Brevet FR2922070A1 — publié le 20090410

DISPOSITIF MICROELECTRONIQUE MATRICIEL AVEC DES PIXELS DOTES D'UNE SOURCE DE COURANT INTEGREE ACTIONNEE PAR LA SELECTION DU PIXEL DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention est relative au domaine des dispositifs microélectroniques formés de cellules élémentaires agencées en matrice et s'applique en particulier aux matrices de grande tailles, telles que par exemple, les matrices de détecteurs de rayons X, en particulier réalisées en technologie CMOS. L'invention prévoit la mise en oeuvre d'un dispositif microélectronique matriciel formé de cellules élémentaires, comprenant respectivement des moyens générateurs de courant actionnés lors d'une sélection de la cellule. La présente invention permet notamment la mise en oeuvre de matrices dans lesquelles les 20 phénomènes de chutes ohmiques sont réduits. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Un exemple de dispositif microélectronique matriciel de détection de rayons X, formé d'une matrice 2*2, de 2 rangées horizontales et de 2 rangées 25 verticales de cellules élémentaires également appelés pixels 1011, 1012r 1021, 1022r est illustré sur la figure 1. Le signal délivré par une cellule est transmis à une ligne de donnée 111, 112 de la 30 matrice. Lors de la lecture de ce signal, le temps d'établissement de la tension en sortie S dépend de l'impédance de sortie d'un étage suiveur et de la capacité de charge de la ligne de données à laquelle cette sortie S est connectée. L'étage suiveur peut être formé par exemple d'un transistor de la cellule et d'un autre transistor situé à l'extrémité de la ligne de données. La capacité de charge de la ligne de données, est quant à elle formée de la somme des capacités parasites de la ligne de données et peut devenir élevée, par exemple de l'ordre de plusieurs dizaines de pF pour des matrices de tailles beaucoup plus importantes que celle illustrée sur la figure 1. Pour la réalisation de matrices de grandes tailles, afin d'augmenter la vitesse de lecture, une solution consiste à augmenter la valeur du courant délivré par le transistor jouant le rôle de suiveur. Cependant, cela a pour effet d'augmenter la consommation de la matrice. Par ailleurs, la ligne de données ne présente pas uniquement une capacité parasite, mais également une résistance linéique, Rpix pour chaque pixel de la matrice. La tension de sortie d'une cellule donnée lue à l'extrémité d'une ligne de données dépend de la résistance d'un transistor interrupteur situé en sortie de la matrice, l'emplacement de ladite Suivant l'emplacement de valeur, un décalage plus introduit. Ce décalage important que la taille de ainsi que du rang ou de cellule dans la matrice. la cellule dont on lit la ou moins important peut être peut être d'autant plus la matrice est grande. Il se pose le problème de trouver un nouveau dispositif microélectronique matriciel, en particulier de détection de rayonnement électromagnétique, par exemple de rayonnement X, qui ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif microélectronique matriciel comprenant : - une pluralité de cellules élémentaires agencées selon une matrice, - une ou plusieurs lignes de données, connectées respectivement à une pluralité de cellules d'au moins une rangée donnée de cellules de la matrice, et aptes à acheminer au moins un signal de sortie d'au moins une cellule donnée sélectionnée dans ladite rangée donnée, les cellules élémentaires comprenant respectivement : - des premiers moyens interrupteurs, aptes à appliquer, en fonction de l'activation d'un signal de commande de sélection, un signal de sortie d'un bloc de ladite cellule donnée sélectionnée à une ligne de données, et, en sortie dudit bloc, - des moyens générateurs de courant associés à des deuxièmes moyens interrupteurs commandés par ledit signal de commande de sélection, prévus pour générer un courant en entrée des premiers moyens interrupteurs lors de l'activation dudit signal de commande de sélection. De tels moyens générateurs de courant associés à de tels moyens interrupteurs permettent également d'obtenir une vitesse de lecture des données semblables à celles des matrices de cellules suivant l'art antérieur, tout en limitant la consommation. Ledit bloc peut être par exemple un bloc de détection comprenant au moins un élément détecteur. Les moyens générateurs de courant peuvent être sous forme d'au moins un transistor générateur de courant dont la grille est mise à un potentiel d'alimentation. Les deuxièmes moyens interrupteurs peuvent être sous forme d'au moins un transistor dont la grille est commandée par ledit signal de sélection. Dans le cas où ledit bloc est un bloc de détection, les cellules élémentaires peuvent comporter en outre : au moins un transistor amplificateur en sortie dudit bloc de détection et en entrée desdits premiers moyens interrupteurs, la grille du transistor amplificateur recevant le signal de sortie dudit élément détecteur. Les moyens générateurs de courant peuvent être sous forme d'un transistor formant avec ledit transistor amplificateur, un amplificateur suiveur. Selon une possibilité de mise en oeuvre, la matrice peut être agencée de sorte que le signal de sélection de la cellule donnée est un signal de sélection d'une ième rangée de cellules à laquelle appartient ladite cellule donnée et qui est orthogonale à ladite rangée donnée. La ligne de données peut comporter des moyens formant un amplificateur suiveur, en particulier d'impédance infinie ou élevée ou au moins supérieure à 1 W. Selon une mise en oeuvre particulière, les cellules élémentaires peuvent comporter respectivement : au moins un élément détecteur de rayonnement électromagnétique, tel qu'un photodétecteur, apte à délivrer un signal analogique de sortie susceptible de varier au moins en fonction de quantités de photons reçues par le photo-détecteur. Le détecteur peut être un détecteur de rayons X. Les cellules élémentaires peuvent comporter respectivement : des moyens de réinitialisation, pour réinitialiser, en fonction d'un signal de commande de réinitialisation, le signal de sortie dudit élément détecteur. Les moyens de réinitialisation peuvent comprendre au moins un transistor interrupteur dont la grille est commandée par ledit signal de commande de réinitialisation, et dont une électrode est mise à un potentiel de réinitialisation. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un dispositif microélectronique matriciel suivant l'art antérieur, - la figure 2 illustre un exemple de dispositif microélectronique matriciel suivant l'invention et formé d'une pluralité de cellules élémentaires, Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Un exemple de dispositif microélectronique matriciel suivant l'invention, va à présent être donné. Ce dispositif comprend une matrice de n rangées horizontales et m rangées verticales de cellules élémentaires 10011, 10012, ..., 10021, 10022, 1001, 100m,, avec n qui peut être égal à m, et par exemple compris entre 1 et 10000, par exemple égal à 2000. Les cellules élémentaires peuvent être par exemple des pixels de capteur de rayonnement électromagnétique et peuvent comprendre respectivement au moins un élément détecteur de rayonnement électromagnétique, par exemple un détecteur de rayons X, ainsi qu'au moins un circuit électronique associé au détecteur. Selon une variante, les cellules élémentaires peuvent être par exemple des cellules d'une matrice de lecture, les cellules étant associées respectivement à un élément photoconducteur, par exemple de type CdTe, CdZnTe, PbI2r HgI2, PbO, Se, hybridé ou assemblé ou déposé sur la matrice. L'invention peut s'appliquer à d'autres types de dispositifs microélectroniques matriciels de grande taille. La matrice de cellules élémentaires peut avoir une taille, importante, par exemple de l'ordre d'une dizaine de centimètres carré ou de plusieurs centaines de centimètres carrés, par exemple une dimension de l'ordre de 10 cm x 10 cm ou de 20 cm x 20 cm. Dans le cas d'une matrice de détecteurs de rayons X, les cellules élémentaires peuvent comprendre respectivement un photodétecteur sensible à la lumière visible par exemple sous forme d'une photodiode, ou d'un phototransistor, couplé(e) à une ou plusieurs couches scintillatrices à base de CsI, ou de Gd2O2S par exemple, qui permettent la détection des photons X et les transforment en photons visibles. Des composants, par exemple réalisés en technologie CMOS, assurent la détection en transformant les photons visibles en charges électriques. Sur la figure 2, un exemple de réalisation, est donné avec n = 2 et m = 2 cellules élémentaires 10011r 10012, 10021, 10022. Dans cet exemple, chaque cellule comporte une photodiode 110 et un premier transistor T. Un premier transistor T1 permet d'initialiser ou de réinitialiser la tension de la photodiode, à un potentiel V ran dit de réinitialisation, lorsque qu'une phase de commande ou un signal de commande Phi ran est actif et appliqué sur le premier transistor I. Le premier transistor T1 peut être agencé de manière à avoir une électrode de grille connectée à une ligne conductrice 101, par exemple d'une rangée horizontale de la matrice, acheminant le signal de commande Phi ran, et une électrode de drain connectée à une ligne conductrice 102, par exemple d'une rangée horizontale, mise au potentiel de réinitialisation V ran. Lorsque le signal de commande Phi ran est actif, par exemple lorsqu'il est mis a un état haut, la source du premier transistor interrupteur T1est mise au potentiel de réinitialisation. Un transistor amplificateur T2 connecté à l'élément détecteur 110 de la cellule est susceptible de former un amplificateur suiveur avec un autre transistor T4. Le transistor amplificateur T2 comporte une grille connectée à la photodiode 110 et un drain connecté à une ligne conductrice 103, par exemple d'une rangée horizontale, acheminant un potentiel de polarisation Vdd, par exemple de l'ordre de 3,3 V. Les potentiels V ran et Vdd peuvent être identiques. En fonction de l'éclairement reçu, le potentiel de cathode de la photodiode 110 décroît. Pour lire le potentiel de cathode de la photodiode, à la fin d'un temps d'intégration, des premiers moyens interrupteurs, commandés par un signal de sélection Phi ligne recopient le potentiel source du transistor T2 sur une ligne de données à laquelle la cellule est associée. Les premiers moyens interrupteurs peuvent être sous forme d'un transistor T3, commandé à l'aide du signal de sélection Phi ligne acheminé par une ligne conductrice 104, par exemple d'une rangée horizontale de la matrice. Selon une possibilité de réalisation, le signal de sélection Phi ligne peut être un signal de sélection commun à toutes les cellules d'une même rangée horizontale. La matrice peut opérer en intégration de charges, de sorte que les photodiodes 110 intègrent et stockent les charges pendant un temps d'intégration déterminé. Le temps d'intégration d'une image ou cycle de lecture peut être le temps entre deux commandes émises sur la grille du transistor T1 d'un pixel. La matrice comporte une pluralité de m (dans cet exemple m = 2) lignes 1051, 1052, de données, prévues respectivement pour acheminer le potentiel de sortie d'au moins une cellule à laquelle elles sont connectées et qui a été sélectionnée à l'aide du signal de sélection phi ligne. Les pixels suivant chaque rangée verticale sont connectés à une ligne de données commune, à laquelle le transistor T3 interrupteur respectif des pixels d'une même rangée verticale est connecté. Le deuxième transistor T2 est prévu pour recopier le potentiel de la photodiode 110, et le reproduire à un décalage de tension près. Le potentiel de sortie d'une cellule est ensuite lu sur une sortie S située en bout de colonne, à l'extrémité d'une ligne 1051r 1052 de données. Une source de courant supplémentaire est mise en oeuvre dans chacune des cellules. Cette source de courant peut être par exemple formée d'un transistor T4, dont la grille est mise à un potentiel de polarisation Vpol, intégré à chaque cellule ou pixel, et polarisé en régime de saturation. La source de courant est associée à des deuxièmes moyens interrupteurs commandés par le signal de sélection phi ligne qui permettent également de commander les premiers moyens interrupteurs. Les deuxièmes moyens interrupteurs peuvent être sous forme d'un transistor interrupteur T5, dont la grille est commandée par le signal de sélection phi ligne. Selon une possibilité de mise en oeuvre du dispositif, et en particulier de la manière de lire les grandeurs détectées par les pixels, le signal de sélection Phi ligne d'une rangée i (avec 1 Le dispositif comporte également un ou plusieurs circuits d'adressage (non représentés), par exemple sous forme d'un ou plusieurs registres à décalage ou d'au moins un circuit décodeur d'adresse, et prévus pour générer les signaux Phi ligne et Phi ran. Des signaux aux différentes sorties S situées à l'extrémité des lignes de données 1051r 1052, sont ensuite multiplexés dans un registre (non représenté), de façon à obtenir le signal représentatif d'une rangée horizontale de pixels. Les différentes sorties S situées à l'extrémité des lignes de données 1051r 1052, peuvent être reliées à des amplificateurs suiveurs 120 de résistance d'entrée infinie ou très élevée par exemple supérieure à 1 W. Lorsque le signal de commande phi ligne est activé, les transistors interrupteurs T3 et T5 sont rendus passants. Les transistors T2 et T4 sont alors agencés de manière à former un amplificateur suiveur dont la sortie est connectée à une ligne de donnée. Le transistor T4 forme alors une source de courant pour le bloc de détection qui, dans cet exemple comprend une photodiode. Lorsqu'une cellule 10011 donnée de la matrice est sélectionnée, le transistor interrupteur T3 de cette cellule 10011 reproduit la tension de source du transistor T2 sur une ligne de donnée 1051. Une charge selon un transitoire lié à la capacité et à la résistance de la ligne de donnée 1051 s'effectue alors. A la fin du transitoire, le courant de la ligne de données devient nul du fait de la résistance d'entrée infinie du suiveur. Lorsque le transitoire se termine, la tension de la sortie S est celle de la tension de source de T2. Le phénomène de chute ohmique le long de la ligne de donnée 1051 est alors négligeable. Un tel dispositif permet également, d'obtenir une consommation transitoire, la cellule ne consommant que lorsqu'elle est sélectionnée. REVENDICATIONS 1. Dispositif microélectronique matriciel comprenant : - une pluralité de cellules élémentaires (10011r..., 100mn) agencées selon une matrice, - une ou plusieurs lignes (1051r 1052) de données, connectées respectivement à une pluralité de cellules d'au moins une rangée donnée de cellules de la matrice, et aptes à acheminer au moins un signal de sortie d'au moins une cellule donnée sélectionnée dans ladite rangée donnée, les cellules élémentaires comprenant respectivement : - des premiers moyens interrupteurs (T3), aptes à appliquer, en fonction de l'activation d'un signal de commande (phi ligne) de sélection, un signal de sortie d'un bloc de ladite cellule donnée sélectionnée (1001) à une ligne de données (1051), et en sortie dudit bloc, - des moyens générateurs de courant associés à des deuxièmes moyens interrupteurs commandés par ledit signal de commande de sélection (phi ligne), prévus pour générer un courant en entrée des premiers moyens interrupteurs lors de l'activation dudit signal de commande (phi ligne) de sélection. 2. Dispositif microélectronique matriciel selon la revendication 1, les moyens générateurs de courant comprenant au moins un transistor générateur(T4) de courant dont la grille est mise à un potentiel d'alimentation (Vpol). 3. Dispositif microélectronique matriciel selon la revendication 1 ou 2, les deuxièmes moyens interrupteurs étant sous forme d'au moins un transistor (T5) dont la grille est commandée par ledit signal de sélection (phi ligne). 4. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel ledit bloc est un bloc de détection comprenant au moins un élément détecteur, les cellules élémentaires (10011r..., 100mn) comportant en outre : un transistor amplificateur (T2) en sortie dudit bloc de détection et en entrée desdits premiers moyens interrupteurs (T3), la grille du transistor amplificateur (T2) recevant le signal de sortie dudit élément détecteur. 5. Dispositif microélectronique matriciel selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la matrice est agencée de sorte que le signal de sélection de la cellule donnée (phi ligne) est un signal de sélection d'une ième rangée de cellules à laquelle appartient ladite cellule donnée et qui est orthogonale à ladite rangée donnée. 6. Dispositif microélectronique matriciel selon la revendication 1 à 5, dans lequel ladite extrémité de ladite ligne de données comporte des moyens formant un amplificateur suiveur (1201r 1202). 7. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 1 à 6, les cellules élémentaires comportant respectivement : au moins un élément détecteur (110) de rayonnement électromagnétique, tel qu'un photodétecteur, apte à délivrer un signal analogique de sortie susceptible de varier au moins en fonction de quantités de photons reçues par le photo-détecteur. 8. Dispositif microélectronique selon la revendication 7, le détecteur étant un détecteur de rayons X. 9. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 7 ou 8, les cellules élémentaires comportant respectivement : des moyens de réinitialisation, pour réinitialiser, en fonction d'un signal de commande de réinitialisation (phi ran), le signal de sortie dudit élément détecteur (110). 10. Dispositif microélectronique matriciel selon la revendication 9, lesdits moyens de réinitialisation comprenant au moins un transistor interrupteur (T1) dont la grille est commandée par ledit signal de commande de réinitialisation (phi ran), et dont une électrode est mise à un potentiel de réinitialisation (V ran).