Brevet FR2668608A1 — publié le 19920430

La présente invention concerne de façon générale les dispositifs à semi- conducteur tels que les dispositifs à couplage de charge (CCD), dans lesquels une charge repré- sentative d'un signal d'entrée est collectée et manipulée. Plus précisément, l'invention concerne les techniques d'élargissement de la plaque dynamique de ces dispositifs. Les dispositifs à couplage de charge, les disposi- tifs à chapelets et d'autres dispositifs à semi-conducteur dans lesquels une charge est manipulée sont bien connus. Ces dispositifs sont utilisés comme registres à décalage, comme cellules de mémoire, dans le traitement des signaux analogiques sous forme de filtres, et comme dispositifs de formation d'images à couplage-de charge, à la fois pour la formation d'images de surfaces et à lignes de balayage Le fonctionnement de ces dispositifs est analogue à celui au cours duquel des régions appauvries sont créées dans un substrat semi-conducteur par application d'un champ élec- trique, ces régions étant favorables à l'accumulation des charges au point de vue énergétique Des paquets de charges qui sont accumulés sont alors manipulés dans ces régions en fonction des besoins de l'application particulière. Dans les dispositifs connus à couplage de charge, une charge initiale peut être injectée électriquement dans une telle région à partir d'éléments associés du circuit tels que les dispositifs à cellules de mémoire, ou la charge peut être créée dans cette région sous l'action de l'énergie rayonnante incidente (c'est-à-dire un rayonnement infrarouge ou la lumière visible), par exemple dans les dispositifs de formation d'images Dans un dispositif de formation d'images à dispositifs à couplage de charge, des charges sont créées dans une région du substrat semi- conducteur, appelée en général "photosite", qui est sen- sible au rayonnement incident Les charges peuvent s'accu- muler dans une région appelée "photoporte", pendant une période appelée en général temps d'intégration La quantité de charge accumulée dans la région de la photoporte pendant la période d'intégration donne une mesure de l'énergie moyenne du rayonnement qui vient frapper le photosite pendant la période d'intégration Après chaque période d'intégration, la charge accumulée est transférée à une région de stockage temporaire du substrat semi-conducteur, faisant par exemple partie d'un registre à décalage dans lequel la charge est alors transmise à divers éléments de circuit afin qu'elle soit détectée, amplifiée et/ou traitée d'une autre manière et donne un signal de sortie représen- tatif de l'intensité de la lumière incidente. Une restriction des dispositifs connus à couplage de charge est la relation entre la quantité de charge qui peut être accumulée dans la région de la photoporte et les possibilités de manipulation de charge nécessaires dans tous les circuits périphériques, par exemple l'emplacement de stockage temporaire auquel est transférée la charge de la photoporte dans le registre à décalage L'augmentation de la dimension de la photoporte permet l'accumulation d'une plus grande quantité de charge au cours d'une période déterminée et donne une plus large plage dynamique globale au dispositif; cependant, cette augmentation de dimension nécessite des possibilités de manipulation de charge accrues de manière correspondante dans le registre à décalage ou dans un autre circuit Ainsi, la dimension des dispositifs à couplage de charge destinés à donner une large plage dynamique augmente de façon indésirable du fait de l'augmentation nécessaire de capacité de manipulation de charge L'augmentation de taille du registre à décalage et du circuit périphérique associé augmente alors la taille des pastilles utilisées pour la fabrication et réduit le rendement des dispositifs opérationnels tout en augmentant le prix de chaque dispositif Sous un autre aspect, l'aug- mentation de taille du circuit périphérique de manipulation de charge diminue la surface de pastille disponible pour la photodétection et réduit donc la plage dynamique du dispositif. Une approche connue à la manipulation de la surcapa- cité occasionnelle de la région de photoporte a été mise au point à propos du phénomène connu sous le nom d'"éblouis- sement" La région de stockage temporaire peut contenir une quantité limitée de charge et/ou ne peut transférer qu'une quantité limitée de charge au moment de sortie de la5 région Si la quantité de charge qui est accumulée dans la région de la photoporte dépasse la capacité de la région associée de stockage temporaire, lorsque la charge est transférée à partir de la région de la photoporte, la région de stockage temporaire dépasse sa limite de satura-10 tion et la charge excédentaire se répartit dans les régions voisines associées à d'autres éléments photosensibles Cet étalement ou dispersion de la charge est connu sous le nom d'éblouissement et donne une perte locale de résolution de l'image et diminue la plage dynamique efficace du15 dispositif. Pour compenser l'effet de l'éblouissement, une structure supplémentaire est réalisée dans la pastille CCD pour la manipulation de la charge excédentaire Une struc- ture anti-éblouissement, comprenant une région d'absorption" et des électrodes et portes convenables est ajoutée près de la photoporte pour la réception de la charge excédentaire Dans une approche, la charge peut s'accumuler dans la photoporte pendant un temps d'intégra- tion qui n'est qu'une fraction prédéterminée du temps d'exposition Ceci est réalisé par ouverture d'une porte placée entre la photoporte et le dispositif d'absorption, pendant une fraction de la période d'exposition telle que toute la charge créée dans le photosite lorsque la porte est ouverte est déviée vers le dispositif d'absorption Le reste de la période d'exposition forme alors la période d'intégration Seule la fraction de charge créée accumulée pendant la période d'intégration est transférée à la région temporaire dans le registre à décalage Dans un autre perfectionnement, une porte de réglage d'intégration peut être polarisée afin que, même pendant la période d'intégra- tion, la charge accumulée dépassant le niveau de saturation de la région associée de stockage temporaire soit déviée vers le dispositif d'absorption Ces techniques réduisent l'apparition de l'éblouissement et donnent une meilleure plage dynamique. La présente invention concerne un procédé de com- mande d'un dispositif CCD ou d'un dispositif analogue afin que celui-ci ait une plus large plage dynamique et de meilleures performances que celles qui peuvent être obte- nues à l'aide des techniques précitées, tout en permettant un réglage variable de la sensibilité du dispositif aux intensités lumineuses comprises dans des plages prédéter- minées Le procédé peut s'appliquer à des structures semi- conductrices connues, telles que la structure anti-éblouis- sement décrite précédemment. En résumé, le procédé est utilisé en coopération avec un dispositif à couplage de charge ou une structure analogue de construction connue, ayant une première région déclenchée, telle qu'un photosite, dans laquelle une charge est créée à une vitesse proportionnelle à l'intensité du rayonnement électromagnétique qui parvient sur elle La première région déclenchée a une structure et une disposi- tion telles qu'elle accumule une charge pendant une période prédéterminée d'exposition Le dispositif CCD comporte en outre une région d'absorption destinée à recevoir la charge excédentaire de la première région déclenchée et une porte de réglage du type couramment utilisé pour le réglage de l'intégration afin qu'elle permette le passage de la charge de la première région déclenchée à la région d'absorption. Une seconde région déclenchée est présente afin qu'elle reçoive la charge de la première région déclenchée et assure le transport de la charge provenant de cette région. Selon l'invention, un potentiel est appliqué à la porte de réglage avec une amplitude provoquant le passage de toute la charge dépassant un certain niveau d'écrêtage de charge dans la première région déclenchée vers la région d'absorp- tion, et l'amplitude du potentiel est modifiée au cours de la période d'exposition d'après une fonction prédéterminée. La fonction prédéterminée est de préférence une fonction non linéaire à croissance monotone, par exemple une fonc- tion logarithmique De cette manière, le niveau d'écrêtage varie suivant la fonction prédéterminée en temps réel au cours de la période d'exposition La charge totale accumu- lée dans la première région déclenchée, limitée d'après la fonction prédéterminée, est alors transférée à la seconde région déclenchée, à la fin de la période d'exposition. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une coupe schématique d'une struc- ture CCD avec laquelle le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre. La figure 2 est un graphique représentant la charge accumulée de la photoporte par mise en oeuvre des tech- niques connues de réglage d'intégration et de commande antiéblouissement. La figure 3 est un graphique représentant la charge accumulée de la photoporte dans une exemple simplifié, illustrant la présente invention. La figure 4 est un graphique représentant la charge accumulée de la photoporte dans un exemple général de l'invention. La figure 5 est un graphique représentant la com- pression logarithmique de la plage dynamique selon l'invention. L'appareil de formation d'images à dispositifs CCD représenté sur la figure 1 comprend une première région semi-conductrice 10 destinée à accumuler des charges et qui est appelée dans le présent mémoire "région de photoporte". La charge est créée dans la région 10 par la lumière (ou l'énergie d'une autre forme de rayonnement) venant frapper la zone photosensible 11 qui est appelée "photosite" Dans la configuration de la figure 1, le photosite 11 est délimité par des diaphragmes 12 Une électrode 13 de photoporte recouvre la région 10 de photoporte Un poten- tiel électrique VPG est appliqué à l'électrode 13 de photoporte et maintient un champ électrique dans la région de nature convenable, la rendant favorable à l'accumula- tion des charges dans cette région, au point de vue énergé- tique Une région 16 de stockage temporaire est adjacente à5 la région 10 de photoporte, et elle est parfois appelée frégion à porte de transport" vers laquelle est transféré un paquet de charges accumulé dans la région de la photo- porte La région 16 fait par exemple partie d'un registre à décalage ou d'une autre structure de transport du paquet de charges reçu de la région de la photoporte vers d'autres structures de circuit en vue d'un traitement Une électrode de porte de transport recouvre la région 16 de porte de transport et un potentiel OT lui est appliqué afin qu'elle permette l'accumulation de la charge dans la région 16 Une électrode 18 de porte de transfert est disposée entre la photoporte 10 et la porte 16 de transport Le passage du paquet de charges de la photoporte 10 à la porte de trans- port 16 est déterminé par le potentiel k X appliqué à l'électrode 18 de la porte de transfert. Une région 21 d'absorption est adjacente à la région de photoporte, du côté opposé à celui de la porte de transport, et elle est par exemple du type utilisé dans la structure anti-éblouissement précitée La région 21 d'absorption a une électrode 22 qui la recouvre et à laquelle est appliqué un potentiel VSINK destiné à créer le puits de potentiel destiné à recevoir la charge excéden- taire de la région de photoporte Une électrode 23 de porte de réglage, parfois appelée porte de réglage d'intégration, est disposée entre la photoporte 10 et le dispositif d'absorption 21 afin que la circulation de la charge excédentaire vers le dispositif d'absorption soit réglée. Selon l'invention, on peut obtenir une plus grande amélio- ration de la plage dynamique qu'avec les procédés connus de commande anti-éblouissement par application d'un potentiel OIC à l'électrode 23 de commande d'intégration comme décrit dans la suite. Le procédé de la présente invention peut être compris en référence à la figure 2 qui représente la variation de la charge accumulée dans la région 10 de photoporte en fonction du temps L'axe des "temps" repré- sente une période d'exposition, c'est-à-dire la période Texp comprise entre deux transferts consécutifs de paquet de charges de la région 10 de photoporte vers la région 16 de porte de transport On suppose que l'énergie rayonnante parvenant sur le photosite a une intensité constante au cours de la période d'exposition Dans des exemples d'ap- plication de formation d'images, les intensités lumineuses varient lentement par rapport au temps d'exposition si bien que cette approximation est valable En l'absence de commande anti-éblouissement, c'est-à-dire si OIC est égal à zéro, la charge accumulée est proportionnelle au temps écoulé, et la constante de proportionnalité est égale à l'intensité lumineuse incidente moyenne pendant la période d'exposition: Q = I Texp ( 1) La charge accumulée sans commande anti-éblouissement est représentée par la droite 31 de la figure 2 La pente de la droite 31 représente l'intensité lumineuse incidente; plus l'intensité lumineuse est grande et plus la pente est grande La charge QSAT indiquée sur l'axe des "charges" de la figure 2 représente la charge à saturation de la région 16 de porte de transport à laquelle est transférée la charge accumulée provenant de la photoporte Si une charge supérieure à QSAT s'accumule dans la photoporte, un éblouissement se produit Ceci est le cas de la droite 31 en l'absence de la commande anti-éblouissement. Dans les procédés classiques de réglage d'intégra- tion et de commande anti-éblouissement, un potentiel est appliqué à la grille 23 de réglage pendant une fraction fixe prédéterminée TAB du temps d'exposition afin que toute la charge créée dans le photosite parvienne au dispositif 21 d'absorption et qu'aucune charge ne s'accumule dans la région 10 de photoporte Au temps TAB, le dispositif d'absorption 21 est bloqué, et la charge s'accumule linéai- rement, proportionnellement au rayonnement incident pendant le reste de la période d'exposition La droite 32 de la figure 2 représente le même rayonnement incident que la droite 31, mais avec le réglage d'intégration qu'on vient de décrire Dans un perfectionnement au procédé de réglage d'intégration qu'on vient de décrire, on connaît aussi la polarisation de la grille de réglage d'intégration à une valeur constante au cours de la période d'intégration afin que toute charge qui s'accumule en plus du niveau de saturation de la région de transport 16 soit évacuée dans le dispositif d'absorption 21 Cette situation est repré- sentée par la courbe-33 de la figure 2, pour la même intensité lumineuse que pour les courbes 31 et 32. Selon l'invention, le potentiel OIC appliqué à la porte 23 de réglage d'intégration est réglé à un niveau qui assure sélectivement la limitation ou 1 ' "écrêtage" de la quantité de charge accumulée dans la photoporte lorsque cette charge s'accumule au cours de la période d'intégra- tion et avant que le niveau de saturation QSAT de la région de transport 16 ne soit atteint Dans un exemple considéré à titre d'introduction, une courbe linéaire par parties d'accumulation de charge peut être obtenue par application d'un potentiel à la grille 23 de réglage assurant l'éta- blissement d'un premier niveau d'écrêtage QCLIP inférieur au niveau de saturation de la région de transport QSAT pendant une première partie du temps d'exposition, puis un écrêtage au niveau QSAT pendant le reste de la période d'exposition Lorsque la porte 23 de réglage est polarisée de cette manière, la charge s'accumule de manière continue, linéairement pour de faibles intensités lumineuses et, pour de plus grandes intensités lumineuses, une partie de la charge est déviée vers le dispositif d'absorption 21, au milieu de la période d'exposition La courbe résultante d'accumulation de charge est représentée par la courbe 36 de la figure 3 pour la même intensité lumineuse incidente que dans le cas des courbes de la figure 2 La figure 3 représente aussi deux courbes 37 et 37 ' représentant la compression résultante pour une intensité lumineuse inci- dente suffisamment faible pour que la charge accumulée n'atteigne pas le niveau de saturation même en l'absence d'écrêtage La courbe 37 représente l'accumulation de charge avec un niveau intermédiaire de seuil d'écrêtage La courbe 37 ' représente l'accumulation de charge avec la même intensité lumineuse incidente, mais sans l'écrêtage à un seuil intermédiaire. La figure 4 représente un exemple plus général La courbe 41 de la figure 4 représente la charge acceptable maximale qu'on veut accumuler dans la région de la photo- porte pour une fraction quelconque de la période d'intégration. L'augmentation active de la différence de potentiel entre l'électrode 13 de photoporte et la grille 23 de réglage d'intégration, c'est-à-dire l'augmentation active de OIC pendant la période d'intégration, permet une augmen- tation du niveau maximal acceptable de charge à la même vitesse La courbe 41 de la figure 4 représente le niveau maximal acceptable de charge Qmax dans la photoporte en fonction du temps d'intégration normalisé t = T/Texp, Texp étant comme précédemment la période d'exposition Qmax = f(t), ( O t 5 1) ( 2) La fonction f(t) peut être déterminée mathématiquement et créée électroniquement dans la pastille afin qu'elle donne une compression de la plage dynamique d'une manière choisie arbitrairement La compression de la plage dynamique est représentée par une fonction D(I) qui donne la charge de sortie transférée à la porte de transport par la photoporte en fonction de l'intensité lumineuse incidente Comme décrit précédemment, en l'absence d'un réglage d'intégra- tion ou d'une commande anti-éblouissement (dans le cas dit "d'accumulation linéaire"), la charge de sortie transmise à la porte de transport est proportionnelle à l'intensité incidente Dlinéaire (I) = Texp I ( 3) La détermination de f(t) et sa relation à une fonction monotone choisie arbitrairement D(i) selon l'invention sont décrites dans les paragraphes qui suivent. Une détermination graphique de la fonction f(t) est maintenant décrite en référence à la figure 4 La droite 42 est tangente à la courbe 41 à l'origine La droite 42 représente la courbe d'accumulation de charge pour une intensité lumineuse incidente constante prédéterminée I 0. Pour un rayonnement incident ayant une intensité I infé- rieure à I 0, la charge peut s'accumuler linéairement dans10 le photosite et être représentée sur la figure 4 par une droite de pente inférieure à I O Pour un rayonnement incident d'intensité -supérieure à I 0, une accumulation linéaire de la charge dans la photoporte donnerait une quantité de charge supérieure à la charge maximale accep-15 table Qmax et serait représentée sur la figure 4 par une droite dont une partie au moins se trouverait au-dessus de la courbe 41 Ce cas est représenté par la droite 43 de la figure 4 En l'absence d'un certain réglage d'intégration ou de commande antiéblouissement, la charge créée par le20 rayonnement incident représenté par la droite 43 dépas- serait le niveau de saturation de la porte de transport. Selon l'invention, un potentiel variable est appli- qué à la grille 23 de réglage d'intégration de manière que la charge de la photoporte s'accumule à la vitesse maximale permise (c'est-à-dire suivant la courbe 41) jusqu'à ce que cette vitesse corresponde à la vitesse que donnerait la rayonnement incident en l'absence de compression (la vitesse "non comprimée") Au delà de ce point, la charge peut s'accumuler à la vitesse non comprimée Comme l'indique la figure 4, la courbe 41 représente le niveau d'écrêtage au- dessus duquel la charge est déviée vers le dispositif d'absorption 21 Dans le cas d'un rayonnement incident dont l'intensité est représentée par la droite 43, la réponse de la photoporte correspond à la courbe 41 jusqu'au point t auquel la tangente 44 à la courbe 41 est parallèle à la courbe 43 Ensuite, elle suit la droite 44. La relation suivante peut être tirée de la figure 4: D(I) f(t) = I ( 1- t) ( 4) On peut comprendre la méthodologie d'une manière plus formelle de la façon suivante L'accumulation de charge produite par un rayonnement incident donné d'inten- sité I en l'absence de compression est représentée par une droite de pente égale à I En l'absence de compression, la charge de sortie QOUT transmise à la porte de transport est l'ordonnée de la droite à la fin de la période d'exposi- tion En présence de la compression, la charge de sortie QOUT est: QOUT = D(I) = f(t) + I ( 1-t) ( 5) I étant alors la pente de la tangente à la courbe 41 en t I = df/dt ( 6) La fonction f(t) est déterminée par spécification de la fonction de compression D(I), par application de la règle de dérivation d'une fonction composée pour la différentia- tion sur D(I), par différentiation de l'équation ( 5) et par substitution: (d D/dt) = (d D/d I) (d I/dt) ( 7) = (d I/dt) ( 1-t) I + (df/dt) ( 8) = (d I/dt) ( 1-t) ( 9) et donc (d D/d I) = ( 11-t) ( 10) Pour illustrer la résolution de cette équation, on suppose la fonction suivante de compression, comprenant des plages logarithmique et linéaire: (il, pour O 5 I 5 I O D = I 0 ( 1 +Log(I/I 0)), pour I O la plage linéaire r est égale à 0,2. L'équation ( 10) conduit à la relation: (d D/d I) = (I 0/I) = 1t ( 15) et en conséquence: (df/dt) = I ( 16) = 10/( 1-t) ( 17) La solution est: I 0.Log( 1/( 1-t)), O porte de transport. On a décrit le fonctionnement de l'invention en référence à un seul photosite Les dispositifs CCD sont habituellement placés en matrices de photosites de dimen- sion 1 ou 2 Des portes analogues de commande des divers sites sont commandées en commun afin qu'elles donnent des caractéristiques identiques de réponse pour tous les photosites. On a décrit l'invention en référence à des modes de réalisation particuliers Les hommes du métier peuvent noter que l'invention permet la création d'une relation non linéaire qui peut être sélectionnée par le réalisateur entre la lumière incidente et la quantité de charge accumu- lée dans la photoporte Ainsi, l'invention n'est pas limitée autrement que par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1 Procédé de réglage de la réponse d'un dispositif à couplage de charge à un rayonnement électromagnétique incident, le dispositif ayant une première région déclen- chée ( 10) destinée à accumuler une charge en réponse au rayonnement électromagnétique incident, la première région déclenchée ayant une structure et une disposition telles qu'elle accumule la charge pendant une période prédéter- minée d'exposition, une ( 21) région d'absorption disposée afin qu'elle reçoive la charge excédentaire de la première région déclenchée, une grille ( 23) de réglage destinée à permettre lé passage de la charge de la première région déclenchée à la région d'absorption, et une seconde région déclenchée ( 16) recevant la charge de la première région déclenchée afin qu'elle transporte la charge provenant de celle-ci, le procédé comprenant les étapes suivantes: l'application d'un potentiel à la grille ( 23) de réglage avec une amplitude telle que toute la charge au- delà d'un niveau d'écrêtage de charge dans la première région déclenchée passe vers le dispositif d'absorption, la variation de l'amplitude du potentiel pendant la période d'exposition d'après une fonction prédéterminée de manière que le niveau d'écrêtage varie de manière corres- pondante pendant la période d'exposition, et le transfert de la charge totale accumulée dans la première région déclenchée ( 10) à la seconde région déclen- chée ( 16) à la fin de la période prédéterminée d'exposition. 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel le potentiel varie de façon continue sur une partie au moins de la période d'exposition. 3 Procédé selon la revendication 2, dans lequel le potentiel varie suivant une fonction monotone non linéaire prescrite. 4 Procédé selon la revendication 3, dans lequel la fonction monotone non linéaire augmente à partir d'un niveau pratiquement nul d'écrêtage au début de la période d'exposition. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la fonction monotone non linéaire est proportionnelle à Log( 1/( 1-t)) t étant le temps écoulé dans la période prédéterminée d'exposition.