Photodiode

En complément à cette - vieille - élucubration !

À la base de la transformation de l'image lumineuse en "image électronique" est le capteur, son rôle essentiel et l'information marketing qui en est donnée impressionnent les acheteurs.
Le capteur est "pavé" de photodiodes que l' habitude a été prise de (sur) nommer "pixels".
Mon propos est d'aider à en comprendre le fonctionnement - sans recours aux maths.
J'en donne ici trois descriptions en souhaitant qu'une au moins soit accessible à la majorité des lecteurs de cette "vulgarisation".


DESCRIPTION I (assez fidèle !)

Le capteur associe des photodiodes CCD, chacune est une déclinaison de la diode basique constituée par la jonction NP de deux plaquettes de "substanc"ium "dopées". L’une comporte un excès d'électrons (e-), c'est la couche "N", l'autre au contraire un défaut d'électrons ( les "trous" = "holes"), c'est la couche "P" .


Un courant électrique ne peut pas traverser la "jonction" sauf, si un potentiel électrique attire les électrons de N et les "trous" de P vers la jonction.
Alors, ils s’y “neutralisent mutuellement“.
Un générateur de courant (de "trous" ou/et d'électrons) fait perdurer la situation en la reconstituant, la diode est bloquée, c'est un interrupteur (en haut), sinon elle est passante (ci dessous)



Dans une photodiode, en plus, une excitation par des photons (de la lumière) est nécessaire. Les photodiodes DTC (Diode à Transfert de Charge) utilisées dans les capteurs ont un fonctionnement en plusieurs “temps“ :

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initialement, et tant qu’il est maintenu, un potentiel "de refoulement" de valeur “u" est appliqué sur une monocouche P au travers d’une pellicule isolante il y crée une “zone de déplétion“: les trous sont refoulés vers la cathode mais ne la franchissent pas puisque l’isolant interdit le courant.



Quand les photons atteignent la “zone de déplétion“, ils y “libèrent“ des "Charges" (Couple électron&trou):
c’est la phase d’ intégration


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puis un potentiel "aspirateur" U (supérieur à u) est appliqué entre l’anode du “registre de transfert“ (en fait une zone de la couche P “soumise“ au potentiel U) et la cathode. Les électrons des "charges" y sont "aspirés", et en nombre égal des "trous" seront neutralisés à la cathode: c’est la phase transfert.


Afin d’ éliminer un certain nombre d’électrons, un “trop plein“ en quelque sorte, une tension “minimale“ est maintenue sur un troisième compartiment du substrat pour y créer un “drain d’overflow“…


N.B. TOUS les dessins sont, aussi, représentatif du CMOS. (et du MOS), car son fonctinnement est AUSSI par transfert de charges!

Les inconvénients de la photodiode MOS initiale … ils sont maintenant plutôt bien "dominés" par sa continuatrice CMOS :
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les photons doivent traverser et l’électrode métallique (le M de MOS) et la couche d’ Oxyde (le O) avant d’atteindre le Semi-conducteur, ces obstructions sont “transparentes“, mais… quand même bloquent des “photons bleus“ et son cause de perte d' énergie.
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la zone de déplétion, partie efficace de la photodiode n’en représente que moins du tiers de la surface…
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à la surface de la zone de déplétion se produit une forte agitation thermique… qui crée des charges non provoquées par les photons: elles peuvent être faussement attribuées à la lumière et constituent le bruit.


La technologie H.A.D. (Hole Accumulation Diode)
Initialement proposée par Sony, les capteurs dits maintenant "CCD" relèvent de cette technologie, bien que les CMOS soient aussi à transfert de charges, sont des mosaïques de photodiodes HAD.
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le “senseur“ (zone de déplétion) comporte, en surface, une couche P au dopage encore plus riche en “trous“: ils sont destinés à “absorber“ les électrons parasites causant le “bruit“ – les photons la traversent et créent les charges dans une zone plus profonde du substrat.
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l’électrode positive ne couvre plus le senseur
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le drain d’ “overflow“ est rejeté sous la photodiode, la surface “utile“ est augmentée… à un peu plus d’ un quart de la surface totale.
Tout cela augmente le “rendement“ et autorise la réduction… voire la miniaturisation jusqu’à une certaine limite, apparemment atteinte actuellement.
En outre des dispositifs optiques complémentaires (lames biréfringentes, microlentilles…) concentrent les photons sur les “senseurs“. La dimension “totale“ de certaines photodiodes est descendue à la frontière du micron…




DESCRIPTION II

Afin de zapper l' électronique, même simplifiée, voici une "représentation" par analogie:
la photodiode est assimilée à un récipient à trois cuves:
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le registre de transfert séparé de
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la zone de déplétion par une “Porte“ et
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le drain.

Pendant la phase d’intégration, la porte sépare les charges créées dans la zône de déplétion du registre de transfert et les charges excédentaires franchissent le “trop plein“.
La phase transfert débute par l’ouverture de la porte et l’aspiration des électrons libérés et continue sous l’influence du “creux“ de potentiel appliqué au registre de transfert.





DESCRIPTION III

Enfin encore plus imagé,
on peut en concevoir le fonctionnement à partir d'une … éponge :


La dernière étape, celle du "vidage" dans le registre vertical correspond à l' architecture connue sous l' appellation "capteur CCD" …



En fait, le capteur MOS C-MOS, maintenant, fonctionne aussi par "transfert de charges"…
Les inconvénients signalés plus haut sont à ce jour (2004 —> 2006) bien atténués par rapport à ce qu'ils pouvaient être … avant - car cette histoire MOS remonte aux années 1970 … L' époque des pépés… dont je suis !

Les possibilités de "vidage" des capteurs C-MOS - si appliquées - leur donnent un avantage sur les capteurs (dits) CCD .
Pour chaque photosite, l'amplification est indépendante et son résultat "distinct" dans le flux, un des résultats est la réduction du smear …
En outre, dépassant le marché de la seule vidéo (et photo) numériques, la fabrication de diodes CMOS est bien moins coûteues que celle des HAD dites CCD.



That's all Folks !