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Article

1 - ÉLÉMENTS DE COMPARAISON ENTRE TUBES ET ANALYSEURS INTÉGRÉS (CCD)

2 - PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT DES ANALYSEURS D’IMAGES CCD

3 - ANALYSEURS D’IMAGES LINÉAIRES ET MATRICIELS : DIFFÉRENTES ARCHITECTURES

4 - FORMATS ET NOMBRE DE PIXELS DES MATRICES CCD

5 - CIRCUIT DE SORTIE D’UN ANALYSEUR D’IMAGES CCD

6 - CARACTÉRISTIQUES PRINCIPALES DES ANALYSEURS CCD

7 - AVANTAGES DES ANALYSEURS CCD. COMPARAISON AVEC LES TUBES

8 - APPLICATIONS DES ANALYSEURS CCD

9 - CONCLUSION

| Réf : E5520 v1

Principes de fonctionnement des analyseurs d’images CCD
Analyseurs d’images

Auteur(s) : Jean-Paul BELAN

Date de publication : 10 nov. 1997

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Auteur(s)

  • Jean-Paul BELAN : Ingénieur CNAM - Ingénieur à France Télécom - Branche Développement - Centre national d’études des télécommunications - Direction des services de diffusion et multimédia

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INTRODUCTION

Pendant de nombreuses années, l’analyse d’images a fait appel à la technologie des tubes à vide dans lesquels un faisceau d’électrons vient adresser et lire chacun des points d’une « cible » photosensible. Cette cible est généralement constituée d’une couche transparente conductrice de polarisation superposée à une couche photoconductrice qui convertit l’image optique en image électronique.

Les tubes de prise de vues ont une longue histoire, diverses générations technologiques se sont succédé, les progrès ont été permanents. Les tubes ont finalement atteint des performances remarquables qui les ont fait utiliser en télévision couleur standard et à haute définition ainsi que dans des domaines très exigeants tels que le domaine médical, le domaine spatial et le domaine militaire.

Pour mémoire, on peut citer quelques ancêtres des tubes de prises de vue : Photicon, Orthicon et les familles plus récentes à photoconduction tels que : Vidicon, Plumbicon, Newvicon, Saticon ; ce dernier étant plus particulièrement adapté à la prise de vues à haute définition.

Cependant, bien que les tubes aient atteint de hauts niveaux de performance en résolution et sensibilité, ils ont toujours été des composants fragiles nécessitant un environnement complexe pour leur mise en œuvre. La difficulté majeure résulte de l’existence d’un faisceau électronique d’analyse qu’il faut créer, focaliser et dévier dans une enceinte à vide poussé. Les tubes ont de surcroît une durée de vie estimée à quelques milliers d’heures, des caractéristiques variables dans le temps et sont assez consommateurs de puissance électrique. La cible photoconductrice est aussi un élément destructible par suréclairement prolongé.

Les progrès fulgurants de la microélectronique ont conduit assez naturellement les constructeurs à réfléchir à une alternative technologique au tube.

La réponse à ces réflexions est venue avec les techniques d’intégration monolithique sur substrat semiconducteur silicium qui ont permis de regrouper les fonctions de conversion optoélectronique, de balayage et de préamplification sur un même substrat de silicium.

Les travaux sur les mémoires à haute densité pour calculateurs et, en particulier, les architectures de mémoires à bulles et de mémoires à cellules (MOSMetal Oxide Semiconductor) ont largement contribué à la recherche de solutions originales.

C’est finalement autour de la cellule MOS que se sont cristallisées les idées qui ont permis la naissance d’une nouvelle génération d’analyseurs d’images intégrés.

Ce document rappelle les principes de base et les caractéristiques essentielles des analyseurs d’images intégrés dont l’usage s’est généralisé dans les secteurs industriels, scientifiques, militaires, médicaux, de la télévision professionnelle et domestique, et des télécommunications.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e5520


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2. Principes de fonctionnement des analyseurs d’images CCD

Les analyseurs d’images CCD reposant largement sur la technologie MOS, nous en rappellerons quelques principes de base.

2.1 Capacité MOS (Metal Oxide Semiconductor)

La structure la plus élémentaire en technologie MOS est la capacité MOS. Cette structure constitue l’élément de base des analyseurs d’images CCD et il est donc utile d’en rappeler les principes de fonctionnement.

La figure 8 donne une vue en coupe d’une capacité MOS constituée d’un substrat de silicium, par exemple de type P (trous majoritaires), sur lequel on fait croître une fine couche d’oxyde (SiO2) d’environ 0,1 µm. Cette couche est recouverte d’une couche métal-lique ou de silicium polycristallin fortement dopé qui constitue l’électrode (ou grille) de la capacité MOS.

Si, à un instant donné, la grille est soumise à un potentiel positif, les porteurs majoritaires du silicium P (trous) sont repoussés et un déficit en trous ou puits de potentiel se forme près de la surface silicium-oxyde. Le semi-conducteur est en état de déplétion.

Comme l’indique le schéma de principe de la figure 8, une diffusion latérale de même type que le substrat, mais plus fortement dopé P+ limite latéralement la largeur du puits de potentiel.

À température ambiante, les porteurs minoritaires (électrons) créés par agitation thermique à proximité du puits de potentiel vont venir s’accumuler à l’interface et former une couche dite d’inversion. Cette accumulation se fait pendant un temps de plusieurs centaines de secondes appelé temps de relaxation.

Si la grille de la capacité MOS est rendue transparente (silicium polycristallin), la capacité MOS se transforme en élément photosensible ou photocapacité. Lorsque cette structure est soumise à un flux lumineux pendant un temps court par rapport au temps de relaxation thermique, des photons sont absorbés dans le silicium. Si leur énergie est suffisante, ils libèrent des liaisons dans le silicium et ainsi naissent des paires électron-trou. Les électrons vont alors s’accumuler dans la zone de déplétion et créer un paquet de charges électroniques dont le nombre est proportionnel au nombre de photons absorbés.

La photocapacité MOS constitue donc, dans certaines conditions de polarisation de grille, un dispositif simple de conversion optoélectronique. Son...

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