Cours sur la photo numérique

Cours de photographie (2005-2011)
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Transformation de la lumière en signal électrique

La surface photosensible est un capteur lumineux, qui sert à obtenir une image exploitable par un ordinateur. Il a en fait le même rôle qu’une émulsion photographique, c’est-à-dire qu’il capte la lumière et produit un signal proportionnel à la quantité de lumière reçue.

Il existe différents capteurs : CCD (Charge Coupled Device ou circuit à transfert de charges) et CMOS (Complementary Metal Oxyde Semi conductor). Nous allons d’abord nous intéresser à la technologie CCD pour en venir aux capteurs CMOS.

Un capteur CCD est composé de différents éléments :
- un support semi conducteur
- un photocapteur ou partie photosensible, qui n’est qu’une matrice à deux dimensions de pixels. Le photocapteur comprend d’autres structures électroniques tels des drains d’évacuation, des portes et des stoppeurs permettant ou non le transfert des charges.
- un photosite qui représente la partie d’accumulation des charges. Il peut être soit un photocapteur adjacent masqué (et donc non excitable par les photons), soit un composant électronique externe situé sous le photocapteur.
- un registre de sortie où transitent les charges avant d’être amplifiées et converties en tension de sortie (74).

Structure de base
L’élément de base d’un capteur CCD est une capacité MOS (Metal Oxyde Semi-conductor) ; cette structure résulte de la superposition de 3 couches polarisées : fig 15

- Un réseau métallique et transparent d’électrodes,
- Une fine couche d’oxyde de semi conducteur O (SiO2),
- Une deuxième couche épaisse de semi conducteur S (Si) reliée à la masse (110).

La capacité MOS est polarisée en régime de déplétion profonde par un courant électrique, de tension supérieure à la tension de seuil. Ce courant crée un champ électrique interne repoussant les charges positives au fond de S et générant une couche d’inversion par création thermique d’électron-trous au niveau de l’interface Si-SiO2. Le temps nécessaire pour établir cette couche d’inversion est le temps de stockage ou Ts. Ainsi le CCD utilise la zone de déplétion pendant l’intervalle de temps 0 < t << Ts. Pendant ce temps une densité de charges se localise à l’interface Si-SiO2 et constitue une couche d’inversion. Tant que t reste très inférieur à Ts, les charges dues aux générations thermiques sont négligeables de sorte que la couche d’inversion constitue une image analogique du signal. La création de cette couche d’inversion non thermique peut résulter d’une injection électrique dans la première capacité de la série ou de l’éclairement d’une matrice à deux dimensions, fig 16, (88)
Eclairement et application d’une tension positive : création de paires électron-trou, les électrons s’accumulant près de la couche d’oxyde, dans la zone de déplétion.
Remarque : si S était une couche de silicone de type n, pour une tension Vg positive, la zone de déplétion serait positive.

Si une deuxième capacité MOS jouxte la première sur le même substrat de silicium, la tension de polarisation de cette capacité peut être augmentée afin que la zone de déplétion elle-même plus importante attire les charges accumulées dans la première capacité. Compte tenu de la génération thermique d’électron-trous, le temps de transit doit être très inférieur à Ts, sinon la densité de charges dans la capacité est uniformisée à la valeur stationnaire par la génération thermique.

Fonctions du CCD

Le CCD est un dispositif intégré qui doit réaliser les fonctions suivantes :
- Création d’un paquet de charges proportionnel au signal lumineux
- Stockage de ces charges dans une capacité MOS
- Transfert de ces charges d’une capacité à la capacité adjacente
- Détection des charges à la sortie du registre
- Restitution d’un signal proportionnel à la densité de charges.

Par stephane, 9 août 2006