné, et les charges en excès sont déversées dans le puits-signal.A l'issue de cette étape les charges de chaque puits-signal sont transférées dans le circuit de transfert de chaque DTC à l'aide des électrodes de transfert. Les sorties des DTC sont réunies à des organes de traitement qui délivrent des signaux pour l'image finale. Préférentiellement l'invention concerne un dispositif de détection comportant n DTC chacun traitant un élé ment-dtimage. Ces éléments d'image peuvent être répartis sur des portions linéaire ou bidimensionnelle de l'image. Les émetteurs de charges peuvent former avec le dispositif de détection une structure de détection hybride ou monolithique. Une structure hybride est par exemple constituée de DTC en silicium et des émetteurs de charges formés de diodes au CdxHg##xTe ou à l'InSb. L'invention concerne également un DTC unique muni du circuit d'entrée décrit. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures suivantes, données à titre d'exemple non limitatifs, qui représentent figure 1 : un schéma du principe de fonctionnement du circuit d'entrée d'un DTC selon l'art antérieur. figures 2A à 2D : un schéma de principe de fonctionnement du circuit d'entrée d'un DTC selon l'invention, figure 3 : une représentation schématique de la topologie du circuit d'entrée d'un DTC selon l'invention. figure 4 : une représentation schématique de la topologie d'un dispositif de détection pour l'analyse bidimensionnelle des puits d'images. Sur la figure 1 les dimensions des différents éléments ne sont pas représentées à l'échelle. L'émetteur de charges 10 reçoit un rayonnement 11 en provenance d'une scène à visualiser. Cet émetteur 10 transmet à l'aide de la source d'injection 12 du circuit d'entrée 13, une quantité de charges au puits de stockage 14 sous le contrôle de l'électrode de contrôle 15. Le puits de stockage 14 est déterminé en étendue par les dimensions de l'électrode de stockage 16 et en profondeur par le potentiel électrique appliqué à l'électrode de stockage. Sous celle-ci se trouve une électrode de séparation 17 qui permet de diviser le puits de stockage 14 en un puitsniveau de fond 18 et un puits-signal 19 en modifiant la hauteur du potentiel de séparation 20. Pour effectuer la mesure on applique sur l'électrode de séparation 17 un potentiel déterminé qui isole le puits-signal du puits-niveau de fond. Les étendues de ces deux puits ainsi que leur profondeur et la hauteur du potentiel de séparation 20 sont- déterminés pour chaque application afin d'accroître le rapport S/D. Lorsque le puits-signal a été isolé, les charges qutil contient sont déversées dans le puits de transfert 22 du circuit de transfert du DTC à l'aide de l'é- lectrode de transfert 21 et acheminées vers la sortie à l'aide des électrodes habituelles dont l'une 33 est représentée. Les figures 2A à 2D représentent le DTC selon l'invention à différentes étapes d'utilisation du dispositif. La figure 2A le représente dans un état initial où les puits de potentiel sont dépourvus de charges. Le circuit d'entrée 23 du DTC comprend la source d'injection 12, l'électrode de contrôle 15, l'électrode de stockage 16. Celle-ci détermine, par un potentiel appliqué, le puits de stockage 24 qui sur la figure 2A s'étend sous l'électrode flottante 25 sur laquelle est appliquée une tension de référence Vref à travers un transistor T1 muni d'une grille G1. Sous l'électrode de stockage 16 est placée l'électrode de séparation 27 reliée électriquement à l'électrode flottante 25. Une électrode d'isolation 28 permet d'isoler le puits-signal 19 du puits de référence 29 situé sous l'électrode flottante. Lorsqu'ils sont isolés le puits-niveau de fond 18 et le puits-signal 19 peuvent être vidés de leurs charges individuellement à l'aide des transistors T2 et T3 dont les drains sont reliés à un potentiel VD. Le transistor T3 peut être omis, auquel cas le vidage du puits-signal s'effectue dans le circuit de transfert à l'aide de l'électrode de transfert. L'émetteur de charges 10, qui reçoit le rayonnement 11, est relié à la source d'injection 12 du DTC. L'électrode de stockage 16 peut se diviser en deux électrodes, l'une pour le puits-niveau de fond l'autre pour le puits-signal, afin de commander indépendamment la profondeur du puits-signal. Le mode de fonctionnement du DTC est le suivant. Les électrodes de stockage 16 et d'isolation 28 sont portées à un potentiel haut pour créer le puits-niveau de fond 18 et le puits-signal 19 qui s'étend sous l'électrode d'isolation. La grille G2 est portée à un potentiel haut pour rendre T2 conducteur afin de vider le puits 18. A un instant to la grille G1 de T1 est portée à un potentiel haut pour rendre T1 conducteur de sorte que la grille flottante 25 est préchargée à un potentiel Vref-Vth identique aux potentiels appliqués sur les grilles 16 et 28. Vth est la tension de seuil du transistor Tî. Lorsque la précharge de l'électrode flottante 25 est achevée, la grille Gi est remise à un potentiel bas (T1 bloqué) ce qui met l1élec- trode flottante 25 dans un état flottant. A cet instant les potentiels des électrodes 16, 27, 28 et 25 sont identiques formant un vaste puits de potentiel vide de charges électriques. C'est l'état représenté par la figure 2A. Après un temps tl, le transistor "T2" est replacé dans un état bloqué, les charges transférées de l'émetteur 10 sont alors stockées graduellement dans le puits de stockage, se répartissant uniformément sous les électrodes 16, 27, 28 et 25. Cette accumulation de charges entraîne une diminution du potentiel de l'électrode flottante donc de l'électrode de séparation 27 qui lui est reliée. Après un temps t2, le transistor "T2" est à nou veau remis dans un état conducteur permettant ainsi l'évacua- tion de la totalité des charges accumulées dans le seul puitsniveau de fond 18, dont le volume, dimensionné par le potentiel de l'électrode 27, est directement proportionnel à la quantité de charges fournie par le détecteur et injectée dans le semiconducteur du circuit d'entrée. Après un temps t3, le transistor "T2" est replacé dans un état bloqué. Les charges continuement transférées de l'émetteur 10 sont dans un premier temps accumulées dans le seul puits-niveau de fond, la barrière de potentiel créée par l'électrode 27 établie par les charges accumulées lors du cycle précédent ne se modifiant pas. Puis le puits-niveau de fond étant rempli, les charges délivrées par l'émetteur se répartissent à nouveau sous l'ensemble des électrodes, entrainant une nouvelle diminution du potentiel de l'électrode flottante et donc de l'électrode de séparation 27. Les cycles de remise à zéro du puits-niveau de fond et d'accumulation des charges délivrées par le détecteur sont ainsi renouvelées le nombre de fois nécessaire pour dimensionner avec la précision souhaitée le puits-niveau de fond. Le circuit d'entrée du DTC est alors dans l'état représenté par la figure 2B. Ce mode itératif de détermination de la dimension du puits-niveau de fond s'explique par l'importance que peut présenter le niveau de fond total donc le nombre de charges qui en découlent. Le temps total, qui sera ultérieurement nécessaire pour analyser un point-image, est ainsi décomposé en un certain nombre de tranches élémentaires de temps qui dépend de la somme totale de charges dues au. niveau de fond ainsi que de la surface donnée aux électrodes définissant le puits de stockage. De cette manière, on obtient une grande précision dans la détermination du potentiel de séparation situé sous l'électrode de séparation. Une autre possibilité de dimensionnement du puits-niveau de fond consiste à utiliser une période de blocage du transistor de remise à zéro du puits, égale à la période d'analyse d'un point-image, multipliée par le rapport entre les surfaces des électrodes 16, 28, 25 et la surface de la portion de l'électrode 16 déterminant la surface du puitsniveau de fond 18. Dans ce cas, en une seule opération, une charge représentative du niveau de fond sera accumulée sous l'électrode flottante 25 déterminant ainsi le potentiel de séparation situé sous l'électrode de séparation 27 ce qui dimensionne le puits-niveau de fond 18. Le puits-niveau de fond dimensionné, le circuit d'entrée est prêt pour l'analyse de la scène. La fréquence de remise à zéro du puits-niveau de fond est maintenue dans le cycle de mesure. L'électrode d'isolation 28 est remise à un potentiel bas, afin d'isoler le puits de référence (dans lequel est conservé une charge représentative du courant de fond délivré par chaque DTC-émetteur de charges) du puits-signal dans lequel sera accumulée le signal détecté excédant le niveau de fond. Les puits de référence et signal étant isolés, le puits-signal est remis à zéro par l'intermédiaire du transistor "T3" de manière synchrone avec la remise à zéro du puits-niveau de fond ou par evacuation des charges dans le circuit de transfert. En début de séquence d'analyse d'image chaque émetteur se trouve couplé à un circuit d'entrée dont le puitsniveau de fond est dimensionné d'après les caractéristiques électriques propres à chaque émetteur et à chaque source d'injection. On obtient alors l'état représenté par la figure 2C avec le puits-niveau de fond et le puits-signal vides de charges et le puits de référence chargé. Au cours d'une période d'intégration T du signal lié à la scène, le puits-niveau de fond est remis à zéro périodiquement par des périodes T/N (N entier) de telle sorte que la totalité du niveau de fond soit soustraite. Durant cette période d'intégration T, seules les charges issues de la partie "signal", superposée au niveau de fond se déversent et sont accumulées dans le puits-signal. On obtient alors l'état représenté par la figure 2D. Les charges contenues dans le puits-signal sont extraites à l'aide d'une électrode de transfert et acheminées vers le circuit de transfert du DTC pour être transférées vers la sortie du DTC puis traitées par des organes de traitement afin de restituer une image de la scène analysée. La figure 3 représente schématiquement un exemple de réalisation topologique du circuit. Les figures 2A à 2D représentent le schéma du circuit obtenu en effectuant une coupe XX' sur la figure 3. Les éléments y sont représentés avec les mêmes repères. La source d'injection 12 charge le puits-niveau de fond 18 et le puits-signal 19 à l'aide de l'électrode de contrôle 15. A l'aide de l'électrode de transfert 21 le puits-signal 19 peut être transféré vers les puits de transfert situés par exemple sous les quatre électrodes 331 à 334 d'un dispositif à quatre phases, qui opèrent le transfert habituel d'un DTC dans la direction Y. L'électrode d'isolation 28 et l'électrode flottante 25 sont placées à l'écart du trajet de transfert du puits-signal vers les puits de transfert. Une connexion électrique 31 relie l'électrode de séparation 27 et l'électrode flottante 29. Le dispositif à transfert de charges 34n, éliminateur de niveau de fond, constitue un élément de base qui peut être reproduit n fois, tel que les dispositifs 34n-1, 34n+1 pour former un dispositif de détection permettant d'analyser plusieurs points d'image. Toutes les électrodes de transfert 21 et tous les puits de transfert sont alors réunis entre eux d'une manière continue pour former le circuit de transfert 36 du dispositif de détection afin d'effectuer l'é- vacuation des charges vers sa sortie. Ces dispositifs de détection 34n-1 34n, 34n+1 peuvent eux aussi être reproduits à l'identique p fois pour former une disposition bidimension nielle (34n-î, 35n-1,...), (34n, 35n,...), (34n+î, 35n+1,...), qui possède son propre circuit de transfert 37 réuni à tous les circuits de transfert 36p, 36p+1 des dispositifs de détection comme cela est indiqué sur la figure 4. REVENDICATIONS 1. Dispositif à transfert de charges (DTC), éliminateur du niveau de fond d'un signal détecté, muni d'un circuit d'entrée et d'un circuit de transfert, ledit signal étant détecté à l'aide du circuit d'entrée qui comprend - une source d'injection de charges reliée à un émetteur de charges qui délivre une quantité de charges, - une électrode de contrôle permettant à la source d'injec tion d'injecter cette quantité de charges dans un puits de potentiel de stockage du DTC dont la profondeur est con trôlée par une électrode de stockage, - le puits de stockage étant subdivisé en un puits-niveau de fond et un puits-signal séparés par le potentiel de sépa ration créé par une électrode de séparation qui permet de conserver dans le puits-niveau de fond une quantité de charges représentative du niveau de fond et de déverser dans le puits-signal la quantité excédentaire représenta tive du signal utile, celle-ci étant transmise au circuit de transfert à l'aide d'une électrode de transfert pour être acheminée vers la sortie du DTC reliée à des organes de traitement, les charges du puits-niveau de fond pouvant être évacuées à l'aide d'un transistor pour la remise à zéro, caractérisé en ce que le circuit d'entrée du DTC comprend - une électrode flottante reliée à l'électrode de séparation afin que le potentiel de séparation soit asservi au ni veau de fond, ce potentiel étant déterminé au cours d'une opération de calibrage à l'aide d'un émetteur de charges de référence qui charge à partir du puits de stockage le puits de référence situé sous l'électrode flottante, - et une électrode d'isolation qui isole, au cours des opé rations de mesure, le puits de référence du puits-signal, celui-ci étant préalablement déchargé, l'électrode flot tante étant chargée à l'aide d'un transistor réuni à un potentiel de référence. 2. Dispositif à transfert de charges selon la revendication 1, caractérisé en ce que le puits-signal est déchargé à l'aide d'un transistor. 3. Dispositif à transfert de charges selon la revendication 1, caractérisé en ce que le puits-signal est déchargé dans le circuit de transfert à l'aide de l'électrode de transfert. 4. Dispositif de détection caractérisé en ce qu'il comprend n dispositifs à transfert de charges (DTC) selon une des revendications 1 à 3, chaque source d'injection de chaque DTC étant réunie individuellement à un émetteur de charges. 5. Dispositif de détection selon la revendication 4,caractérisé en ce que les n dispositifs à transfert de charges sont répétés p fois afin de permettre l'analyse bidimensionnelle des points d'images. 6. Structure de détection caractérisée en ce qu elle comprend un dispositif de détection selon une des revendications 4 ou 5 et les émetteurs de charges associés. 7. Structure de détection selon la revendication 6, caractérisée en ce que les émetteurs de charges sont constituées de diodes sensibles au rayonnement infrarouge. 8. Structure de détection selon la revendication 7, caractérisée en ce que les diodes sont des diodes au Cd,Hgl,,Te ou à l'InSb. 9. Procédé mettant en oeuvre un dispositif à transfert de charges (DTC),- éliminateur du niveau de fond d'un signal détecté, muni d'un circuit d'entrée et d'un circuit de transfert, ledit signal étant détecté à l'aide du circuit d'entrée qui comprend - une source d'injection de charges reliée à un émetteur de charges qui délivre une quantité de charges, - une électrode de contrôle permettant à la source d'injec tion d'injecter cette quantité de charges dans un puits de potentiel de stockage du DTC dont la profondeur est con trôlée par une électrode de stockage, - le puits de stockage étant subdivisé en un puits-niveau defond et un puits-signal séparés par le potentiel de sé paration créé par une électrode de séparation qui permet de conserver dans le puits-niveau de fond une quantité de charges représentative du niveau de fond et de déverser dans le puits-signal la quantité excédentaire représenta tive du signal utile, celle-ci étant transmise au circuit de transfert à l'aide d'une électrode de transfert pour être acheminée vers la sortie du DTC reliée à des organes de traitement, les charges du puits-niveau de fond pouvant être évacuées à l'aide d'un transistor pour la remise à zéro, caractérisé en ce qu'au cours d'une séquence d'opérations - premièrement, on effectue un calibrage du puits-niveau de fond, à partir d'un rayonnement de référence - en chargeant, pendant une durée déterminée, à partir du puits de stockage, un puits de référence situé sous une électrode flottante afin de modifier son potentiel élec trique et d'asservir le potentiel de l'électrode de sépa ration à laquelle elle est connectée, afin d'isoler le puits-niveau de fond du puits-signal par un potentiel de séparation calibré, - on isole, à l'aide d'une électrode d'isolation, le puits signal du puits de référence, que l'on conserve chargé, - on vide de leurs charges le puits-niveau de fond et le puits-signal, - deuxièmement, on effectue la mesure sur la scène à analyser, en introduisant les charges créées par l'émetteur de char ges dans la source d'injection qui remplit d'abord le puits niveau de fond puis le puits-signal, la quantité de charges du puits-signal étant transférée au circuit de transfert du DTC pour être acheminée vers des organes de traitement.