FR2857158A1 - Procede de commande d'un photocopieur de type mos - Google Patents
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Abstract
Un procédé de commande d'un photodétecteur de type MOS comprend une étape de transfert de charges électriques entre une photodiode (12) et un noeud de détection (3), via un transistor de transfert. Le potentiel électrique du noeud de détection prend une valeur extrême lorsqu'une quantité maximale de charges électriques est stockée sur le noeud de détection. Lors de l'étape de transfert des charges électriques, un potentiel électrique est appliqué sur l'électrode de grille du transistor de transfert, de façon à ce que le potentiel électrique du canal (2) du transistor de transfert est amené à une valeur égale à la valeur extrême du potentiel électrique du noeud de détection (3) multipliée par un nombre supérieur ou égal à l'unité.
Description
PROCEDE DE COMMANDE D'UN PHOTODETECTEUR DE TYPE MOS
La présente invention concerne un procédé de commande d'un photodétecteur réalisé en technologie MOS. Elle concerne plus particulièrement un procédé de transfert de charges électriques entre une photodiode et un noeud de détection desdites charges électriques ( Sensing Node ou Floating Node en anglais).
Des photodétecteurs peuvent être réalisés selon la technologie CCD ( Coupled Charge Device ) ou selon la technologie MOS ( Meta) Oxide Semiconductor ). Un photodétecteur selon la technologie MOS est décrit par exemple dans le document US 5,625,210.
Au contraire des photodétecteurs du type CCD qui peuvent être alimentés par une source de tension électrique pouvant dépasser 10 volts, les photodétecteurs de type MOS ne peuvent pas être alimentés par une source de tension électrique supérieure à 3,3 volts environ. Il en résulte que le signal utile d'un photodétecteur MOS est beaucoup plus faible que celui d'un photodétecteur CCD. De ce fait, un photodétecteur MOS ne peut distinguer significativement des flux lumineux que si l'intensité de ces flux est située dans un intervalle déterminé, dit intervalle de détection linéaire. Au delà de cet intervalle, le signal électrique délivré par le photodétecteur n'est plus proportionnel au flux lumineux, et des comportements non-désirés interviennent, tels que, notamment, une hyperluminosité ( blooming ) et/ou un défaut de transfert de charges électriques dans le photodétecteur.
Une autre conséquence des tensions électriques réduites intervenant dans un photodétecteur MOS par rapport à celles intervenant dans un photodétecteur CCD est la présence de charges électriques résiduelles qui ne sont pas transférées hors de la photodiode. Ces charges électriques résiduelles restent dans la photodiode malgré la commande du procédé de transfert des charges électriques de la photodiode vers le noeud de détection.
Un but de la présente invention consiste à proposer un procédé de 30 commande d'un photodétecteur de type MOS qui permet de réduire la quantité des charges électriques résiduelles dans la photodiode.
L'invention s'applique à un photodétecteur qui comprend: une photodiode ayant une première électrode reliée à un noeud de référence de potentiel électrique, et une seconde électrode agencée pour stocker des charges électriques générées dans la photodiode; un noeud de détection; un circuit de commande; un transistor MOS de transfert ayant une première électrode de canal connectée à ladite seconde électrode de la photodiode, une seconde électrode de canal connectée au noeud de détection, et une électrode de grille reliée au circuit de commande pour ajuster le potentiel électrique d'un canal de conduction s'étendant entre lesdites première et seconde électrodes de canal, permettant de commander le transfert de charges électriques de ladite seconde électrode de la photodiode vers ledit noeud de détection; un transistor MOS de réinitialisation ayant une première électrode de canal connectée au noeud de détection, une seconde électrode de canal connectée à une première borne d'un générateur de potentiel électrique, et une électrode de grille, permettant de commander l'évacuation vers le générateur de potentiel électrique de charges électriques stockées sur le noeud de détection, une seconde borne du générateur de potentiel électrique étant reliée au noeud de référence de potentiel électrique.
Le photodétecteur est agencé pour stocker sur la seconde électrode de la photodiode, pour transférer et pour stocker sur le noeud de détection au plus une quantité maximale de charges électriques. Le potentiel électrique du noeud détection prend alors une valeur dite valeur extrême lorsque ladite quantité maximale de charges électriques est stockée sur le noeud de détection.
Selon l'invention, le procédé de commande du photodétecteur 30 comprend une étape de transfert de charges électriques de la photodiode vers le noeud de détection lors de laquelle, à un instant déterminé, le circuit de commande applique un potentiel électrique sur l'électrode de grille du transistor de transfert tel que le potentiel électrique du canal de conduction du transistor de transfert a une valeur égale à ladite valeur extrême du potentiel électrique du noeud de détection multipliée par un nombre supérieur ou égal à l'unité.
Dans ce qui précède, de même que dans toute la suite de la présente demande de brevet, tous les potentiels électriques sont considérés par rapport au noeud de référence.
Selon le procédé de l'invention, lors du transfert des charges électriques de la photodiode vers le noeud de détection, le canal de conduction du transistor de transfert est amené à un potentiel électrique tel que le canal de conduction du transistor de transfert peut contribuer, avec le noeud de détection, à stocker les charges électriques transférées de la photodiode. Une partie des charges électriques ainsi transférées peut alors être stockée dans le canal du transistor de transfert. Pour cela, le potentiel électrique du canal de conduction a une valeur absolue supérieure à la valeur absolue du potentiel électrique qu'aurait le noeud de détection si ladite quantité maximale de charges électriques était stockée sur le noeud de détection seulement. De plus, le potentiel électrique du canal de conduction est alors de même signe que le potentiel électrique du noeud de détection en présence de ladite quantité maximale de charges électriques.
Grâce à l'invention, un transfert plus efficace des charges électriques présentes initialement dans la photodiode est obtenu. Ceci résulte d'une différence de potentiel électrique plus élevée entre la photodiode et le canal de conduction du transistor de transfert audit instant déterminé. La quantité de charges électriques résiduelles, c'est-à-dire de charges électriques susceptibles de rester dans la photodiode à l'issue de l'étape de transfert, est alors particulièrement réduite.
Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé de l'invention, lors du transfert de charges électriques, le potentiel électrique de l'électrode de grille du transistor de transfert est amené à une valeur égale au potentiel électrique du générateur, ou à une valeur égale au potentiel électrique du générateur diminué d'une tension de conduction du transistor de réinitialisation. Le circuit de commande peut alors être simplifié. En effet, il n'est pas nécessaire qu'il comporte une partie de circuit dédiée à l'élaboration d'un potentiel électrique spécifique destiné à être appliqué sur l'électrode de grille du transistor de transfert, lors du transfert des charges électriques.
Selon une mise en oeuvre particulière du procédé de commande de l'invention, le potentiel électrique du noeud de détection est lu par un circuit de lecture audit instant déterminé du transfert de charges électriques. Autrement dit, la lecture du potentiel électrique du noeud de détection est effectuée lorsque le circuit de commande applique un potentiel électrique sur l'électrode de grille du transistor de transfert tel que le potentiel électrique du canal de conduction du transistor de transfert a une valeur intermédiaire entre la valeur du potentiel électrique du générateur et ladite valeur extrême du potentiel électrique du noeud de détection.
Le photodétecteur présente alors un intervalle de détection linéaire augmenté. En effet, une quantité de charges électriques supérieure à ladite quantité maximale de charges électriques peut être transférée en une seule fois à partir de la photodiode, du fait que cette quantité de charges électriques est transférée à la fois sur le noeud de détection et dans le canal de conduction du transistor de transfert. Cette quantité supérieure de charges électriques peut correspondre à un flux lumineux accru éclairant la photodiode.
L'invention concerne aussi un photodétecteur du type précédemment décrit, dans lequel le circuit de commande est agencé pour appliquer, à un instant déterminé d'un transfert de charges électriques de la photodiode vers le noeud de détection, un potentiel électrique sur l'électrode de grille du transistor de transfert tel que le potentiel électrique du canal de conduction du transistor de transfert a une valeur égale à ladite valeur extrême du potentiel électrique du noeud de détection multipliée par un nombre supérieur ou égal à l'unité.
L'invention concerne enfin une matrice de détection d'un flux lumineux comprenant des photodétecteurs du type précédemment décrit.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est un schéma électrique d'un photodétecteur auquel 5 s'applique l'invention; - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un substrat dans lequel est réalisé une partie du photodétecteur de la figure 1; la figure 3 est un diagramme de répartition de potentiels électriques dans le substrat de la figure 2 après la génération de charges 1 o électriques dans la photodiode; la figure 4 est un diagramme de répartition de potentiels électriques correspondant à la figure 3, illustrant un transfert de charges électriques selon l'art antérieur; la figure 5 est un diagramme de répartition de potentiels électriques 15 correspondant à la figure 3, illustrant un transfert de charges électriques selon l'invention; la figure 6 est un graphe représentant l'évolution dans le temps du potentiel électrique sur la grille du transistor de transfert du photodétecteur selon l'invention.
Selon la figure 1, un photodétecteur auquel s'applique l'invention comprend une photodiode 1 reliée via un transistor de transfert TT à un noeud de détection SN ( Sensing Node en anglais). Pour cela, une seconde borne 1 b de la photodiode 1 est connectée à une première électrode de canal du transistor TT. Une seconde électrode de canal du transistor TT est connectée au noeud SN. Le noeud SN est en outre relié par un transistor de réinitialisation RT ( Reset Transistor en anglais) à une première borne 11 a d'un générateur de potentiel électrique 11. Une seconde borne 11 b du générateur 11 est reliée à une première borne la de la photodiode 1, et constitue un noeud de référence de potentiel électrique M. La photodiode 1 ainsi connectée est montée en inverse par rapport au générateur 11.
Les transistors TT et RT fonctionnent comme des interrupteurs à deux états, ouvert ou fermé, correspondant à des états respectivement bloqué ou passant des transistors.
Des charges électriques générées dans la photodiode 1 peuvent ainsi être transférées sur le noeud SN sous l'effet d'une commande de fermeture du transistor TT, puis peuvent être évacuées vers le générateur 11 sous l'effet d'une commande de fermeture du transistor RT.
Les transistors TT et RT sont réalisés selon la technologie MOS ( Meta) Oxide Semiconductor ) connue de l'Homme du métier. Ils sont donc chacun pourvu d'une paire d'électrodes de canal (source et drain) et d'une électrode de grille (appelée grille dans la suite), respectivement TG et RG. Les grilles TG et RG permettent de commander l'ouverture ou la fermeture des transistors respectivement TT et RT. A cet effet, elles reçoivent un potentiel de commande permettant d'ajuster le potentiel électrique d'un canal de conduction reliant la source et le drain du transistor concerné. Les transistors TT et RT peuvent être, par exemple, du type à canal de surface, c'est à dire que leur grille est disposée sur une partie de leur canal, avec une fine couche d'un matériau d'oxyde isolant électrique entre la grille et le canal. Ainsi, pour un transistor TT de ce type, le potentiel électrique du canal est sensiblement égal au potentiel électrique de la grille TG. Par exemple, l'écart entre le potentiel électrique de la grille TG et le potentiel électrique du canal du transistor TT peut être de 0,05 volt. Un tel écart est négligé, dans un premier temps, dans la description ci-dessous. Le cas d'un transistor de transfert pour lequel cet écart ne peut être négligé sera abordé par la suite.
Le transistor TT est commandé par un circuit de commande 9 relié à 25 sa grille TG. Le circuit 9 peut être alimenté par le générateur 11. La grille RG du transistor RT peut aussi être reliée au circuit 9.
Le noeud SN peut être constitué par la grille d'un transistor MOS faisant partie d'un circuit de lecture 10. Le circuit 10 détecte le potentiel électrique que prend le noeud SN sous l'effet de charges électriques stockées au niveau de ce noeud.
Des charges électriques sont stockées sur le noeud SN lorsque, ayant été générées dans la photodiode 1, elles sont transférées de la photodiode 1 vers le noeud SN, via le transistor TT en raison d'une commande de fermeture reçue sur la grille TG de celui-ci.
Une commande de fermeture reçue sur la grille RG du transistor RT permet d'évacuer les charges électriques stockées sur le noeud de détection 5 SN vers le générateur 11.
Dans l'exemple décrit ici, les charges électriques transférées entre la photodiode 1 et le noeud SN sont des électrons. Le potentiel électrique VDD du générateur 11 est positif. La première et la seconde électrodes la et lb de la photodiode 1 sont respectivement une anode et une cathode. Les transistors TT et RT sont de type n-MOS: ils possèdent des canaux de conduction respectifs de type n sur un substrat de type p. La source et le drain du transistor TT sont respectivement connectés à la cathode lb de la photodiode 1 et au noeud SN. La source et le drain du transistor RT sont respectivement connectés au noeud SN et à la borne positive 11 a du générateur 11.
La figure 2 est un schéma de principe d'une implantation des composants précédents sur un substrat d'un matériau semiconducteur 100, par exemple du silicium cristallin. Le substrat 100 peut être dopé p dans un ou plusieurs caissons à l'intérieur desquels sont disposés la photodiode 1 et les transistors TT et RT.
La photodiode 1 peut être du type double photodiode ancrée (désignée par pinned photodiode en anglais). Elle comporte alors deux jonctions élémentaires comprenant une zone 12 du substrat 100 dopée n commune aux deux jonctions. La zone 12 est disposée suivant une direction perpendiculaire à la surface du substrat 100 entre deux zones 11 et 13 du substrat 100 dopées p et appartenant respectivement à chaque jonction. La zone 12 forme la cathode 1b de la photodiode 1, et les zones 11 et 13 forment l'anode 1 a. Des électrons générés dans la photodiode 1 sont stockés dans la zone 12 avant d'être transférés vers le noeud SN via le transistor TT.
La source du transistor TT est confondue avec la zone 12 de la 30 photodiode 1. Le canal de conduction du transistor TT est formé par une zone 2 du substrat 100, dopée p et située au dessous de la grille TG.
Le noeud SN est constitué par une zone 3 dopée n formée dans le substrat 100. La zone 3 constitue aussi le drain du transistor TT et la source du transistor RT.
Le canal de conduction du transistor RT est formé par une zone 4 du substrat 100, dopée p et située au dessous de la grille RG suivant la direction perpendiculaire précitée. Une zone 5 du substrat 100, dopée n, et adjacente à la zone 4 suivant une direction parallèle à la surface du substrat 100, constitue le drain du transistor RT et est reliée à la borne positive 11 a du générateur 11.
Un cycle de fonctionnement d'un tel photodétecteur consiste en une o génération d'électrons dans les jonctions de la photodiode 1 sous l'effet d'un flux lumineux cp éclairant la photodiode 1 (cf. figure 1), puis en un transfert des électrons ainsi générés (repérés par e sur les figures 1, 4 et 5), de la cathode 12 de la photodiode 1 où ils sont stockés en premier lieu (les transistors TT et RT étant ouverts) successivement dans les zones 2, 3, 4 et 5. En réponse à la fermeture du transistor TT, les électrons traversent d'abord la zone 2 en direction de la zone 3. Selon la mise en oeuvre particulière de l'invention, le potentiel électrique sur le noeud SN est alors lu. En réponse à la fermeture du transistor RT, les électrons traversent ensuite la zone 4 pour accéder à la zone 5 puis à la borne positive 11 a du générateur 11. Les zones de canal 2 et 4, dont les potentiels électriques sont commandés respectivement par les potentiels électriques sur la grille TG et sur la grille RG, jouent ainsi le rôle de portes pour les transferts d'électrons.
Les électrons générés dans la photodiode peuvent aussi être des charges parasites devant être transférées hors de la photodiode avant une mesure de flux lumineux. De telles charges parasites sont par exemple des charges résiduelles d'un cycle de fonctionnement antérieur du photodétecteur, ou des charges provenant d'un photodétecteur voisin ayant subi, par exemple, une hyperluminosité. Un transfert de tels électrons parasites peut être commandé afin de vider la photodiode 1, par exemple avant de mesurer précisément un flux lumineux c d'intensité particulièrement faible.
Pour permettre l'évacuation complète, du noeud SN vers le générateur 11, des électrons transférés de la photodiode 1, le potentiel électrique du noeud SN, lorsque ce noeud ne contient aucun électron transféré, doit être inférieur au potentiel VDD du générateur 11, diminué d'une tension de conduction du transistor RT. Cette tension de conduction, désignée par VoN(RT) sur les figures 3 à 6, est la différence entre les potentiels électriques respectifs du drain (zone 5) et de la source (zone 3) du transistor RT lorsqu'un potentiel positif est appliqué sur la grille RG. A titre d'exemple, VDD est égale à 3,3 volts et la tension de conduction du transistor RT est égale à 0,3 volt.
L'intervalle de détection linéaire de l'intensité du flux lumineux ci) est limité par la quantité maximale Qmax d'électrons qui peut être générée et o stockée dans la photodiode 1, puis être transférée et stockée sur le noeud SN pendant un cycle de fonctionnement du photodétecteur. Pour permettre un transfert complet de ces électrons de la photodiode 1 vers le noeud SN, il est nécessaire que le potentiel électrique du noeud SN, lorsque ce noeud contient la quantité d'électrons Qmax, soit supérieur au potentiel électrique de la zone 12 de la photodiode 1, lorsque la cathode (zone 12) est vidée de ces électrons. A titre d'exemple, les dopages de la photodiode 1 sont effectués de sorte que le potentiel électrique de la zone 12 soit égal à 1,5 volt lorsque cette zone ne stocke pas d'électrons générés. Le potentiel électrique du noeud SN doit donc rester compris entre 1,5 volt et 3,0 volts pour obtenir une détection linéaire de l'intensité lumineuse du flux cl).
La quantité d'électrons maximale Qmax indiquée par le fabriquant du photodétecteur peut être, par exemple, de 20 000 électrons. Elle peut être limitée, notamment, par la structure de la photodiode 1, par l'efficacité de l'état bloqué du transistor de transfert TT permettant de maintenir les électrons stockés dans la photodiode 1, et par la capacité de stockage du noeud SN.
Le noeud SN possède, en fonction de sa géométrie, une capacité intrinsèque qui peut être, par exemple, de 3 à 5 femtoFarads (fF). L'inverse de cette capacité est donnée par le fabriquant du photodétecteur, et est désigné par facteur de conversion F lorsqu'il est exprimé en microvolts par électrons.
A titre d'exemple, une capacité du noeud SN de 3 fF correspond à un facteur de conversion F d'environ 53. Le signal utile du photodétecteur est alors F x Qmax = 1,07 volt. - 10-
La figure 3 est un diagramme montrant le potentiel électrique dans les différentes zones 12, 2-5 du substrat 100 lorsque la photodiode 1 contient la quantité d'électrons Qmax. L'axe des potentiels électriques (axe vertical) est croissant en direction du bas de la figure 2. Le potentiel électrique VDD de la zone 5 est égal par exemple à 3,3 volts. Les transistors TT et RT sont chacun dans un état bloqué. Pour cela, les grilles TG et RG sont maintenues au potentiel nul par le circuit de commande 9, si bien que les canaux respectivement 2 et 4 sont aussi à des potentiels électriques respectifs nuls. Le potentiel électrique de la zone 12 de la photodiode 1 est situé autour de 0,25 volt (désigné par Vperm sur la figure 3). Cette valeur résulte du fait que Qmax est limitée par une perméabilité du transistor TT dans l'état bloqué lorsque le potentiel électrique de la zone 12 devient trop proche du potentiel électrique du canal 2. La valeur de 0,25 volt est approximative et peut varier en fonction de la constitution du transistor TT. La figure 3 correspond précisément à la répartition du potentiel électrique dans le substrat 1 à la fin d'une étape de génération de charges électriques dans la photodiode 1. La durée de cette étape est par exemple de 30 millisecondes. La zone 3 est vide d'électrons utiles, c'est- à-dire d'électrons représentatifs d'un flux lumineux c. Elle présente donc un potentiel électrique qui dépend de son état de dopage et qui est limité par la tension de conduction du transistor de réinitialisation VoN(RT). Ce potentiel électrique de la zone 3 vide d'électrons utiles est par exemple de 3,0 volts.
Le transfert des électrons entre la photodiode 1 et le noeud SN comprend deux parties. Lors d'une première partie du transfert, le transistor TT est mis dans son état passant par le circuit de commande 9, de façon à vider les électrons utiles stockés dans la zone 12 de la photodiode 1. Lors d'une seconde partie du transfert, le transistor TT est ramené dans son état bloqué par le circuit de commande 9. Les figures 4 et 5 montrent les potentiels électriques dans le substrat 1 à l'issue de la première partie du transfert des électrons, respectivement selon l'art antérieur et selon la présente invention.
Selon l'art antérieur (figure 4), les électrons utiles stockés dans la zone 12 de la photodiode 1 sont complètement transférés sur le noeud SN lors de la première partie du transfert. Ce transfert complet est obtenu en augmentant le potentiel de la grille TG de sorte que le canal 2 a un potentiel électrique supérieur au potentiel électrique de la zone 12 vidée des électrons utiles et inférieur au potentiel électrique du noeud SN à l'issue du transfert des électrons utiles. La figure 4 correspond au transfert de la quantité d'électrons Qmax. La quantité d'électrons Qmax présente sur le noeud SN réduit le potentiel électrique du noeud SN de 1, 07 volt, selon l'exemple considéré. Le potentiel électrique du noeud SN est alors d'environ 1,93 volt. Cette valeur est la valeur extrême (la plus faible) que peut prendre le potentiel électrique du noeud SN lors d'un cycle de fonctionnement du photodétecteur considéré à titre d'exemple. La zone 12 est vidée des électrons utiles, et son potentiel électrique est par exemple de 1,5 volt environ. Lors du transfert des électrons utiles, le potentiel électrique du canal 2 doit avoir une valeur supérieure à 1,5 volt pour permettre d'extraire tous les électrons utiles de la zone 12.
Selon la méthode connue de l'Homme du métier, le potentiel électrique du canal 2 est choisi pour être en outre inférieur au potentiel électrique sur le noeud SN lorsque tous les électrons utiles sont sur le noeud SN. II est par conséquent choisi inférieur à 1,93 volt dans l'exemple considéré. Tous les électrons utiles sont alors stockés sur le noeud SN pour l'étape consécutive de lecture du potentiel électrique du noeud SN par le circuit de lecture 10. Le potentiel électrique du canal 2 est choisi, par exemple, autour de 1,75 volt pendant la première partie du transfert des électrons. Cette valeur de potentiel électrique est directement appliquée par le circuit de commande 9 sur la grille de transfert TG.
Pendant la seconde partie du transfert, le circuit de commande 9 ramène le potentiel électrique de la grille TG à la valeur de 0 volt.
Le potentiel électrique du noeud SN peut être lu par le circuit de lecture 10 dès que les électrons utiles sont stockés sur le noeud SN, c'est-à-dire à partir de la fin de la première partie du transfert, pendant la seconde partie du transfert, ou après celle-ci. Une fois la lecture effectuée, le transistor RT est commandé pour évacuer les électrons utiles du noeud SN vers la zone 5.
Selon l'invention (figure 5), le potentiel électrique appliqué par le circuit de commande 9 sur la grille TG est choisi de sorte que, pendant la première partie du transfert des électrons, la valeur du potentiel électrique du canal 2 est supérieure à la valeur extrême du potentiel électrique du noeud de détection SN, atteinte lorsque la quantité maximale électrons Qmax est stockée sur le noeud SN seul. Lorsque le transistor TT est agencé de sorte que le potentiel électrique du canal 2 est sensiblement égal au potentiel électrique de la grille TG, le circuit de commande 9 applique à la grille TG un potentiel électrique de valeur supérieure à ladite valeur extrême. Eventuellement, la valeur du potentiel électrique appliqué sur la grille TG est VDD, ou VDD diminué de la tension de conduction VoN(RT) du transistor de réinitialisation dans son état passant (figure 5).
Pour le photodétecteur considéré à titre d'exemple, le potentiel électrique du canal 2 est donc amené par le circuit de commande 9 à une valeur supérieure à 1,93 volt.
Les électrons utiles sont alors répartis sur le noeud SN (zone 3) et dans le canal 2. Autrement dit, lorsque la grille TG est ainsi commandée, le canal 2 participe, avec sa capacité propre, au stockage des électrons utiles. Pour une même quantité d'électrons utiles, la valeur du potentiel électrique du noeud SN est alors supérieure à celle obtenue lorsque seul le noeud SN stocke les électrons utiles. Sur les figure 4 et 5, les zones hachurées représentent une même quantité d'électrons utiles, à savoir Qmax. La valeur du potentiel électrique de la zone 3 lue d'après la figure 5 (i.e. 2,10 volts environ) est supérieure à celle lue d'après la figure 4 (i.e. 1,93 volt environ).
Le potentiel électrique du noeud SN peut être lu pendant cette première partie du transfert des électrons, à l'aide du circuit de lecture 10. Grâce à l'invention, la quantité d'électrons utiles correspondant à un même potentiel électrique du noeud SN qui est lu est accrue, ce qui contribue à augmenter l'intervalle de détection linéaire du photodétecteur. Dans certains cas, le potentiel électrique du canal 2 peut ne pas être amené à une valeur trop élevée, par exemple pour ne pas empêcher que les électrons utiles stockés dans le canal 2 participent à la valeur lue du potentiel électrique du noeud SN. Dans ce cas, la valeur du potentiel électrique du canal 2 peut rester inférieure ou égale à VDD, ou à VDD diminué de VoN(RT).
Eventuellement, le transistor RT peut ensuite être commandé pour évacuer les électrons utiles du noeud SN vers la zone 5. De préférence, l'évacuation des électrons utiles du noeud SN vers la zone 5 est effectuée après la seconde partie du transfert des électrons.
Après la lecture du potentiel électrique du noeud SN, le circuit de commande 9 diminue le potentiel électrique de la grille TG afin d'amener à nouveau le transistor TT dans un état bloqué, pour le début d'un nouveau cycle de fonctionnement du photodétecteur. Lors de cette seconde partie du transfert des électrons, le potentiel électrique de la grille TG est ainsiramené de 3,3 volts, ou 3,0 volts, environ à 0 volt environ, dans l'exemple considéré. Etant donné que des électrons utiles sont présents dans le canal 2 au début de la seconde partie du transfert, une diminution rapide du potentiel de la grille TG pourrait provoquer le retour d'électrons utiles vers la photodiode 1.
Pour éviter un tel retour d'électrons, le circuit de commande 9 fait varier le potentiel électrique de la grille TG en direction du potentiel électrique du noeud de référence M, de préférence, en une durée supérieure à une durée de déplacement des électrons entre le canal 2 du transistor TT et le noeud SN. La durée de déplacement des électrons entre le canal 2 et le noeud SN dépend de la configuration des zones 2 et 3, ainsi que de la mobilité des électrons dans le canal 2. Ainsi, pendant la seconde partie du transfert des électrons, les électrons présents dans le canal 2 sont complètement transférés sur le noeud SN, en vidant le canal 2.
La figure 6 est un diagramme de variation du potentiel électrique appliqué par le circuit de commande 9 sur la grille TG, en fonction du temps, selon l'invention. Il montre deux cycles de fonctionnement successifs du photodétecteur: le premier cycle entre les instants to et t3, et le second cycle entre les instants t3 et t6. Chaque cycle peut avoir une durée de 30 millisecondes. Les intervalles de temps compris entre to et t1, et entre t3 et t4, correspondent à des étapes de génération d'électrons dans la photodiode 1, par un flux lumineux cP éclairant le photodétecteur. Les durées de ces étapes de génération d'électrons peuvent être, par exemple, de 29 millisecondes chacune. Pendant ces durées, le circuit de commande 9 applique un potentiel nul à la grille TG afin de maintenir le transistor TT dans un état bloqué. Les intervalles de temps compris entre tl et t2, et entre t4 et t5, correspondent chacun aux premières parties de transferts d'électrons vers le noeud SN. Le circuit de commande 9 applique alors à la grille TG, par exemple, un potentiel électrique proche de VDD, ou proche de VDD diminué de VoN(RT). Le circuit de lecture 10 peut être activé pendant ces intervalles de temps. Les intervalles de temps compris entre t2 et t3, et entre t5 et t6, correspondent chacun aux secondes parties des transferts d'électrons vers le noeud SN. Pendant ces intervalles, le circuit de commande 9 abaisse le potentiel électrique de la grille TG à une vitesse contrôlée. Les première et seconde parties des transferts peuvent chacune avoir une durée de 5 microsecondes, par exemple.
Dans le cas où le circuit de lecture n'est pas activé entre les instants tl et t2, respectivement t4 et t5, il est activé après l'instant t2, respectivement t5, notamment après l'instant t3, respectivement t6, pour chaque cycle de fonctionnement.
Pendant l'étape de génération d'électrons de chaque cycle de fonctionnement du photodétecteur, la grille RG est commandée pour évacuer, du noeud SN vers le générateur 11, les électrons transférés de la photodiode 1 vers le noeud SN lors du cycle précédent. Elle est momentanément portée de 0 volt à VDD pour permettre cette évacuation.
L'invention s'applique aussi à des photodétecteurs dans lesquels le transistor TT présente un écart entre les potentiels électriques de la grille TG et du canal 2. Un tel écart apparaît lorsque le potentiel électrique de la grille TG est positif. Cet écart dépend de l'agencement, de la nature et de la concentration des dopages, ainsi que de l'état de polarisation du transistor TT. Il est désigné par tension de seuil du transistor de transfert VS(TT). Ainsi: VS(TT) = VTG - Vcanal (1) où VTG est le potentiel électrique de la grille TG et Vcanal est le potentiel électrique du canal 2 du transistor TT. La tension de seuil VS(TT) est positive dans le cas d'un transistor MOS de type p, et peut être comprise entre 0,6 et -15-1,2 volt.
Lors de l'étape de génération de charges électriques, pour un tel photodétecteur, le circuit de commande 9 peut, de même que précédemment, appliquer sur la grille TG un potentiel électrique nul par rapport au noeud de référence M: VTG = 0 volt. Le transistor TT est alors bloqué. Le potentiel électrique du canal 2 est alors fixé par le substrat 100: Vcanal = 0 volt. La répartition des potentiels électriques représentée sur la figure 3 est valable dans ce cas aussi.
La première partie du transfert des électrons pour un photodétecteur pour lequel le transistor TT possède une tension de seuil VS(TT) non nulle est encore illustrée par la figure 4, lorsqu'elle est effectuée selon l'art antérieur. Les valeurs numériques pour Qmax, F et les potentiels électriques des zones 12 et 2 à 5 du substrat 100 énumérés plus haut à titre d'exemple peuvent être reprises. Pour obtenir un potentiel électrique du canal 2 situé autour de 1,75 volt pendant le transfert des électrons, le circuit de commande 9 applique sur l'électrode de transfert TG un potentiel électrique augmenté de VS(TT) par rapport au cas précédent. Ainsi: VTG = 1,75 volt + VS(TT) (2) pendant le transfert des électrons, pour l'exemple considéré.
L'application de l'invention à un photodétecteur pour lequel le transistor TT possède une tension de seuil VS(TT) non nulle est encore illustrée par la figure 5. Pour obtenir un potentiel électrique du canal 2 supérieur à la valeur du potentiel électrique du noeud SN lorsque la quantité d'électrons Qmax est présente sur le noeud seul (situation de la figure 4), c'est- à-dire supérieur à la valeur extrême du potentiel électrique du noeud SN, le circuit de commande 9 doit appliquer à la grille de transfert TG un potentiel électrique supérieur à ladite valeur extrême augmentée de la tension de seuil Vs. Ainsi: VTG > Vext(SN) + Vs(TT) É (3) où Vext(SN) désigne la valeur extrême du potentiel électrique du noeud SN.
D'après la définition de la valeur extrême du potentiel électrique du noeud SN: Vext(SN) = VDD VoN(RT) - F x Qmax. (4) Pour le photodétecteur particulier considéré à titre d'exemple, Vext(SN) est égal à 1,93 volt.
Par conséquent, selon l'invention et lorsque les charges électriques générées dans la photodiode sont des électrons, le potentiel électrique VTG appliqué à la grille TG doit vérifier, à au moins un instant déterminé du transfert des électrons de la photodiode vers le noeud de détection, la relation suiavnte: VTG > VDD VoN(RT) - F x Qmax + Vs(TT) , (5) où Vs(TT) est la tension de seuil du transistor TT et VoN(RT) est la tension de conduction du transistor RT dans l'état passant, entre son drain et sa source. Ces tensions peuvent être déterminées selon l'une des méthodes connues de l'Homme du métier.
En particulier, le potentiel électrique VDD du générateur 11, éventuellement diminué de la tension de conduction VoN(RT), peut être appliqué à la grille de transfert TG.
La tension de seuil du transistor de transfert Vs(TT) peut notamment être estimée pendant la première partie du transfert des électrons de la photodiode 1 vers le noeud SN. Lorsque les électrons passent progressivement de la cathode 1 b de la photodiode 1 dans le canal 2 du transistor TT, la relation suivante est satisfaite: Vcanal = Vib - Vperm, (6) où Vib est le potentiel électrique de la cathode 1 b de la photodiode 1 et Vperm est le seuil de perméabilité du transistor TT. Vperm est situé en général autour de 0,25 volt. La relation suivante est alors satisfaite: Vs(TT) = VTG - V1b + Vperm É (7) VTG et Vib peuvent être mesurées pendant la première partie du transfert des électrons, et Vs(TT) peut être alors calculée.
La tension de conduction du transistor de réinitialisation VoN(RT) peut être mesurée pendant l'évacuation des électrons du noeud SN vers le générateur 11. On a alors: VON(RT) = VDD - VSN (8) où VSN est le potentiel électrique du noeud SN pendant l'évacuation des électrons vers le générateur 11.
II est entendu que l'invention s'applique aussi à un photodétecteur dans lequel les charges électriques utiles sont des trous. Dans ce cas, la description et les formules (1) à (8) doivent être transposées, d'une manière qui est à la portée de l'Homme du métier.
Claims (10)
1. Procédé de commande d'un photodétecteur qui comprend: une photodiode (1) ayant une première électrode (1a) reliée à un noeud de référence de potentiel électrique (M), et une seconde électrode (1 b) agencée pour stocker des charges électriques générées dans la photodiode; un noeud de détection (SN) ; un circuit de commande (9) ; - un transistor MOS de transfert (TT) ayant une première électrode de canal connectée à ladite seconde électrode (lb) de la photodiode (1), une seconde électrode de canal connectée au noeud de détection (SN), et une électrode de grille (TG) reliée au circuit de commande (9) pour ajuster le potentiel électrique d'un canal de conduction (2) s'étendant entre lesdites première et seconde électrodes de canal, permettant de commander le transfert de charges électriques de ladite seconde électrode (lb) de la photodiode (1) vers ledit noeud de détection (SN) ; - un transistor MOS de réinitialisation (RT) ayant une première électrode de canal connectée au noeud de détection (SN), une seconde électrode de canal connectée à une première borne d'un générateur de potentiel électrique (11), et une électrode de grille (RG), permettant de commander l'évacuation vers le générateur de potentiel électrique de charges électriques stockées sur le noeud de détection (SN), une seconde borne du générateur de potentiel électrique (11) étant reliée au noeud de référence de potentiel électrique (M), le photodétecteur étant agencé pour stocker sur la seconde électrode (lb) de la photodiode (1), pour transférer et pour stocker sur le noeud de détection (SN) au plus une quantité maximale (Qmax) de charges électriques, le potentiel électrique du noeud de détection (SN) prenant une valeur extrême lorsque ladite quantité maximale (Qmax) de charges électriques est stockée sur le noeud de détection (SN), le procédé étant caractérisé en ce que, à un instant déterminé du transfert de charges électriques, le circuit de commande (9) applique un potentiel électrique sur l'électrode de grille du transistor de transfert (TG) tel que le potentiel électrique du canal de conduction (2) du transistor de transfert (TT) a une valeur égale à ladite valeur extrême du potentiel électrique du noeud de détection (SN) multipliée par un nombre supérieur ou égal à l'unité, les potentiels électriques étant considérés par rapport au noeud de référence (M).
2. Procédé selon la revendication 1, suivant lequel le potentiel électrique du noeud de détection (SN) est lu par un circuit de lecture (10) audit instant déterminé du transfert de charges électriques.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, suivant lequel le transistor de transfert (TT) est agencé de sorte que, au moins audit instant déterminé du transfert de charges électriques, le potentiel électrique du canal de conduction (2) du transistor de transfert (TT) est sensiblement égal au potentiel électrique de son électrode de grille (TG).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, suivant lequel, audit instant déterminé du transfert de charges électriques, le potentiel électrique de l'électrode de grille du transistor de transfert (TG) est amené à une valeur égale au potentiel électrique du générateur (VDD), ou à une valeur égale au potentiel électrique du générateur (V00) diminué d'une tension de conduction (VoN(RT)) du transistor de réinitialisation.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, suivant lequel, après ledit instant déterminé du transfert de charges électriques, le circuit de commande (9) fait varier le potentiel électrique de l'électrode de grille du transistor de transfert (TG) vers le potentiel électrique du noeud de référence (M) en une durée supérieure à une durée de déplacement de charges électriques entre le canal de conduction (2) du transistor de transfert (TT) et le noeud de détection (SN).
-20-6. Photodétecteur comprenant: une photodiode (1) ayant une première électrode (la) reliée à un noeud de référence de potentiel électrique (M), et une seconde électrode (1 b) agencée pour stocker des charges électriques générées dans la photodiode; un noeud de détection (SN) ; - un circuit de commande (9) ; - un transistor MOS de transfert (TT) ayant une première électrode de canal connectée à ladite seconde électrode (lb) de la photodiode (1), une seconde électrode de canal connectée au noeud de détection (SN), et une électrode de grille (TG) reliée au circuit de commande (9) et agencée pour ajuster le potentiel électrique d'un canal de conduction (2) s'étendant entre lesdites première et seconde électrodes de canal, le circuit de commande (9) et le transistor de transfert (TT) étant agencés pour commander le transfert de charges électriques de ladite seconde électrode (lb) de la photodiode (1) vers ledit noeud de détection (SN) ; un transistor MOS de réinitialisation (RT) ayant une première électrode de canal connectée au noeud de détection (SN), une seconde électrode de canal connectée à une première borne d'un générateur de potentiel électrique (11), et une électrode de grille (RG) agencée pour commander l'évacuation vers le générateur de potentiel électrique de charges électriques stockées sur le noeud de détection (SN), une seconde borne du générateur de potentiel électrique (11) étant reliée au noeud de référence de potentiel électrique (M), le photodétecteur étant agencé pour stocker sur la seconde électrode (1 b) de la photodiode (1), pour transférer et pour stocker sur le noeud de détection (SN) au plus une quantité maximale (Qmax) de charges électriques, le potentiel électrique du noeud de détection (SN) prenant une valeur extrême lorsque ladite quantité maximale (Qmax) de charges électriques est stockée sur le noeud de détection (SN), -21 - le photodétecteur étant caractérisé en ce que le circuit de commande (9) est agencé pour appliquer, à un instant déterminé du transfert de charges électriques, un potentiel électrique sur l'électrode de grille du transistor de transfert (TG) tel que le potentiel électrique du canal de conduction (2) du transistor de transfert (TT) a une valeur égale à ladite valeur extrême du potentiel électrique du noeud de détection (SN) multipliée par un nombre supérieur ou égal à l'unité, les potentiels électriques étant considérés par rapport au noeud de référence (M).
7. Photodétecteur selon la revendication 6, comprenant un circuit de lecture (10) agencé pour lire le potentiel électrique du noeud de détection (SN) audit instant déterminé du transfert de charges électriques.
8. Photodétecteur selon la revendication 6 ou la revendication 7, dans lequel le transistor de transfert (TT) est agencé de sorte que, au moins audit instant déterminé du transfert de charges électriques, le potentiel électrique du canal de conduction (2) du transistor de transfert (TT) est sensiblement égal au potentiel électrique de son électrode de grille (TG).
9. Photodétecteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel le circuit de commande (9) est agencé pour appliquer, sur l'électrode de grille du transistor de transfert (TG), audit instant déterminé du transfert de charges électriques, un potentiel électrique d'une valeur égale au potentiel électrique du générateur (VDD), ou d'une valeur égale au potentiel électrique du générateur (VDD) diminué d'une tension de conduction (VoN(RT)) du transistor de réinitialisation.
10. Photodétecteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel le circuit de commande (9) est en outre agencé pour, après ledit instant déterminé du transfert de charges électriques, faire varier le potentiel électrique de l'électrode de grille du transistor de transfert (TG) vers le potentiel électrique du noeud de référence (M) en une durée supérieure à une durée de déplacement de charges électriques entre le canal de conduction (2) du transistor de transfert (TT) et le noeud de détection (SN).
11. Matrice de détection d'un flux lumineux comprenant des photodétecteurs selon l'une quelconque des revendications 6 à 10.
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