FR2563035A1 - Semiconductor device for image formation and storage - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a semiconductor device for image formation and storage. It comprises a photosensitive element 3 consisting of a PN junction diode in which the incident photons create a reverse current discharging an associated capacitive system 5. It further comprises a system 10 allowing the capacitive system 5 to be precharged, a storage system 7 and a conversion system 4, 5, 11 making it possible to charge the storage system 7 from the information contained in the capacitive system 5. The device according to the invention is particularly intended for the use of images in fields such as robotics and, automatic reading.

Description

La présente invention concerne un système de-formation et de mémorisation d'image numerique. Plus particulièrement l'invention concerne un dispositif de formation d'image a semi-conducteur organise en matrice d'éléments, chaque elé- ment comportant une partie photosensible couplée à un point mémoire le tout constituant un unique circuit intégré obtenu par exemple par la technique MsOS.  The present invention relates to a digital image training and storage system. More particularly, the invention relates to a semiconductor imaging device organized in a matrix of elements, each element comprising a photosensitive part coupled to a memory point the whole constituting a single integrated circuit obtained for example by the technique MsOS.

Les circuits intégrés du genre spécifié ci-dessus sont notoirement connus. Integrated circuits of the kind specified above are well known.

Jusqu'a présent, la plupart des systèmes de formation d'image sont basés sur des capteurs qui fournissent des signaux analogiques et nécessitent donc une conversion analogique/numerique pour pouvoir stocker les informations necessaires un traitement numérique. De plus les circuits de mémorisation et les capteurs sont réalisés le plus souvent de façon indépendante voire par des boitiers inàé- pendants. Until now, most imaging systems have been based on sensors that provide analog signals and therefore require analog / digital conversion to be able to store the information needed for digital processing. In addition, the memory circuits and the sensors are most often produced independently or even by independent boxes.

L'invention concerne donc un dispositif de formation et de mémorisation d'image numérique qui ne présente pas les inconvénients des dispositifs antérieurs
De plus le dispositif selon l'invention intègre a chaque élément la fonction de conversion ce qui constitue l'une de ses originalités.The invention therefore relates to a device for forming and storing digital images which does not have the drawbacks of prior devices
In addition, the device according to the invention integrates into each element the conversion function, which constitutes one of its originalities.

Dans le dispositif de formation et de mémorisation d'image a semiconducteur selon l'invention, la partie photosensible est constituée par une diode a jonction PN tandis que la partie mémorisation est constituée par un point memoi- re classique statique ou dynamique. Plus particulièrement l'invention concerne un dispositif photoélectrique comprenant un grand nombre de photo-diodes disposées rdgulièrement (par exemple en matrice rectangulaire) a la surface du circuit intégré, chaque dispositif photoélectrique étant couplé a un point mémoire le tout dans un substrat semi-conducteur. In the semiconductor image formation and storage device according to the invention, the photosensitive part consists of a PN junction diode while the storage part consists of a conventional static or dynamic memory point. More particularly the invention relates to a photoelectric device comprising a large number of photo-diodes arranged regularly (for example in a rectangular matrix) on the surface of the integrated circuit, each photoelectric device being coupled to a memory point all in a semiconductor substrate .

La figure 1 présente le dispositif de formation mémorisation d'image pour une mémoire statique. Dans ce dispositif le point 1 est porté par des connexions appropriées une tension positive par exemple 5 volts relativement au point 2 porté par des connexions appropriées a la masse (potentiel de référence égal à 0 volt). La diode 3 constitue l'élément photosensible. Le transistor dslEze 4 et le transistor enrichi 5 constituent un inverseur, le transistor 4 servant de transistor de charge alimenté par une tension positive (par exemple 5 volts) appliquée par des connexions appropriées au point 6.L'élément 7 repré- sente le point mémoire (statique dans le cas de cette description) et les dis?o- sitifs permettant de réaliser sélectivement une lecture ou une écriture de ce point. La réalisation de cet élément 7 est bien connue et est indépendante de l'invention.  Figure 1 shows the image storage device for static memory. In this device, point 1 is carried by appropriate connections at a positive voltage, for example 5 volts relative to point 2 carried by connections suitable for ground (reference potential equal to 0 volts). Diode 3 constitutes the photosensitive element. The dslEze transistor 4 and the enriched transistor 5 constitute an inverter, the transistor 4 serving as a load transistor supplied by a positive voltage (for example 5 volts) applied by appropriate connections at point 6. Element 7 represents the point memory (static in the case of this description) and the devices making it possible to selectively read or write this point. The production of this element 7 is well known and is independent of the invention.

La figure 2 représente de façon simplifiée #la diode 3 vue en coupe verticale dans le dispositif semi-conducteur. La diode est réalisée par une diffusion N+ (12) selon la technologie NMOS sur du substrat P (8). Le substrat 8 est porté a un potentiel négatif (par exemple entre O et - 2,5 volts). La diffusion N 12 est reliée par un contact approprié au point marqué 9 sur la figure 1. La zone 13 est la zone de charge d'espace caractéristique de la jonction PN dont la taille varie essentiellement en fonction des concentrations d' impuretés N et P et de la différence de potentiel entre 8 et 12. FIG. 2 shows in simplified fashion #the diode 3 seen in vertical section in the semiconductor device. The diode is produced by N + scattering (12) according to NMOS technology on substrate P (8). The substrate 8 is brought to a negative potential (for example between 0 and -2.5 volts). Diffusion N 12 is connected by an appropriate contact to the point marked 9 in FIG. 1. Zone 13 is the space charge zone characteristic of the PN junction, the size of which varies essentially as a function of the concentrations of impurities N and P and the potential difference between 8 and 12.

Le fonctionnement du dispositif présenté a la figure 1 peut être décrit de la façon suivante. Dans un premier temps que l'on nommera précharge, les en trées de commande 14 et 15 doivent être le siège d'une tension positive (par exemple 5 volts) suffisante pour rendre les transistors 10 et 11 (respectivement) conducteurs. Dès cet instant la capacité de grille du transistor 5 va se charger positivement et va imposer l'écriture d'un "O logique" dans le point mémoire 7. The operation of the device shown in Figure 1 can be described as follows. Initially which will be called preload, the control inputs 14 and 15 must be the seat of a positive voltage (for example 5 volts) sufficient to make the transistors 10 and 11 (respectively) conductive. From this moment the gate capacitor of transistor 5 will charge positively and will impose the writing of a "logic O" in memory point 7.

Pour réaliser une saisie-mémorisation d'une image, la diode 3 doit être éclairée après quoi l'entrée de commande 14 doit être le siège d'une tension permettant de bloquer le transistor 10 (par exemple 0 volt). La diode étant éclairée, des paires d'electrons-trous vont se former dans et aux abords de la jonction PN.To carry out an image capture and storage, the diode 3 must be lit after which the control input 14 must be the seat of a voltage making it possible to block the transistor 10 (for example 0 volts). The diode being lit, pairs of electron-holes will form in and around the PN junction.

Du fait de la recharge décrite ci-dessus la diode est polarisée en inverse au moment de la saisie et les paires d'électrons-trous vont être collectées par la jonction PN. Du fait de la polarisation inverse un courant I du au courant de génération et au courant de diffusion de la jonction PN va circuler du point 9 au substrat 8 et va contribuer a décharger la grille du transistor 5. Si la capacité de grille du transistor 5 atteint un potentiel inférieur a la tension de seuil (par exemple O, 7 volt) l'inverseur basculera et imposera un changement de la valeur logique du point mémoire 7. La décharge de la capacité de grille du transistor 5 sera d'autant plus rapide que le courant I sera fort.Le courant I dépend essentiellement de l'intensité d'éclairement et de la surface de diode 3 exposée a cet éclairement.Due to the recharge described above the diode is reverse biased at the time of capture and the electron-hole pairs will be collected by the PN junction. Due to the reverse polarization, a current I due to the generation current and to the diffusion current of the PN junction will flow from point 9 to the substrate 8 and will contribute to discharging the gate of the transistor 5. If the gate capacity of the transistor 5 reaches a potential lower than the threshold voltage (for example 0.7 volts) the inverter will switch and impose a change in the logic value of the memory point 7. The discharge of the gate capacitance of the transistor 5 will be all the faster that the current I will be strong. The current I depends essentially on the intensity of illumination and on the surface of diode 3 exposed to this illumination.

Comme littérature qui de façon théorique traite des principes physiques fondamentaux dont les effets sont utilisés dans le dispositif selon l'invention, on peut se reporter à "Physics of Semiconductor Devices" (deuxième sédition),
S.M. SZE, Wiley Eidteur, New York 1981. As the literature which theoretically deals with the fundamental physical principles whose effects are used in the device according to the invention, reference may be made to "Physics of Semiconductor Devices" (second edition),
SM SZE, Wiley Eidteur, New York 1981.

Pour stopper la saisie le transistor 11 devra être bloqué en imposant sur sa grille 15 une tension convenable (gar exemple 0 volt). Le temps de saisie, temps pendant lequel le transistor 10 est bloqué et le transistor 11 est passant, devra être réglé en fonction de l'intensité de l'éclairement et de la sensibilité du dispositif ; ce réglage est analogue a celui du temps de pose d'un appareil de photo en fonction de l'intensité lumineuse et de la sensibilité du film utilisé. To stop the input the transistor 11 must be blocked by imposing on its gate 15 a suitable voltage (gar example 0 volt). The input time, time during which the transistor 10 is blocked and the transistor 11 is on, must be adjusted as a function of the intensity of the lighting and the sensitivity of the device; this setting is similar to that of the exposure time of a camera depending on the light intensity and the sensitivity of the film used.

La sensibilité du dispositif décrit ci-dessus pourra être également modifiée en jouant sur les valeurs des potentiels appliqués en 1, 6 et 8. Le temps de saisie devra néanmoins être largement inférieur au temps de décharge de la capacité de grille du transistor 5 lorsque cette décharge est réalisée uni quement par les courants de fuite inhérents a la technologie de réalisation. The sensitivity of the device described above can also be modified by playing on the values of the potentials applied in 1, 6 and 8. The capture time must nevertheless be much less than the discharge time of the gate capacitance of transistor 5 when this discharge is carried out only by the leakage currents inherent in the production technology.

Si la photodiode 3 est couplée en 7 a un point mémoire dynamique, le même montage que celui décrit à la figure 1 peut être utilisé. Toutefois lorsque le point mémoire est réalisé a l'aide d'un dispositif de type capacitif il est possible de réaliser la même fonction que celle décrite ci-dessus en reliant par un contact approprié le conducteur diffusé N+ de la diode photosensible a la borne appropriée de la Capacité de mémorisation. Dans ce cas l'ensemble des points mémoire devra être préchargé au "1 logique" par une écriture avant que la saisie de l'image numérique ne soit réalisée. Le temps de saisie est alors le temps séparant deux opérations successives de rafraichissement de la mémoire. If the photodiode 3 is coupled at 7 to a dynamic memory point, the same arrangement as that described in FIG. 1 can be used. However, when the memory point is produced using a capacitive type device, it is possible to perform the same function as that described above by connecting the N + diffused conductor of the photosensitive diode to the appropriate terminal by an appropriate contact. Memory capacity. In this case, all of the memory points must be preloaded to "logical 1" by writing before the digital image is captured. The entry time is then the time separating two successive memory refresh operations.

Le réglage du temps de saisie se fait donc en jouant sur la fréquence de rafrai- chissement de la mémoire.The setting of the input time is therefore done by adjusting the memory refresh rate.

Dans la description ci-dessus, l'image captée et mémorisée est une image binaire c'est-à-dire que chaque point de l'image n'est codé que sur un seul bit. In the description above, the image captured and stored is a binary image, that is to say that each point of the image is coded only on a single bit.

Toutefois le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour former des images à plusieurs niveaux de gris en réalisant des saisies successives correspondant chacun à des temps de saisie différents. Les valeurs successives prises en chaque point de l'image constituent un codage sur plusieurs bits de 1' inten- site lumineuse reçue en ce point. Ces valeurs peuvent être soit extraites du circuit après chaque saisie, soit stookees dans le circuit lui-même par cons traction en 7 d'un dispositif de mémorisation approprié (par exemple un registre à décalage). Le circuit Intégré sur lequel sera réalisée la matrice d'éléments décrits ci-dessus sera soumis à un rayonnement lumineux constitué de telle sorte que l'image à observer soit dans le plan du circuit (par exemple en utilisant un dispositif optique approprié). However, the device according to the invention can be used to form images with several gray levels by making successive captures each corresponding to different capture times. The successive values taken at each point of the image constitute a coding on several bits of the light intensity received at this point. These values can be either extracted from the circuit after each entry, or stookees in the circuit itself by cons traction in 7 of an appropriate storage device (for example a shift register). The integrated circuit on which the matrix of elements described above will be produced will be subjected to a light radiation constituted so that the image to be observed is in the plane of the circuit (for example by using an appropriate optical device).

Une bonne réalisation du circuit et un usage convenable de ses fonctions de commande permettent que l'image soit présente en permanence et ne nécessitent pas le seul éclairage sélectif des jonctions PN photosensibles. Il est toutefois possible d'améliorer la précision du dispositif en recouvrant toutes les parties non photosensibles du circuit par une couche opaque a la lumière. Proper implementation of the circuit and proper use of its control functions allow the image to be permanently present and do not require the only selective lighting of the photosensitive PN junctions. It is however possible to improve the precision of the device by covering all the non-photosensitive parts of the circuit with a layer opaque to light.

Par ailleurs le dispositif peut être utilisé pour former des images multispectrales en recouvrant les diodes photosensibles d'un matériau filtrant qui ne laisse passer que la lumière correspondant a un intervalle de longueur d'onde fixee. En utilisant plusieurs matériaux filtrant différents et en regroupant plusieurs photodiodes telles que chaque photodiode soit recouverte d'un matériau filtrant différent, il est possible d'organiser géométriquement le dispositif de façon a former a chaque saisie, différentes images monochromatiques, chacune de ces images étant formée dans le domaine de longueur d'onde correspondant au filtre utilisé pour former cette image. Furthermore, the device can be used to form multispectral images by covering the photosensitive diodes with a filtering material which lets through only the light corresponding to a fixed wavelength interval. By using several different filtering materials and by grouping together several photodiodes such that each photodiode is covered with a different filtering material, it is possible to geometrically organize the device so as to form, at each capture, different monochromatic images, each of these images being formed in the wavelength domain corresponding to the filter used to form this image.

Comme cela ressort de la description faite ci-dessus, en raison de la réception de la lumière par une diode a jonction PN et par une mémorisation du signal reçu il est possible de réaliser un dispositif de formation d'image et de mémorisation de l'image formée. L'information est alors directement exploitable par un système de traitement d'informations numériques. As emerges from the description given above, owing to the reception of light by a PN junction diode and by storage of the received signal, it is possible to produce an image forming and storage device. formed image. The information can then be used directly by a digital information processing system.

Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné a l'acqui- sition et au stockage d'images numeriques.A titre d'exemple et sans que cela soit limitatif, on peut citer comme applications la saisie et la mémorisation dtimagesnumeriques pour reconnaissance d'objets en robotique, la reconnaissance de caractères multipolices, la détection de cellules en biologie.  The device according to the invention is particularly intended for the acquisition and storage of digital images. By way of example and without this being limiting, mention may be made as applications of the capture and storage of digital images for recognition of objects in robotics, multi-font character recognition, cell detection in biology.

Claims (8)

REVENDICATIONS 1) Dispositif de formation et de mémorisation d'image numérique a semiconducteur caractérisé en ce qu'il comporte un substrat semi-conducteur d'un premier type de conductibilité et comprenant une partie de surface prIncipale, un ensemble d'éléments chacun comportant une partie de photodiode comprenant une diode à jonction PN qui comporte une région d'un second type de conductibilité diffusée dans ladite partie de surface principale constituant une partie photo- sensible, chacun des éléments dudit ensemble comprenant outre ladite photodiode une partie de système à effet capacitif dont une des électrodes dite de charge initiale est reliée au conducteur diffusé de ladite jonction PN ; chacun des éléments dudit ensemble comprenant de plus une partie de transistor de commuta- tion à métal-oxyde-semi-conducteur comprenant une électrode de commande permet- tant ce charger positivement l'électrode dite de charge initiale de ladite partie de système capacitif ; chacun des éléments dudit ensemble comprenant de plus soit une partie de transistor de commutation à métal-oxyde-semi-conducteur dont la capacité de grille réalise ledit système capacitif, ladite grille se déchar- geant sous l'effet d'un courant circulant en inverse dans la jonction PN de ladite photodiode lorsque ladite photodiode est soumise à un éclairement, le transisitor de commutation à métal-oxyde-semi-conducteur dernièrement décrit servant de transistor signal d'un Inverseur dont la sortie est reliée à l'entrée d'un point mémoire par l'intermédiaire d'un transistor de commande constituant la commande de saisie de l'information, soit une partie de mémorisation de type dynamique constituée essentiellement par ledit système à effet capacitif ledit système capacitif se déchargeant de façon analogue à celle décrite dans l'alternative précédente. 1) Semiconductor digital image formation and storage device characterized in that it comprises a semiconductor substrate of a first type of conductivity and comprising a main surface part, a set of elements each comprising a part of a photodiode comprising a PN junction diode which comprises a region of a second type of conductivity diffused in said main surface part constituting a photosensitive part, each of the elements of said assembly comprising, in addition to said photodiode, a part of capacitive effect system whose one of the so-called initial charge electrodes is connected to the diffused conductor of said PN junction; each of the elements of said assembly further comprising a part of a metal-oxide-semiconductor switching transistor comprising a control electrode allowing this positively charge the so-called initial charge electrode of said part of the capacitive system; each element of said assembly further comprising either a part of a metal-oxide-semiconductor switching transistor whose gate capacitance realizes said capacitive system, said gate discharging under the effect of a current flowing in reverse in the PN junction of said photodiode when said photodiode is subjected to an illumination, the metal-oxide-semiconductor switching transisitor last described serving as signal transistor of an Inverter whose output is connected to the input of a memory point by means of a control transistor constituting the command for entering information, that is to say a dynamic type storage part constituted essentially by said capacitive effect system said capacitive system discharging in a similar manner to that described in the previous alternative. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble d'éléments est disposé régulièrement à la surface dudit substrat semiconducteur. 2) Device according to claim 1, characterized in that said set of elements is regularly arranged on the surface of said semiconductor substrate. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il peut être obtenu par la mise en oeuvre de la technologie MOS. 3) Device according to claim 1, characterized in that it can be obtained by the implementation of MOS technology. 4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le temps de prise en compte de la décharge dudit système capacitif peut être réglé par l'intermédiaire soit dudit transistor de co=ande de saisie, soit d'un cycle de rafraichissenent de ladite partie de mé=#risation de type dynamique, parae#tant ainsi de faire varier la senslbillte du dispositif.  4) Device according to claim 1, characterized in that the time for taking into account the discharge of said capacitive system can be adjusted by means of either said input transistor = or a refresh cycle of said part of measurement = # dynamic type, parae # so much to vary the senslbillte of the device. 5) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sensibilité dudit dispositif peut être réglée en faisant varier un ou plusieurs des potentiels suivants : potentiel de charge initiale de 1'électrode dite de charge initiale dudit système capacitif, potentiel d'alimentation général dudit dispositif, potentiel dudit substrat semi-conducteur. 5) Device according to claim 1, characterized in that the sensitivity of said device can be adjusted by varying one or more of the following potentials: initial charge potential of the so-called initial charge electrode of said capacitive system, general supply potential of said device, potential of said semiconductor substrate. 6) Dispositif delon les revendications 1, 4 et 5, caractérisé en ce qu'il permet d'obtenir des images à plusieurs niveaux de gris en réalisant une série de saisies successives en faisant varier entre chaque saisie la sensibilité du dispositif, chaque image ainsi formée étant soit extraite directement du dispositif, soit enmagasinée dans une partie de mémorisation à plusieurs bits associée à chaque élément de saisie. 6) Device according to claims 1, 4 and 5, characterized in that it makes it possible to obtain images with several gray levels by making a series of successive captures by varying the sensitivity of the device between each capture, each image thus formed being either extracted directly from the device, or stored in a multi-bit storage part associated with each input element. 7) Dispositif selon les revendications 1, 4, 5 et 6, caractérisé en ce que la surface de chaque photodiode soumise à l'éclairement peut être plus ou moins grande permettant ainsi de réaliser des dispositifs adaptés a des conditions d'éclairement différentes. 7) Device according to claims 1, 4, 5 and 6, characterized in that the surface of each photodiode subjected to the illumination can be more or less large thus making it possible to produce devices adapted to different lighting conditions. 8) Dispositif selon les revendications 1, 4, 5, 6 et 7, caractérisé en ce qu'il permet d'obtenir des images multispectrales, l'ensemble desdites diodes photosensibles étant divisé en plusieurs groupes, chaque groupe étant régulièrement disposé à la surface dudit substrat et les parties photosensibles de chaque groupe étant recouverte d'un matériau filtrant laissant passer la longueur d'onde caractéristique du groupe.  8) Device according to claims 1, 4, 5, 6 and 7, characterized in that it allows to obtain multispectral images, all of said photosensitive diodes being divided into several groups, each group being regularly arranged on the surface of said substrate and the photosensitive parts of each group being covered with a filtering material allowing the wavelength characteristic of the group to pass.
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