X. Dispositifs à transferts de charges (CCD)

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Principe de fonctionnement : stockage et transfert des charges. Applications des CCD.

1. Principe de fonctionnement

Un dispositif à transferts de charges (CCD = charge coupled device) est constitué d’une chaîne de cellules MOS permettant de stocker et de déplacer des charges sur commande.

1.1. Stockage des charges dans une cellule

Soit un substrat de type P recouvert d’une couche d’oxyde sur lequel est déposée une électrode métallique (aluminium par exemple). Une telle cellule est représentée ci-contre.

L’application d’un potentiel \(\Phi\) positif sur l’électrode par rapport au substrat provoque la création d’une zone vide de porteurs majoritaires sous l’électrode.

Pour une valeur de \(\Phi\) supérieure à la tension de seuil (théorie du MOS), il y a création d’une couche d’inversion dans le semi conducteur au voisinage de l’électrode.

Ces charges proviennent de la génération thermique, en l’absence d’apport de charges extérieures. Il y a stockage de charges (électrons).

À l’équilibre, la charge maximale stockée (nombre d’électrons), qui dépend de la tension \(\Phi\), de la capacité d’oxyde et de la surface A de l’électrode, peut s’écrire, en première approximation : \[N_{max}=\frac{C_{ox}~\Phi~A}{q}\qquad\qquad C_{ox}~:~\text{capacité / unité de surface}\]

La structure CMOS est assimilable à un puits capable d’emmagasiner une certaine quantité de charge. Lorsqu’on applique brutalement une tension positive de valeur suffisante, il se crée une zone vide, le puits, qui s’emplit lentement de porteurs minoritaires (électrons) d’origine thermique.

La génération thermique est un phénomène lent. Il est possible d’amener la charge négative de l’extérieur de la cellule avant que ne s’accomplisse le phénomène de génération thermique.

La charge injectée constitue une information. L’information n’est pas stockée de façon permanente.

1.2. Transfert de charges

1.2.1. Cas de deux cellules

On considère deux cellules MOS suffisamment voisines de façon à que les zones vides (c’est-à-dire les puits) parviennent à se rejoindre. Il y a couplage entre ces cellules.

Toute charge minoritaire viendra ainsi s’accumuler au point où le potentiel est le plus élevé, c’est-à-dire sous l’électrode de potentiel \(\Phi\) le plus élevé.

1.2.2. Cas de trois cellules

Considérons à présent une chaîne de trois cellules dont les électrodes sont reliées à trois sources de tension périodiques, décalées entre elles d’un tiers de période.

La figure montre comment se produit le transfert de la charge dans l’ensemble des trois cellules, l’état des cellules en fonction de l’évolution des trois tensions :

  1. Au temps \(t=t_a\), le potentiel appliqué à la première électrode est supérieur à celui des deux autres.

    Toute la charge est stockée dans la première cellule.

  2. \(\Phi_2\) est supérieur à \(\Phi_1\) qui décroît.

    La charge initialement stockée dans la première cellule est transférée dans la deuxième cellule.

  3. Toute la charge est stockée dans la deuxième cellule.

  4. \(\Phi_3\) est supérieur à \(\Phi_2\) qui décroît.

    La charge stockée dans la seconde cellule est transférée dans la troisième, etc.

Chaque cellule est successivement :

  • bloquante pour \(\Phi=\Phi_{min}\) ;

  • émettrice pour \(\Phi_{min}<\Phi<\Phi_{max}\) ;

  • réceptrice pour \(\Phi=\Phi_{max}\).

1.3. Efficacité du transfert

Une petite quantité de charges est perdue pendant le transfert.

On peut définir l’efficacité \(\varepsilon\) par : \[\varepsilon=\frac{Q_i-Q_{i+1}}{Q_i}\]

  • \(Q_i\) : quantité de charges dans la cellule \(i\) avant le transfert

  • \(Q_{i+1}\) : quantité de charges dans la cellule \(i+1\) après le transfert

Les mécanismes responsables de l’inefficacité de transfert sont :

  • la fréquence du signal d’horloges (\(\Phi_1,~\Phi_2,\Phi_3\)) trop élevée ;

  • le piégeage des charges à l’interface \(Si~/~SiO_2\).

2. Applications des CCD

Les principaux domaines d’application sont l’imagerie, le traitement de signal et les mémoires digitales.

Dans les barrettes photosensibles, les charges sont produites par la lumière sur une barrette de MOS photosensibles. On obtient ainsi une image électrique de la lumière atteignant la barrette, information qui est transférée en sortie, donc lue en faisant fonctionner les horloges. Une application directe est la télécopie, où la lecture se fait ligne par ligne.

Dans les matrices photosensibles, la partie supérieure est une matrice d’intégration optique ; en chaque point est créée, pendant la période d’intégration, une quantité de charges proportionnelle à l’intensité lumineuse. Ces charges sont ensuite transférées dans la section de stockage lecture, puis transférées ligne par ligne dans le registre de lecture, vers la sortie. On peut intégrer une image pendant la lecture précédente.

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