LES CCD

(Charged Coupled Device ou en français Dispositif de Transfert de Charges)

Willard Boyle Ingénieur physicien canadien 1924 - 2011  et George Smith  Ingénieur docteur américain né en 1930  en 1974 co lauréats du prix Nobel de physique en 2009 pour leur invention des CCD Michael Tompsett ingénieur anglais qui après avoir travaillé et conçu des matériels pour la vision de nuit s'est consacré à l'imagerie à base de CCD aux Laboratoires BELL dont  il revendique l'invention (voir le document ci dessous)

La paternité des CCD est discutée .
Le prix Nobel de physique 2009 a été attribué à W Boyle et G Smith , photo ci-dessus pour avoir inventé en 1969 les CCD or
 M Tompsett estime que ce prix est usurpé car il a déposé le premier brevet .

L'histoire des CCD commence en 1969 aux laboratoires de Philips Research en Angleterre. F Sangster et K Teer travaillent sur une ligne à retard analogique qu'ils appelleront BBD Bucked-Brigade Device (par analogie avec une chaine de personnes se passant des seaux d'eau pour éteindre un incendie). Le principe est une série de capacités, contenant diverses charges qui  se transfèrent leurs charges de proche en proche à chaque impulsion d'horloge.

En 1969 Willard Boyle et George Smith ou William Tompsett inventent le dispositif à transfert de charges appliqué à l'imagerie. On voit sur la photo de gauche Boyle et Smith en 1974 faisant une démonstration de leur matériel , Tompsett affirmant que la caméra était sa réalisation. Les trois chercheurs travaillaient aux laboratoires BELL

En décembre 1975 Steven Sasson aux Laboratoires Kodak (photo de droite) réalise le premier appareil photo numérique . Il est très loin des appareils actuel. Il a employé un capteur CCD 100x100 l'enregistrement en noir et blanc s'effectue sur une bande magnétique, il dure 23 seconde et il peut être lu à la même vitesse sur un écran de télévision.


Principe des CCD employés dans l'imagerie.

. La capacité MOS:  La capacité MOS est constituée : – d’un substrat semi-conducteur dopé (en général P : les trous y sont donc majoritaires), – recouvert d’une couche isolante (le diélectrique) d’oxyde de silicium SiO2 (de quelques dixièmes de microns d’épaisseur), – et sur laquelle on trouve une électrode métallique (dépôt d’aluminium ou de silicium fortement dopé pour être rendu conducteur) appelée «grille». Diagramme des potentiels de surface dans une cellule MOS lorsque la grille est polarisée positivement. Lorsqu’un photon d’énergie suffisante pénètre dans le silicium il y a formation d’une paire électron-trou (dans la suite de l’exposé seuls les électrons seront pris en considération).
Un puits de potentiel (quelques microns de profondeur) est créé sous l’électrode dans le substrat dopé P quand celle-ci est soumise à une tension Vg > 0. Les porteurs majoritaires (les trous) sont repoussés loin de l’interface SiO2/Si dans le substrat. Les électrons créés (porteurs minoritaires), sont donc regroupés près de l’interface SiO2/Si (Zone dite d’inversion). La charge ainsi créée par effet photoélectronique demeure piégée tant que la polarisation positive (quelques dizaines de volts) de grille Vg est maintenue. La couche d’inversion ainsi produite est donc le véhicule de l’information acquise. La charge étant proportionnelle à la quantité de lumière (nombre de photons reçus), elle va donc constituer la grandeur analogique de référence du système (les électrons thermiques devant rester négligeables devant ceux créés par effet photoélectrique) !
1.4. Mécanisme du transfert de charges Le mécanisme du transfert de charges est en fait assez simple : – lorsque deux capacités MOS sont assez proches l’une de l’autre, leurs puits de potentiel peuvent communiquer (suppression de la barrière de potentiel) et le transfert de charge entre les deux puits voisins peut ainsi être réalisé, – il suffit donc d’appliquer des tensions croissantes sur l’électrode voisine pour transférer de proche en proche des paquets de charges le long de la structure (les charges sont transférées d’un puits dans un plus profond)

Jacques CAZENOVE
Les capteurs CCD Initiation à la théorie et à la pratique
BULLETIN DE L’UNION DES PHYSICIENS
.http://www.udppc.asso.fr/bupdoc/consultation/article-bup.php?ID_fiche=2045

Un CCD transforme les photons lumineux qu'il reçoit sur l'électrode semi-transparente en électron par effet photoélectrique, puis collecte les électrons dans la zone désertée.
Le nombre d'électrons collectés est proportionnel à la quantité de lumière reçue.
À la fin de l'exposition, les charges sont transférées de photosite en photosite par le jeu de variations de potentiel cycliques provenant d'une horloge externe. Puis elles sont envoyées dans un registre de sortie. Enfin les charges sont transformées en tension proportionnelle au nombre d'électrons. Ce signal sera, à l'extérieur du CCD, amplifié et numérisé.

Jérôme Six, Léo Meignan université de Lille
http://www-iut.univ-lille1.fr/lp_vi/projets/rapport_cmos_ccd_2010.pdf

 

SCHEMA D'ENSEMBLE D'UN CAPTEUR CCD LINEAIRE L'ensemble du capteur est réalisé sur une plaquette de silicium recouverte d'une couche isolante. Une barrette CCD comprend tout d'abord une série d'électrodes transparentes (notées F sur la figure) reliées électriquement entre elles. Pendant le temps d'exposition, elles sont portées à un potentiel Vf positif, tandis que les électrodes T voisines le sont à un potentiel Vt nul. Les électrons créés par effet photoélectrique dans le matériau restent donc localisés sous les électrodes F. vue du dessus Sur la plaquette est également implanté un registre constitué par une ligne d'électrodes P, qui sont commandées par trois tensions V0 V1 et V2. Il est en effet nécessaire de disposer de trois tensions de commandes pour pouvoir déplacer des paquets de charges dans un sens défini le long du registre P. À la fin de l'exposition, les charges Q accumulées sous F sont transférées sous les électrodes de transfert T en permutant les valeurs Vf et Vt comme expliqué précédemment. En modifiant ensuite Vt et V0, les charges sont alors transférées sous les électrodes P qui sont en regard des électrodes T. La dernière opération consiste à transférer de proche en proche les charges le long du registre, en jouant sur les tensions de commande V0 V1 et V2. À l'extrémité du registre, un dispositif ad hoc recueille ainsi un signal dont la variation temporelle reflète la variation spatiale des charges à la fin de l'exposition.

Philippe Lorenzini Polytech'Nice Sophia
http://users.polytech.unice.fr/~lorenz/CCD.pdf

pas de nom d'auteur
https://
www.u-picardie.fr/~dellis/SystemesDeMesure/TravauxPratiquesCCD.pdf

 

Pour réaliser des images en couleur, plusieurs techniques sont possibles. Des filtres sélectionnant les 3 couleurs fondamentales peuvent être disposés sur les CCD , de nouveaux processus emploi des capteurs qui joue sur la différence de pénétration des différentes longueurs d'onde de la lumière incidente. C'est l'invention de Carver Mead ingénieur physicien qui crée la société Foveon
Ci dessus le filtre Bayer qui est encore (?) très employé en imagerie numérique . Chaque pavé de couleur recouvre une cellule CCD , le nombre des filtres de chaque couleur  tient compte de la sensibilité oculaire pour ces couleurs. L'inconvénient de ce filtre divise par 3 le nombre de pixel puisqu'il faut les 3 couleurs pour un pixel L'image de gauche ci dessus montre la pénétration de la lumière dans le silicium . On peut voir que la couche superficielle absorbe le bleu puis plus profondément le vert et en dessous d'un certain niveau il ne reste plus que le rayonnement rouge. Cette propriété donne lieu à un capteur réalisé par la société Foveon . Peu d'informations sur ce capteur sinon qu'il évite la division par 3 donc augmente le nombre de pixel mais comment se fait la capture des charges électriques ? A droite la photo de Carver Mead l'inventeur de ce capteur.
 Madame Margaret Tompsett épouse de Michael Tompsett image captée en 1972

 

Numéro de la Fiche 121
Dernière mise à jour 01-12-2015