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4 pages à l'impression
version initiale 2002
INFORMATION
dernière mise à jour
22 mars 2013
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CAPTEURS et DETECTEURS OPTIQUES
troisième partie (3/4) : les capteurs CCD

principes généraux de l'imagerie
les types de réseaux
principe des CCD
le transfert de charge
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Les dispositifs à transfert de charge pour l'imagerie ont vu leur emploi décupler récemment en raison du développement considérable des applications de vision assistée par ordinateur.
Principes généraux de l'imagerie
La majorité des détecteurs, vus ci-avant, peuvent être utilisés dans des systèmes d'imagerie dans lesquels on dispose de réseaux linéaires de détecteurs. Les limitations à la résolution sont en pratique liées au problème d'interconnexion des détecteurs, aux temps de réponse de ceux-ci et au procédé mécanique de scannage.

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Les figures ci-dessus montrent les trois procédés possibles pour scanner une image. Ensuite, le point important est "comment récupérer l'information", c'est à dire comment assurer, dans les schémas ci-dessus, la liaison la plus courte entre le pixel (élément détecteur unitaire de dimension minimale) et l'électronique d'amplification. Quel procédé de transfert employer sachant que ce dispositif de transfert doit se trouver le plus près possible du plan focal afin d'obtenir une efficacité maximale. La meilleure réponse actuelle est l'emploi de dispositifs à transfert de charge dits CCD (Charge Coupled Device).

principe des CCD
L'idée en revient à Boyle et Smith, deux chercheurs des Bell Labs (1970). Un CCD, opérant en mode inverse, est une structure MOS ou MIS (Métal Isolant Semiconducteur) qui peut collecter, stocker et transférer des paquets localisés de porteurs de charge le long de l'interface semiconducteur - isolant.


capteur CCD typique

A une extrémité du CCD on trouve la source et à l'autre le drain, deux zones dopées n+


Les tensions appliquées sur les électrodes de gate sont utilisées pour contrôler le potentiel de surface fs sous l'oxyde et pour former des puits de potentiel localisés pouvant stocker des charges minoritaires. Le principe opératoire avec une horloge à trois phases est illustré ci-dessus. La relation entre ce potentiel et la tension appliquée Vg peut s'expliquer en examinant la figure suivante. Les puits de potentiel correspondent à un état de non équilibre, la charge est extraite du puits bien avant que la situation figurée en (d) ou (h) [voir ci-après] soit atteinte.

En pratique, le schéma réel est plus proche de la figure ci-dessous, où nous avons représenté non seulement l'électrode de transfert de charge, mais aussi le détecteur photoélectrique (correspondant à 1 pixel) et l'électrode antiblooming indispensable pour limiter les effets d'éblouissement (saturation : voir ci-dessous).


Une analyse élémentaire d'électrostatique sur la région de déplétion conduit à la relation suivante :
s = Vg - VFB - (WNA e / Cox) - (eN / Cox)
  • N est la densité surfacique de porteurs minoritaires (canal n),
  • COX la capacité par unité de surface de l'oxyde,
  • W est la largeur de la couche de déplétion,
  • NA la concentration en atomes accepteurs.
Un calcul classique montre que la largeur de la couche de déplétion est donnée par
W = [ 2 s es / e NA]1/2
dans lequel es est la constante diélectrique du semiconducteur et VFB (flat band voltage) représente la différence des niveaux entre les bandes du semiconducteur et du métal MS diminuée de la densité de charge piégée dans les états d'interface QSS/COX.


cette figure illustre les deux cas : canal n (à gauche) ou canal p(à droite)


La figure ci-dessus montre l'arrangement d'une barrette CCD linéaire. Le registre à décalage CCD transfère séquentiellement la charge de chaque photodiode vers la ligne vidéo.