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RÉSUMÉ
Les dispositifs à transfert de charges regroupent toute une génération de circuits électroniques, de la ligne à retard analogique jusqu’aux imageurs les plus performants utilisés dans les caméras embarquées à bord de satellites, en passant par les machines d’analyse et transmission de document dans l’industrie et le médical, mais aussi les appareils photos numériques… Après le rappel de quelques notions physiques, cet article s’attarde sur chacun de ces dispositifs. Sont présentés leurs principes de fonctionnement, les bénéfices de la technologie actuelle CMOS et leurs performances dans leurs différentes architectures.
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Auteur(s)
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Gilles BOUCHARLAT : Ingénieur de l’Institut National Polytechnique de Grenoble (I.N.P.G.) - Docteur-Ingénieur en Sciences Physiques - Responsable Programmes R & D chez Atmel
INTRODUCTION
Lorsque, en 1969, Sangster et Teer inventèrent les « chaînes à seaux » – Bucket-Brigade en anglais –, sans doute n’avaient-ils pas idée de la porte qu’ils ouvraient devant eux, avec l’apparition de ce nouveau type de composant. En effet, sur la base de travaux parallèles et conceptuellement très voisins, Boyle et Smith publièrent en 1970 leurs premiers résultats sur leurs dispositifs à transfert de charge (DTC), regroupés sous le terme anglais de Charge Coupled Devices (CCD), circuits qui allaient permettre le développement extraordinaire de l’imagerie électronique, et sa mise à la portée du plus grand nombre grâce au « caméscope », puis à « l’appareil photo » numérique.
C’est en effet sur la base de ces dispositifs que vont se développer progressivement toute une génération de circuits électroniques, depuis la simple ligne à retard analogique ou le multiplexeur analogique, jusqu’aux imageurs les plus performants utilisés tant dans les applications « grand-public » que dans les caméras embarquées à bord de satellites, en passant par les machines d’analyse et transmission de document, plus connues sous le nom de « fac-similé », les caméras industrielles, la radiographie médicale...
Après avoir rappelé les quelques notions nécessaires pour la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans ces dispositifs, nous examinerons leur fonctionnement dans les différents dispositifs évoqués ci-dessus, avec une part belle faite aux applications d’imagerie. Nous développerons alors les performances de ces composants dans leurs différentes architectures.
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5. Fonctionnement en capteur d’image
L’utilisation des dispositifs à transfert de charge comme capteur d’image a été l’un des puissants moteurs de leur développement en vue de remplacer les tubes de prise de vue (composants encombrants, réputés fragiles, alimentés sous haute tension, et à faible durée de vie), d’abord pour les applications professionnelles, très rapidement relayées par celles destinées au grand public.
En effet, la très bonne sensibilité du silicium à la lumière visible jointe à sa prédominance comme matériau de base de l’électronique intégrée moderne a permis le développement des technologies et a conduit à des réalisations miniaturisées propices à la réalisation d’imageurs à très bonne résolution spatiale.
Ces propriétés sont mises en œuvre dans un certain nombre de dispositifs, dont les architectures s’articulent autour de deux types de point image, ou pixel (abréviation anglaise de picture element), la photodiode et le photoMOS, et seront détaillées ci-après.
5.1 Entrée de signal optique
Dans un cristal semi-conducteur idéal, les électrons soit participent aux liaisons du réseau (ils ont alors une énergie dite de valence Ev), soit sont libres dans le réseau (dans ce cas ils ont une énergie dite de conduction Ec, supérieure à la précédente). Il n’y a pour eux aucun niveau d’énergie permis entre les deux. La bande d’énergie située entre ces deux niveaux est appelée bande interdite ou gap, et sa « largeur » Eg est définie par :
Plusieurs phénomènes fournissent assez d’énergie au cristal pour que les électrons s’arrachent au réseau en franchissant cette bande interdite. Nous en retenons deux qui agissent concurremment.
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Agitation thermique : pour un réseau cristallin à...
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Fonctionnement en capteur d’image
ANNEXES
Les dispositifs actuellement sur le marché (2005) sont cités dans le tableau .
Ces circuits présentés tableau combinent les avantages de la technologie à transfert de charges (CCD) pour le stockage et la manipulation du signal, et de la technologie CMOS pour la réalisation de fonctions électroniques usuelles. Fonctionnant sous 5 V, ils contiennent ainsi des oscillateurs à PLL (Phase Locked Loop) intégrée, les générateurs d’horloge et de polarisation, les circuits interfaces vers les registres DTC et les échantillonneurs de sortie. Ils sont disponibles en boîtiers SOP (Small Outline Package) 16 broches ou SSOP (Shrink Small Outline Package) 20 broches.
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