La micro électronique au service de la photographie

I-Notions d’électricité :   Pour ceux ou celles qui maitrisent les notions d'électricité de base telles que la tension, le principe d'un champ électrique, l'intensité ou encore la résistance,  vous pouvez directement aller vers les semi conducteurs en II : cela vous dispensera des explications :)

La photodiode est un composant électrique : les notions de tension, de résistance, d’intensité et de courant électrique vont revenir constamment…

Effectivement ce qui distingue profondément la photographie numérique de ses prédécesseurs c’est l’utilisation de la microélectronique : désormais les appareils doivent être alimentés d’un courant électrique fournit par une batterie (d’où la nécessité de recharge régulière)

  1. Le courant et le champ électrique  

Un courant électrique qu’est-ce que c’est au juste ? on entend souvent ce terme physique, sans réellement prendre pleinement conscience de sa signification.

→ Un courant électrique désigne un flux de particules chargées négativement ou positivement qui est emporté par un champ électrique.

  • Un champ électrique désigne en quelque sorte une interaction électromagnétique à distance (en effet la notion de champ est souvent introduite pour décrire les interactions à distance), plus précisément l’effet, l’action d’une particule chargée (positivement ou négativement) sur son milieu. Car lors d’une interaction électrostatique entre deux particules chargées, la force ressentie par l’une des particules provient de l’effet de ce champ électrique. L’action d’une particule chargée sur son milieu s’exerce en tout point dans l’espace qui l’entoure. D’où la formule issue de la loi de Coulomb : on sait que F = kQq\D² donc E = F\q où le champ électrique E à pour unité N\C. Une charge positive exercera des forces qui s’éloignent d’elle en radiant, à l’inverse une charge négative exercera des forces qui convergent vers elle.
  • Schematisation champ electrique                                                 Une charge positive (à gauche) et une charge négative (à droite) qui exercent un champ électrique.

Suivant ce raisonnement une particule dont la charge serait insignifiante serait attirée ou repoussé suivant les charges à l’origine du champ électrique où elle se  trouve.

  • Ainsi dans un courant électrique les particules positives sont emportées dans le sens du champ électrique et les particules négatives dans le sens inverse.

Lorsqu’on branche un fil électrique on lui applique un champ électrique, et ce fil sera traversé d’un courant.

 

  1. Tension et Intensité du courant

→ La tension électrique est un principe physique assez délicat à expliquer, elle   pourrait se résumer comme une différence de potentiel entre deux points du circuit électrique. Par exemple dans un circuit en série avec deux lampes la tension aux bornes des deux lampes pourrait être vu comme la différence de potentiel avant la première et après la seconde lampe.La tension electrique dans un circuit en serie

                                                                                         Exemple d'un circuit en série avec deux lampes 

Par exemple, ici la tension aux borne des deux lampes serait de 12 V : avant la première lampe le potentiel est de 12 après la seconde lampe le potentiel serait de 0 soit une différence de 12 donc une tension U = 12V

La tension est notée U et elle s’exprime en volt (V).

→ L’intensité d’un courant est peut-être en revanche plus simple à expliquer.

On sait qu’un courant électrique est un courant de particules chargées : des électrons (La capacité d’un matériau à « conduire » ces électrons sera expliquée par la suite). L’intensité du courant correspond en quelque sorte au débit d’électrons qui traversent le circuit en un point (dans un circuit en série) cette intensité est la même en tout point du circuit.

L’intensité s’exprime en Ampère (A)

→ Cette définition de l’intensité d’un courant, nous amène naturellement à parler, de la résistance. La résistance peut se voir facilement comme un filtre ou un frein dans ce flux d’électrons, même si elle est appliquée en un point, son effet affecte l’ensemble du courant électrique qui traverse le circuit (cas d’un circuit en série), elle ne laisse passer le courant qu’à une certaine intensité. L’unité de résistance est l’Ohm (ꭥ)

 

II-Les semi-conducteurs :

Le niveau de connaissance en électricité ne s’arrête pas là, afin de comprendre un aspect important de la photodiode il faut comprendre ce qu’est un matériau dit semi-conducteur.

La conduction d’un matériau désigne sa disposition à conduire des électrons dans sa structure, c’est-à-dire à accepter leur mouvement, on parle d’électrons libres.

 

A. Les niveaux d’énergie 

 

→ En effet chercher à décrire la conductivité d’un matériau c’est nous reporter à l’organisation en quelques sorte de tous les électrons dans la structure.

Et cette organisation, c’est la physique quantique qui nous la donne.

Pour bien comprendre partons de l’atome. En physique classique les électrons d’un atome gravitent autour du noyau de nucléons suivant des trajectoires elliptiques (selon le modèle de Bohr), comme les planètes gravitent autour du soleil.Modele de l atome

                                                                                                                    Modèle de l’atome (Physique Classique)

Mais en Physique quantique, c’est bien différent : les électrons n’ont pas de positions bien définie, ceux-ci ont une certaine probabilité d’occuper une région de l’espace autour du noyau, on parle d’orbitale atomique.Modele quantique de l atome

                                                                             Modèle quantique de l’atome avec les positions possibles des électrons autour de l’atome

  • L’orbitale atomique est associé à l’état quantique de l’électron : pour un état quantique l’électron possède un niveau d’énergie définis, toutefois dans un atome les électrons ne peuvent avoir le même état quantique.

Enfin ces états quantiques sont remplis par les électrons par niveaux d’énergie croissant

Exemple : pour l’hydrogène Z = 1 il n’y a qu’un électron donc seulement un état quantique et un niveau d’énergie rempli. Par contre pour l’hélium Z = 2 il y’a deux électrons l’état quantique noté E₁ est d’abord rempli par un électron, puis E₂ avec le niveau E₁.

 

B. La théorie des bandes et la conductivité des matériaux 

 

  • Dans un atome les électrons ont des niveaux d’énergie définis et précis.

 

  • Dans un solide la situation est intermédiaire, c’est-à-dire : les électrons peuvent occuper n’importe quel niveau d’énergie, mais au sein d’un intervalle lui aussi précis est propre à la structure en question, on parle de bandes d’énergie. Dans cet intervalle il existe plusieurs bandes auxquelles l’énergie des électrons peut appartenir (bandes permises) comme il en existe d’autre auxquelles l’énergie des électrons ne peut appartenir (bandes interdites).

A l’état fondamental, c’est-à-dire au 0 absolue (0 Kelvin/-273°C) deux bandes d’énergies nous intéresse : la bande de valence et de conduction.

  • La bande de valence est composé de niveaux d’énergie tous occupés par les électrons, dans cette bande les électrons participent à la cohésion de l’ensemble du matériau.
  • La bande de conduction est supérieure ou égale à la bande de valence, dont ses niveaux d’énergie ne sont occupés par aucun électron.

Ces deux bandes sont séparés de ce qu’on appelle un « gap » qui peut être franchi.

Après toute cette explication (assez lourde je vous l’accorde), nous en arrivons à la conductivité de nos matériaux, car c’est précisément la composition de ces deux bandes qui va nous permettre de les distinguer les uns des autres.

→ Lorsque la bande de valence est totalement remplie mais surtout que certains niveaux d’énergie de la bande de conduction sont occupés par des électrons. Alors ces électrons peuvent se déplacer dans la structure et participer à la conduction électrique. Le matériau en question est dit alors « conducteur ». Généralement, la bande de conduction et de valence se chevauchent rendant le gap inexistant et permettant les électrons libres de voyager.

→ Lorsque la bande de valence est totalement remplie, mais qu’aucun niveau d’énergie de la bande de conduction est occupé par un électron et que le gap est beaucoup trop important pour être franchi, le matériau est « isolant »

→ Enfin lorsque la bande de conduction n’est pas remplie, mais que le gap à franchir est relativement faible alors une simple excitation par agitation thermique ou échange lumineux peut amener un électron de la bande de valence à se détacher de la structure et à occuper un niveau d’énergie de la bande de conduction ! Le matériau se comporte comme un conducteur, on parle de semi-conducteur !Theorie des bandes                                                                                               Ici un schéma reprenant la théorie des bandes

 

NB : Des isolant peuvent aussi se comporter comme des conducteurs, si ces derniers sont soumis à un très haute élévation de la température, comme par exemple en les exposant à des rayons gamma.

 

Comment un ou plusieurs électrons libres vont pouvoir au juste permettre la conduction du courant électrique ?

  • Lorsqu’un électron d’un atome se détache de sa structure : il crée un trou.

On parle d’une paire d’électron-trou. Ce trou va pour ainsi dire être mobile, en effet les électrons des autres atomes de la structure vont se précipiter les uns après les autres pour chercher constamment à remplacer ce trou. Résultat le trou se déplace d'atome en atome !

→ Dans le cas où le semi-conducteur est au sein d’un circuit, chaque paire d’électron-trou se déplace vers l’extrémité du semi-conducteur. Dès lors un électron du circuit électrique vient à son tour combler le trou et l’effet se propage dans tout le circuit électrique.

Remarquons  que ces trous peuvent être assimilé à des charges positives, en effet chaque atome sur lequel ce trou va se déplacer peut être vu pendant un court instant comme un cation (un ion positif), en tant que charges positives ces trous se déplacent alors dans le sens du champ électrique appliqué, les électrons eux se déplacent donc dans le sens contraire du champ électrique.

Ainsi par une simple excitation thermique, notre semi-conducteur conduit le courant électrique ! c'est pas beau ça ?Deplacement d un trou dans un semi conducteur 2Deplacement d un trou dans un semi conducteur au silicium

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L’animation ci-contre illustre le principe : on voit bien que le trou (en rouge) se déplace dans le sens contraire à celui des électrons (en noir), c’est-à-dire dans le sens du champ électrique E

B. Le dopage d’un semi-conducteur

 

Le fonctionnement de ces semi-conducteurs, déjà très utile peut-être amélioré : Prenons l’exemple d’un semi-conducteur omniprésent dans la microélectronique : Le silicium Si. Un semi-conducteur au silicium à une conductivité quasi nulle. Pour augmenter celle-ci on injecte explicitement des impuretés dans le réseau, on parle de dopant.

Dans le cas du silicium deux types de dopages sont utilisés :

  • Le premier consiste à injecter un atome de phosphore P dans le réseau. En effet le silicium (Z = 14) à 4 électrons de valence, le phosphore lui possède 5 électrons de valence soit un de plus qu’il n’en faut. Il formera 4 liaisons covalentes avec des atomes de silicium, l’atome P jouera le rôle de donneur d’électron et se transformera en cation, l’électron libre quant à lui se déplacera librement d’atome en atome. Le fait qu’il se déplace d’atome en atome crée en quelque sorte des charges négatives mobiles. Le dopant génèrera des niveaux d’énergies proche de la bande de conduction. Ainsi le semi-conducteur pourra conduire beaucoup plus facilement le courant électrique, qu’auparavant. On parle de dopage de type n (pour négatif).Dopage type n d un semi conducteur au silicium

                                                    Illustration d’un dopage type n d’un semi-conducteur au silicium.

  • Le deuxième type de dopage repose sur la démarche inverse, il consiste à injecter ici un atome de bore B. Celui-ci possède 3 électrons de valence, il ne pourra donc pas établir 4 liaisons avec les atomes de silicium du réseau et donnera un trou dans la structure. Les atomes de silicium seront successivement donneur d’électron au fur et à mesure du déplacement du trou dans la structure, ainsi des charges positives se déplaceront dans la structure suivant le déplacement du trou. Là aussi ce trou, fera régner une certaine agitation dans la structure, un niveau d’énergie sera généré mais cette fois ci, beaucoup plus proche de la bande de valence. Le semi-conducteur pourra alors plus facilement conduire le courant électrique (beaucoup moins que lors d’un dopage type n, où le semi-conducteur est presque un matériau conducteur à part entière), on parle de dopage de type p (pour positif).Dopage type p d un semi conducteur au silicium

                                                    Illustration d’un dopage type p d’un semi-conducteur au silicium.

 

 

 

 

IIl-Etude de la photodiode :

 La photodiode est un composant, qui comme son nom l’indique repose sur le    principe de la diode, mais quel est le principe d’une diode ?

Avant de manipulé la photodiode nous avons donc décidé de nous informer en ce qui concerne le fonctionnement d’une diode.

  1. La diode en bref

Le fonctionnement d’une diode repose sur ce qu’on appelle en électricité une jonction.

→ Nous avons parlé auparavant de dopage n ou p, une jonction désigne la mise en contact entre un semi-conducteur dopé n (une zone n) et un semi-conducteur dopé p (une zone p).Jonction pn

                                                                                                      Schématisation d’une jonction PN.

Lors de la mise en contact les trous de la zone p viennent rencontrer les électrons libres de la zone n, et ceux-ci se recombinent pile sur la ligne de contact entre les deux zones, on parle par la suite d’une zone de déplétion, c’est-à-dire une zone isolante.Recombinaison et zone de depletion

                                  Recombinaison des trous de la zone p et des électrons de la zone n et formation de la zone de déplétion.

 

Mais quel est l’intérêt ?

→ Lorsque nous décidons de faire traverser la jonction par un courant, celui-ci ne peut aller que dans un sens et pas dans un autre. En effet nous ne sommes plus sans savoir qu’appliquer un courant c’est en quelque sorte pousser les électrons d’un côté et les tirer de l’autre suivant le sens du champ électrique.

On parle de polarisation. Une diode peut être polarisée en inverse ou en direct.

  • En polarisation inverse, on branche la borne positive du générateur à la zone n, et la borne négative à la zone p.Polarisation inverse d une jonction pn

                                                                                                 Polarisation inverse d’une jonction PN.

Dès les premiers instant les électrons sont tirés, aspiré par la borne positive (c’est comme s’il y avait des trous), et des électrons sont injecté dans la zone p.

→ Les trous de la zone p se recombinent avec les électrons qu’on lui injecte, toutefois arrivera un moment où tous les trous de la zone p seront « rebouchés » et il n’y a pas de trous dans la zone n pour accueillir ces électrons. Le mouvement est alors stoppé du côté de cette borne.

→ Pareil du côté de la zone n, les électrons sont aspirés, mais arrivera un moment où il n’y aura plus d’électrons dans cette zone, et étant donné qu’il n’y a pas d’électrons dans la zone p pour remplacer ceux aspirés, le mouvement et stoppé lui aussi du côté de cette borne.

Résultat une diode polarisée en inverse ne laisse pas passer le courant.

 

  • Lors d’une polarisation inverse on branche la borne positive du générateur à la zone p, et la borne négative à la zone n.Polarisation directe d une jonction pn

                                                                    Polarisation directe d’une jonction PN.

On injecte ainsi en quelque sorte des trous dans la zone p, et des électrons dans zone n.

→ Ainsi les trous et électrons recombinés dans la zone de déplétion et disparaissant constamment, sont remplacés en permanence par de nouveaux trous et de nouveaux électron fournis par les bornes du générateur. Le courant n’est pas stoppé.

Ainsi une diode polarisée en direct laisse passer le courant.

 

Attention : Il existe une différence de potentiel dans les jonctions qui varie selon les semi-conducteurs et les proportions d’éléments dopants. Pour une jonction de semi-conducteur au silicium dopé p et n le potentiel de jonction est de 0.6V environ. Ainsi le potentiel appliqué à l’anode (zone p) doit être supérieure à celui appliqué à la cathode (zone n) plus le potentiel de jonction.Diode anode cathode                                                    Représentation conventionelle d'une diode (U.S.A et Europe).

Exemple : Pour qu’une diode au silicium puisse être passante (pour qu’elle puisse laisser passer le courant) on doit avoir Ua > Uc + 0.6V

                                                           Voilà à quoi ressemble une diode.Diode
 

  1. Etude de la Photodiode

Après nous être familiarisés avec de nombreuses notions en électricité, qui avaient pratiquement disparues de notre mémoire (quoique pourtant survolées au collège), nous avons pu nous diriger vers l’étude de la photodiode.

 

→ Pour essayer de répondre à un certain nombre de questions autour de la photodiode nous avons décidés d’aller mettre en place une expérience pour pouvoir être directement confrontés à ce fameux microcomposant.

Etant donné le rapport essentiel, que tient le capteur avec la lumière, nous n’étions pas sans douter de cette même relation avec la photodiode. Pour la première fois face à une photodiode, nous avons donc joué sur cette relation et essayé de distinguer son comportement en exposition à la lumière.

 

Première Manipulation : Familiarisation avec la photodiode

Notre matériel durant la manipulation fut le suivant :

  • Une photodiode (BPW 34 composée de silicium Si dopé p)
  • Une Résistance de 15 kΩ
  • Deux multimètres
  • Un générateur de tension alternative
  • Une plaque lab.
  • Une lampeMateriel 1er tp

                                                         Voici une photo de notre matériel lors de notre 1er TP.

Photographie photodiode                                                                    Voici la photodiode avec laquelle nous avons manipulé.

 

Pour commencer nous avons tout d’abord dû mettre en place le branchement en série. Quoiqu’intuitif, nos souvenirs de montages au collège étaient loin, aussi nous avons dans un premier temps eu besoin d’aide…

→ Il s’agissait de réaliser un montage en série. Tel que celui-ci, remarquons qu’une photodiode se représente comme une diode polarisée en inverse (nous en parlerons par la suite).Schema d un branchement en serie photodiode 1

                                                               Voici le schéma du montage réalisé.

 

Une fois le montage réalisé, le générateur allumé (sur 3V) et les multimètres branchés nous observons les résultats :

  • Dans un premier temps l’intensité est nulle (0.00A), il n’y a pas de courant, la photodiode se comporte ici comme une diode originale polarisée en inverse…
  • On retrouve toutefois une tension (3.157V), on remarque d’ailleurs qu’elle correspond quasiment à la tension délivrée par le générateur.

Nous augmentons la tension délivrée par le générateur, la tension aux bornes de la photodiode évolue de la même manière : elle ne cesse de correspondre à la tension délivrée par le générateur. L’intensité quant à elle n’a toujours pas bougé…

→ Nous poursuivons notre manipulation et allumons la lampe mise à notre disposition, nous la braquons face à la photodiode.

  • Déjà l’intensité augmente (0.16mA), il y’a donc présence de courant !
  • En revanche la tension elle diminue.

En fin d’expérience on en conclue que la lumière à bel et bien un rôle dans l’apparition du courant. Une question en revanche s’ouvre à nous pourquoi la tension diminue-t-elle ?

 

Partis sur ces observations nous avons décidé d’aller plus loin et de réaliser le même montage, en introduisant deux nouveaux paramètres : l’intensité lumineuse, et la distance de la source lumineuse par rapport à la photodiode.

 

Pour cette nouvelle expérience, notre matériel fut le même que la première auquel viennent s’ajouter :

  • Un rhéostat
  • Un luxmètre

Le rhéostat est une résistance à degrés variable, qui nous a permis d’obtenir une source lumineuse à intensité variable.

Pour des résultats optimaux la manipulation a été réalisée dans le noir.

20151117 102322

                                                     Ici une photographie de la photodiode éclairée et juste au-dessus du luxmètre.

20151117 102338

20151117 102412                                                               Voici des photos de notre manipulation.

Intensité lumineuse (en lux)

 

06.5lux

 

17.7lux

 

36.1lux

 

66.0lux

 

110lux

 

167lux

 

 233lux

Intensité du courant délivré (en µA)

 

  2.2µA

 

 3.4µA

 

  5.6µA

 

 7.0µA

 

 9.6µA

 

12.6µA

 

15.7µA

Tension aux bornes de la photodiode (en V)

 

 6.02V

 

 5.90V

 

  5.74V

 

 5.54V

 

 5.27V

 

 

 4.90V

 

 4.67V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

De ces résultats nous en convenons sans réelle surprise l’influence de l’intensité lumineuse sur l’intensité du courant délivré par la photodiode :

→ Au plus l’intensité lumineuse est grande au plus l’intensité du courant délivré par la photodiode est importante.

On peut d’ailleurs, à partir de ces données tracer le graphique qui en résulte:

Graphique                                                                  Ce graphique n’est pas le nôtre mais il illustre bien la relation énoncée.

Distance de la source lumineuse (en cm)

    70cm

    60cm

   50cm

  40cm

Intensité lumineuse (en Lux)

  350.10-2Lux

  640.10-2Lux

  1540.10-2Lux

6300.10-2Lux

Intensité du courant délivré par la photodiode (en µA)

 

   22.8µA

 

   41.6µA

 

   66.1µA

 

  67.3µA

Là non plus sans surprise : l’intensité lumineuse est d’autant plus forte que la distance est grande, il en va de même pour l’intensité du courant délivré par la photodiode.

La question de cette tension qui diminue n’est toujours pas résolues, nous avons rencontrés des difficultés pour l’interpréter, les pistes sont toujours floues et malgré des recherches, rien n’a donné. Peut-être la réponse se montrera par elle-même plus tard…

  • Zoomons sur notre Photodiode et essayons de comprendre ce qui se déroule lorsque celle-ci est exposée à la lumière :

Tout le monde se souvient de la jonction PN qui caractérise une diode ?

Parfait, car c’est d’elle dont nous allons avoir besoin pour décrire le fonctionnement de la photodiode.

En effet la photodiode est tout comme la diode composée de cette jonction PN.

Toutefois ce qui la caractérise c’est que celle-ci au contraire de la diode est polarisée en inverse…

Mais dans ce cas le courant ne devrait pas passer ?

 Rappelons-nous que ce n’est seulement qu’à la lumière seule que la photodiode laisse passer le courant.

Nous avons bien remarqué que sans aucune exposition à la lumière notre chère photodiode se comporte comme un interrupteur fermé.

 

→ La lumière est en fait constituée de corpuscules, qu’on appelle les « photons », ces particules transportent chacune un paquet d’énergie, on parle de quantum d’énergie (c’est-à-dire le plus petit paquet d’énergie transporté par un photon).

L’énergie transporté par ce photon peut être calculée grâce à cette équation E = hc/λ (où h est la constante de Planck qui est égale à 6.63*10-34).

Nous avions auparavant souligné qu’un semi-conducteur pouvait participer à la conduction du courant électrique, si on l’excitait suffisamment de manière à fournir à ses électrons une énergie supérieure à celle du gap qui sépare sa bande de conduction et sa bande de valence. Ainsi des électrons pourraient occuper des niveaux d’énergie dans la bande de conduction et participer à la conduction électrique.

Imaginons qu’un photon délivre justement cette énergie nécessaire au semi-conducteur ?

C’est donc là que la lumière intervient :

  • L’énergie délivrée par les photons qui composent la lumière créent des paires d’électron-trou au sein de la bande de jonction.
  • Souvenons-nous qu’en polarisation inverse le courant ne passe pas car du côté de la zone p, tous les trous sont bouchés par les électrons et il n’y a pas de trous dans la zone n. Mais aussi que du côté de la zone n tous les électrons ont étés « aspirés », tirés par la borne positive et il n’y a pas d’électrons dans la zone p pour les remplacer.

 

→ Notre paire d’électron-trou arrive alors à point nommé : L’électron libre est redirigé vers la borne positive du générateur, et le trou se dirige vers la borne négative pour être rebouché par des électrons injectés dans la zone p

 

Ainsi tant que la photodiode est éclairée, de l’énergie est délivrée et crée des paires d’électron-trou qui par la suite participe à la conduction électrique.

 

Maintenant que nos idées sont plus ou moins claires concernant la photodiode, nous allons étudier comment celle-ci est mise au service de la photographie !

 

IV-La photodiode dans le capteur et la numérisation.

               

La photodiode au sein du capteur : 

Jusqu’à maintenant, toutes nos manipulations avec la photodiode, nous ont permis de mieux comprendre son fonctionnement général.

Celle-ci n’était alors étudiée uniquement que dans des circuits électriques, afin de pouvoir premièrement comprendre comment ce microcomposant laisse passer un courant avec une intensité etc.

→ Toutefois son application dans un capteur numérique amène une utilisation différente de la photodiode.

 

Reprenons là où nous en étions avec notre photodiode.

Lorsqu’une photodiode est exposée à la lumière, des photons délivrent de l’énergie aux électrons, ils créent alors une paire d’électrons trous dans la jonction PN.

A partir d’ici la structure du capteur CCD rentre en jeux.

Ces électrons sont collectés dans un puits quantique, ou puits de potentiel.

Qu’est ce que c’est ?

Là encore le principe n’est pas simple à expliquer :

Le puits peut être vu comme un trou dans lequel l’électron est confiné. Lorsque l’électron rentre en quelque sorte dans ce puits, son énergie se discrétise (c'est-à-dire qu’il ne peut prendre que des niveaux d’énergie bien précis). Le puits est constitué d’un empilement de couches très fine (de l’ordre du nanomètre) de différent type de conducteur ou composé chimique, de nombreuse combinaisons sont utilisées, celle qu’on retrouve sans doute le plus est l’association de l’arséniure de gallium GaAs avec de l’arséniure d’aluminium AlAs.

Alas gaas alas                                       Ici la structure d’un puit quantique

En effet ces deux composant ont eux deux des bandes interdites bien différente (1.42 eV pour GaAs et environ 2eV pour AlAs)

On choisit explicitement de placer une couche de semi conducteur (ici GaAs) entre deux « isolants » (ici AlAs), ce ne sont pas en réalité des isolants mais leur gap étant plus grand on les considère dans ce cas comme tel.

L’électron sera alors confiné si sont niveaux d’énergie ne dépasse pas un certain seuil (par exemple le gap de AlAs). Ces puits sont remplie au-dessus de portes, (pour faire simple ces portes peuvent être associées aux photodiodes) lors de l’exposition à la lumière, la quantité d’électrons est proportionnelle, à l’intensité lumineuse mais aussi à la surface de la porte et la tension appliquée à la photodiode ainsi que tout un éventail de paramètres très précis !

 

→ En photographie un pixel est constitué de 3 à 4 portes.

Les électrons collectés sont ensuite transférés d’une porte à l’autre, ce transfert est assuré par a tension appliqué à chacune des portes : selon que cette tension est faible ou haute la porte agit comme une barrière ou permet le stockage d’un puits à l’autre.

Fig 04 Ici le transfert d’une quantité d’électrons collectée du puits 1 vers le puits 2. Lorsque la tension augmente le stockage de charge d’une porte à l’autre est alors possible

Pourquoi un tel transfert ?

  • Ici la photodiode n’agit que comme un fournisseur d’électrons, dont la quantité est directement liée à l’intensité de l’éclairage.

Mais pour pouvoir observer l’image dont les électrons sont en quelque sorte le message, il faut convertir ces électrons en une tension mesurable qui sera proportionnelle au nombre d’électron

 

→ Imaginons un carré de 3x3 pixel, pour mieux nous visualiser un tel transfert à l’échelle d’un capteur tout entier.

  • Les portes sont organisées pour chaque pixel en colonnes. Le but est de faire descendre les charges de chaque porte vers un registre horizontal qui va regrouper les paquets de charges par ligne de pixel.Fig 05                   L’illustration montre l’évolution du transfert de charge d’abord intra puis inter pixel.                        

Fig 06                       Intervient ensuite le transfert des charges entre les portes du registre horizontal de lecture.

Le registre de lecture permet de transférer les charges par lignes, vers d’autre région du capteurs CCD, qui permettrons à la fois la conversion de ces charges en une tension qui leur est proportionnelle, mais aussi l’amplification du signal pour l’ensemble des opérations à venir.