FR2773253A1 - Procede de commande d'un detecteur optique multi-elements - Google Patents

Abstract

Ce procédé permet de commander un détecteur optique à dispositif à transfert de charges comprenant plusieurs éléments photodétecteurs (PX1,... PXn) connectables chacun à une entrée parallèle d'un étage d'un dispositif à transfert de charge (CCD). Selon ce procédé : - durant la période d'intégration (T) des charges dans les éléments photodétecteurs (PX1 à PXn), ceux-ci sont soumis à une tension de polarisation (Emin) élevée; - durant chaque instant de transfert (lambdap) les éléments photodétecteurs sont connectés au dispositif à transfert de charge et la tension de polarisation est diminuée. Un tel procédé permet de diminuer la diaphonie entre pixels et d'augmenter le rendement quantique de chacun.

Description

PROCEDE DE COMMANDE D'UN DETECTEUR OPTIQUE MULTI
ELEMENTS
L'invention concerne un procédé de commande d'un détecteur optique multi-éléments plus particulièrement un dispositif de détection optique utilisant un dispositif à transfert de charge.

Certains CCD linéaires dont le pixel actif est un photo-Mos nécessitent une tension 'pst" dite de stockage sur la grille du photodétecteur (photo MOS) qui crée ainsi une zone de charge d'espace dans le silicium dans laquelle règne un champ électrique perpendiculaire à la grille. Tout photon absorbé dans cette zone de charge d'espace crée une paire électron-trou dissociée en présence d'un champ électrique interne. Le porteur libre généré dans la zone de charge d'espace est collecté dans un puits de potentiel formé près de l'interface silice-silicium (stockage en volume).

Ces porteurs photo-générés ne participent pas à la diaphonie de diffusion.

II existe, entre cette zone de charge d'espace et le substrat fortement dopé, une zone électriquement neutre susceptible d'absorber des photons. Les porteurs ainsi générés dans cette zone vont donc diffuser jusqu'à ce qu'ils soient collectés par un champ non nul ou bien recombinés.

Leur libre parcours moyen supérieur à la géométrie des pixels leur permet de diffuser statistiquement en ligne droite sous un angle solide de 2x stéradians vers les zones de charges d'espace.

Ces porteurs photo-générés participent à la diaphonie de diffusion.

Dans certaines applications, cette diaphonie doit être minimisée principalement dans les dispositifs de lecture d'informations tels que dans les dispositifs de lecture optique ou magnéto-optique de supports d'informations. En effet, il s'agit de lire des informations enregistrées de façon très dense sur un support d'enregistrement. Un tel support d'information peut être un disque optique, un disque magnétique ou une bande magnétique.

La tension sur le photo MOS qui est apportée par une commande extérieure résulte d'un compromis : d'une part, il est intéressant d'avoir une tension élevée afin d'augmenter la profondeur de la zone de charge d'espace et d'autre part il est nécessaire que cette tension soit suffisamment faible pour permettre le transfert complet des charges résiduelles vers le registre CCD afin de supprimer la rémanence ou diaphonie intertrame.

L'invention a pour but de réduire les probièmes suivants:
- améliorer la sensibilité du détecteur optique;
- diminuer la diaphonie entre éléments de photodétection voisins
- faciliter l'écoulement des charges des éléments
photodétecteurs vers le registre CCD.

L'invention concerne donc un procédé de commande d'un détecteur optique à dispositif à transfert de charges comprenant plusieurs éléments photodétecteurs (PX1,... PXn) connectables chacun à une entrée parallèle d'un étage d'un dispositif à transfert de charge (CCD), ledit procédé comprenant des périodes d'intégration séparées par des instants de transfert, caractérisé en ce que:
- durant la période d'intégration (T) des charges dans les
éléments photodétecteurs (PX1 à PXn), ceux-ci sont soumis à
une tension de polarisation (Emin) élevée;
- durant chaque instant de transfert (Xp) les éléments
photodétecteurs sont connectés au dispositif à transfert de
charge et la tension de polarisation est diminuée.

Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et les figures annexées qui représentent:
- les figures i et 2, un photodétecteur à semiconducteurs;
- les figures 3 et 4, des représentations simplifiées de
photodétecteurs et de leur CCD;
- les figures 5 et 6, un système de commande selon l'invention;
- la figure 7, une application du système de l'invention à la
lecture d'une bande magnétique.

Les figures 1 et 2 illustrent un photodétecteur à semiconducteur et son fonctionnement.

Un photodétecteur comporte sur un substrat semiconducteur faiblement résistant, une couche 1 de semiconducteur silicium dopé P par exemple, recouverte d'une couche d'isolant 2 laquelle porte une électrode 3 conductrice.

Lorsqu'un rayonnement est incident sur la couche de semiconducteur 1, les photons créent des paires électron-trou. L'application d'une tension entre le substrat et l'électrode 3 avec un potentiel positif sur l'électrode (dans le cas d'une couche 1 dopée P) a pour effet de créer une zone de charge d'espace sous l'électrode 2. La figure 2 représentant trois pixels Pn-1, Pn et Pn+1 montre les zones d'inversion Zn-1, Zn, Zn+1 créées sous les électrodes des pixels. L'allure des niveaux de potentiels est représentée en figure 1. Les charges créées par les photons sous une électrode devraient normalement être attirées dans la zone d'inversion située sous cette électrode. La quantité de charge ainsi accumulée correspondra à la quantité de lumière détectée. Cependant, certains électrons peuvent être captés dans la zone située au-dessous de la zone de charge d'espace ou être recombinés par un trou dans le substrat.

Un électron créé au point x (figure 2) peut être capté par le substrat et se recombiner avec un trou. Un tel électron ne participe donc pas à la photodétection et implique une diminution de la sensibilité du détecteur.

L'électron au point x peut également diffuser vers les zones d'inversion voisines de la zone Zn. La longueur de diffusion d'un électron est plus grande que la dimension d'un pixel. Un électron pourra par exemple être capté par la zone Zn+1. II ne participera donc pas à la photodétection du pixel Pn mais d'un pixel voisin. II y aura donc diaphonie à la détection en raison du fait que les électrons créés sous une électrode Pn seront captés par les zones d'inversion d'électrodes voisines.

II est possible de calculer la probabilité de capture d'un électron par les puits de potentiels formant les capacités des pixels en fonction du point de photo-génération du pixel et donc la diaphonie. Suivant ce modèle, un électron généré au point X a une probabilité d'aller vers une zone Zi proportionnelle en première approximation à l'angle solide sous lequel il voit
Zi.

Selon l'invention, on prévoit d'augmenter la tension appliquée à la structure entre l'électrode et le substrat. Par exemple, on a constaté qu'en appliquant une tension de 2V on a une profondeur de zone d'inversion de 8 pm et en quadruplant cette tension on a un gain de 2. A 780 nm la diaphonie calculée est réduite d'un facteur 3 et à 830 nm la diaphonie est réduite d'un facteur 3,4.

En augmentant la profondeur de la zone de charge d'espace on réduit les angles solides sous lesquels les électrons voient les pixels voisins.

Ils ont donc plus de chance d'être captés par la zone d'inversion sous laquelle ils ont été créés. La valeur d'efficacité quantique croit toutes autres choses étant égales par ailleurs, lorsque la zone de charge d'espace croît en effet, la majorité des paires électrons trous dans la zone de charge d'espace contribue à la sensibilité, alors qu'environ la moitié de ces paires est perdue en-dehors de ces zones.

Ainsi, régler la tension pour agrandir la zone de charge d'espace permet potentiellement d'améliorer le facteur de mérite FTMxSNR et rend utilisable des lasers à grande longueur d'onde même jusqu'à 830 nm qui présente actuellement des caractéristiques de stabilité et de puissance lumineuse intéressantes pour des systèmes à imagerie rapide à faible consommation.

Par ailleurs, le rapport de l'efficacité quantique entre 780 et 830 nm est de 1.3. Ce rapport expérimental est en accord raisonnable avec le modèle pour une profondeur de déplétion estimée à 5 pm. La valeur d'efficacité quantique à une longueur d'onde donnée augmente quand la zone dépletée croit. En effet, si on considère que la moitié des électrons émis dans la zone à champ nul ne contribue pas au rendement quantique (hypothèse d'équiprobabilité des directions initiales prise par un électron lors de sa photo-génération), L'autre moitié des charges photo-générées contribue soit à la diaphonie, soit à l'efficacité. Cette efficacité est calculée approximativement par le nombre d'électrons générés sous le pixel (la diaphonie étant ainsi négligée), les autres électrons étant comptabilisés pour le calcul de la diaphonie.

Cependant, I'augmentation de la tension aux bornes de la structure, si elle facilite la capture des charges, rend difficile ensuite leur écoulement vers le registre de CCD dans lequel elles seront traitées.

La figure 3 représente de façon simplifiée un pixel photodétecteur
PX connecté à un étage d'un registre CCD par un commutateur MOS. La figure 4 représente la connexion des différents photodétecteurs PX1 à PXn aux étages du registre à décalage CCD. Lorsque les commutateurs MOS1 à
MOSn sont conducteurs, les photodétecteurs PX1 à PXn peuvent se décharger dans les étages du registrer CCD. Cette décharge doit se faire le plus rapidement possible et avec une rémanence réduite. Une tension de commande élevée est contradictoire avec ces exigences.

L'invention prévoit donc de commander les éléments photodétecteurs avec une tension variable dans le temps, élevée durant la phase d'intégration (durée de l'ordre de la microseconde) et faible durant la phase de transfert (durée de l'ordre de la dizaine de nanosecondes). La durée durant laquelle la tension est faible peut dépasser la durée du transfert vers le registre CCD sans inconvénient : ainsi, la synchronisation du signal de commande des photodétecteurs et d'impulsion de transfert n'est pas problématique. Hors de la période de transfert, la valeur de tension n'est plus limitée que par des contraintes physiques liées au dispositif (par exemple limites de champs électriques dans les oxydes). La zone de charge d'espace peut donc être plus étendue. Ainsi la diaphonie de diffusion interpixel est réduite par cette nouvelle mise en oeuvre du composant.

Le dispositif CCD possède alors des performances de résolution d'image améliorées sans dégrader aucune autre caractéristique. En fait, certaines charges perdues vers le substrat en adressage classique sont récupérées vers la capacité de stockage. Cette méthode permet d'améliorer légèrement l'efficacité "quantique" du CCD considéré.

Sur la figure 5, on a représenté un diagramme représentant les positions relatives dans le temps du signal de commande VST des photodétecteurs et de l'impulsion transfert Xp.

Ces signaux sont fournis à partir d'un circuit logique de commande CTRC qui fournit différents signaux cycliques.

Les signaux fL1 et fL2 sont par exemple les signaux d'horloge qui déclenchent à intervalles réguliers le signal de commande VST durant les temps T.

Par exemple, la mise au niveau bas de VST est commandé par un flanc montant d'une impulsion fL1. Le flanc descendant de fL1 permet la production de l'impulsion de transfert fp. Celle-ci doit être terminée avant le flanc montant de l'impulsion fL1 suivante dont le flanc descendant déclenche le signal de commande VST suivant.

Le signal RST qui commande les décalages dans le registre à décalage est également synchronisé avec les signaux fL1, fL2.

Dans la description qui précède, on a considéré une barrette de photodétecteurs, mais l'invention est applicable à une matrice de photodétecteurs. A chaque rangée de photodétecteurs sera alors associé un registre CCD.

L'invention est applicable préférentiellement à la lecture de supports d'enregistrements tels que des disques optiques, des disques magnétiques ou des bandes magnétiques. En effet, dans de tels systèmes, la densité des informations sur le support est telle qu'il peut être déjà délicat d'en effectuer la lecture. II convient donc de prévoir un système de lecture qui évite d'introduire de la diaphonie lors de la lecture.

La figure 7 représente de façon simplifiée un tel système.

Ce système comporte un transducteur magnétooptique TR prévu pour être placé à proximité d'une bande magnétique BM. La bande magnétique est porteuse de pistes d'informations pi à pn. Ces pistes peuvent être très étroites et très proches les unes des autres (au pas par exemple de quelques dizaines de micromètres). Une source lumineuse SO transmet à ce transducteur un faisceau lumineux FL1 de forme plane. Ce transducteur réfléchit ce faisceau sous la forme d'un faisceau FL2. Comme cela est décrit dans le brevet français n" 2 656 723, le faisceau FL2 est localement influencé (rotations de polarisations) dans le transducteur par les différents champs magnétiques induits par les pistes de la bande magnétique. Un polariseur POL placé sur le trajet du faisceau FL2 permet d'éliminer une composante de polarisation de la lumière et donc de traduire des rotations de polarisation en intensités lumineuses. De préférence, le faisceau FL1 est un faisceau de lumière polarisée. Le faisceau est ensuite reçu et détecté par les photodétecteurs PX1 à Pxn.

On retrouve ensuite les commutateurs MOS1 à n et le registre à décalage CCD de la figure 4.

Dans un tel système, on a constaté qu'avec un faisceau de lecture de longueur d'onde 780 nm, on a réduit la diaphonie d'un facteur 3 et avec un faisceau de longueur d'onde 830 nm, on l'a réduite d'un facteur 3,4.

Ces réductions de diaphonie se traduisent en gain du rapport signalibruit de 1,8 dB à 780 nm de longueur d'onde et de 2,4 dB à 830 nm de longueur d'onde.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1. Procédé de commande d'un détecteur optique à dispositif à transfert de charges comprenant plusieurs éléments photodétecteurs (PX1,

PXn) connectables chacun à une entrée parallèle d'un étage d'un dispositif à transfert de charge (CCD), ledit procédé comprenant des périodes d'intégration séparées par des instants de transfert, caractérisé en ce que:

- durant la période d'intégration (T) des charges dans les

éléments photodétecteurs (PX1 à PXn), ceux-ci sont soumis à

une tension de polarisation (Emin) élevée;

- durant chaque instant de transfert (hop) les éléments

photodétecteurs sont connectés au dispositif à transfert de

charge et la tension de polarisation est diminuée.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que durant chaque instant de transfert la tension de polarisation est sensiblement nulle.

3. Application à un système de lecture de support d'information du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte:

- une source lumineuse émettant un premier faisceau lumineux (Fi);

- un transducteur optique (TR) destiné à être placé à proximité

d'un support d'information (BM) recevant le premier faisceau

lumineux (FL1) influençant localement le faisceau lumineux en

fonction des informations du support d'informations et

retransmettant un deuxième faisceau lumineux (FL2) porteur

d'informations lues sur le support d'informations;

- un ensemble d'éléments photodétecteurs (PX1 à n) recevant le

deuxième faisceau lumineux;

- un dispositif à transfert de charge (CCD);

- un ensemble de dispositif de connexion (MOS1 à n) capables

de connecter le dispositif à transfert de charge (CCD) à

l'ensemble d'éléments photodétecteurs.

4. Application selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source (SO) émet un faisceau de lumière polarisée et qu'un polariseur est prévu sur le trajet du deuxième faisceau (FL2) entre le transducteur (TR) et les éléments photodétecteurs (PX1 à n).