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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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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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1. Principes
Les dispositifs à transfert de charges sont des circuits intégrés qui fonctionnent grâce à deux phénomènes simples qui sont :
-
le stockage de charges électriques dans un matériau semi-conducteur ;
-
le mouvement possible de ces charges dans ledit matériau sous l’effet d’un champ électrique.
1.1 Stockage de charges
L’avènement des technologies MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) développées pour la fabrication des circuits intégrés, a permis la réalisation d’éléments électriques de très petites dimensions possédant des impédances très élevées, les capacités MOS.
Le lecteur pourra se reporter aux dossiers Transistor MOS et sa technologie de fabrication et Circuits intégrés CMOS sur silicium.
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Une capacité MOS est l’un des dipôles les plus simples de la technologie semi-conducteur. Constitué d’une première électrode qui est le matériau semi-conducteur lui-même, d’un isolant déposé sur ce matériau, et d’une seconde électrode conductrice, déposée sur le matériau isolant, ce condensateur pourra conserver des charges sur chacune de ses électrodes si elles sont isolées électriquement, c’est-à-dire si le condensateur n’a pas de fuites. On dit alors que son facteur de qualité (tan δ) est élevé.
Les techniques nécessaires à sa réalisation seront abordées au paragraphe 2...
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