FR2602914A1 - Dispositif de prise de vues pourvu d'un moyen de prise de vues semi-conducteur et d'un obturateur electronique - Google Patents

Abstract

DANS LE CAS DE L'UTILISATION D'UN MOYEN DE PRISE DE VUES 1 PRESENTANT UNE STRUCTURE A AU MOINS TROIS COUCHES DE MATIERE SEMI-CONDUCTRICE, PAR EXEMPLE DU TYPE DE CONDUCTION N-P-N, OU DANS UN SUBSTRAT N 2, DES REGIONS EN FORME DE BANDES 3, 4 DE TYPE P PLUS FORTEMENT DOPE ALTERNANT AVEC LE TYPE N ENCORE PLUS FORTEMENT DOPE SONT PRESENTES SUR UN COTE DU SUBSTRAT, LES REGIONS P 3 S'ETENDANT DANS LE SUBSTRAT JUSQU'EN DESSOUS DES REGIONS N 4, ET UN ENSEMBLE D'ELECTRODES 61-64 ORIENTEES PERPENDICULAIREMENT AUX REGIONS EN FORME DE BANDES 3, 4 EST PRESENT, UN OBTURATEUR ELECTRONIQUE 2-6, SP PEUT ETRE REALISE PAR L'APPLICATION D'UN SIGNAL D'OBTURATEUR CP1-4, SP DANS LEQUEL, PENDANT DES DUREES D'INTEGRATION D'INFORMATION D'IMAGE, UNE IMPULSION D'OBTURATEUR SP ETABLISSANT UNE CONNEXION DE CHARGE 2, 3, 4 POUR DES ELEMENTS DE PRISE DE VUES EST PRESENTE. DES PERTES DE CHARGES SUR DES JONCTIONS SEMI-CONDUCTRICES PHOTOSENSIBLES POLARISEES 3, 4 OU DES PAQUETS DE CHARGES LIBRES QUI Y CORRESPONDENT EN DESSOUS DE L'ENSEMBLE D'ELECTRODES 61-64 SONT AINSI RESPECTIVEMENT COMPENSEES OU EVACUEES LORS DU FONCTIONNEMENT DE L'OBTURATEUR.

Description

DISPOSITIF DE PRISE DE VUES POURVU D'UN MOYEN DE PRISE DE VUES

SEMI-CONDUCTEUR ET D'UN OBTURATEUR ELECTRONIQUE.

La présente invention concerne un dispositif

de prise de vues pourvu d'un moyen de prise de vues semi-conducteur et d'un obturateur électronique, le moyen de prise de vues comportant, dans un substrat 5 semi-conducteur, des éléments de prise de vues pour convertir le rayonnement incident, dans une durée d'intégration d'information d'image, en déficits de charges électriques sur des jonctions semi-conductrices polarisées et un registre à décalage à entrée parallèle 10 et sortie série qui y est couplé pour décaler ultérieurement, sous la commande de signaux d'impulsions d'horloge fournis par un générateur de signaux de commande, les déficits de charges électriques vers une borne de sortie du moyen de prise de vues pour la 15 fourniture d'un signal d'image, l'obturateur électronique étant actif par une connexion de charge au niveau des éléments de prise de vues, pendant une partie de la durée d'intégration d'information d'image, sous la commande d'un signal d'obturateur fourni par le géné20 rateur de signaux de commande.

Un tel dispositif de prise de vues est décrit

dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 715 485.

Dans ce cas, dans le substrat, les éléments de prise de vues sont chacun pourvus d'une jonction semi25 conductrice polarisée, sensible au rayonnement lumineux, entre des matières semi-conductrices de type p et de type n, d'un premier transistor de commutation pour coupler la jonction semi-conductrice photosensible au registre à décalage et d'un second transistor de 30 commutation pour, sous la comnande du signal d'obturateur, coupler la jonction semi-conductrice photosensible au substrat du moyen de prise de vues. Il est décrit que, pendant une première partie réglable de la durée d'intégration d'information d'image, les seconds 35 transistors de commutation sont conducteurs vers le substrat et forment les connexions de charge, grâce à quoi les jonctions semi-conductrices photosensibles n'accumulent pas de déficit de charges électriques a titre d'information d'image. Dans la seconde partie 5 restante de la durée d'intégration d'information d'image, tous les premiers et seconds transistors de commutation sont bloqués, grâce à quoi des déficits de charges électriques dépendant bien de l'intensité du rayonnement incident sont accumulés à titre d'infor10 mation d'image, ces déficits de charges étant ensuite décalés, par l'intermédiaire des premiers transistors de commutation, vers le registre à décalage à entrée parallèle et sortie série. L'obturateur électronique est ainsi actif avec une durée insensible et une durée 15 sensible réglable pendant les durées d'intégration d'information d'image constantes. On évite ainsi qu'en présence d'un éclairement localement excessif de certains éléments de prise de vues, il se produise un étalement de l'information vers des éléments de prise 20 de vues voisins, ce qui, lors de la reproduction du signal d'image, aboutirait à un effet d'hyperluminosité (blooming). L'invention vise à utiliser avantageusement un tel obturateur électronique pour un moyen de prise de vues semi-conducteur d'un certain type connu. Un dispositif de prise de vues conforme à l'invention est caractérisé à cet effet en ce que, lors de l'utilisation d'un moyen de prise de vues à structure en plusieurs couches au moins trois couches d'une matière 30 semi-conductrice, qui sont respectivement d'un premier type de conduction, du second type de conduction opposé et du premier type de conduction, dans lequel, dans le substrat en matière semi- conductrice du premier type dopée, des régions en forme de bandes en matière semi35 conductrice du second type plus fortement dopée, alternant avec des régions en forme de bandes en matière semi-conductrice du premier type encore plus fortement dopée, sont présentes sur un côté du substrat, les régions du second type de conduction 5 s'étendant dans ce substrat jusqu'en dessous des régions du premier type de conduction et présentant une épaisseur décroissante aux environs de l'axe médian de ces régions, et dans lequel un ensemble d'électrodes orientées perpendiculairement aux régions en forme de 10 bandes est présent pour les éléments de prise de vues du moyen de prise de vues, l'obturateur électronique est actif par un signal d'obturateur qui apparaît pendant les dites durées d'intégration d'information d'image et qui comprend une impulsion d'obturateur, 15 grâce à quoi la connexion de charge est présente sous la forme d'une connexion conductrice entre les régions en forme de bandes du premier type de conduction et le

substrat du premier type de conduction.

L'invention sera expliquée ci-après plus en 20 détail, à titre d'exemple, avec référence au dessin annexé, dans lequel: la Fig. 1 illustre schématiquement en la une partie d'un dispositif de prise de vues conforme à l'invention et en lb, une coupe transversale d'un moyen 25 de prise de vues qui y est présent, et la Fig. 2 donne quelques diagrammes de signaux de commande en fonction du temps en vue d'illustrer le fonctionnement du dispositif de prise de vues de la

Fig. 1.

Sur la Fig. 1, la Fig. la est une vue schématique d'un moyen de prise de vues 1, dont une coupe tranversale suivant une ligne en traits mixtes est illustrée sur la Fig. lb. La coupe transversale de la Fig. lb montre que le moyen de prise de vues 1 présente une structure en plusieurs couches comportant au moins trois couches 2, 3 et 4 d'une matière semiconductrice, qui sont respectivement du type de conduction n, du type de conduction p opposé et à nouveau du type de conduction n. En lieu et place de cette structure, une structure en plusieurs couches p-n-p serait possible, condition d'adapter les polarités des tensions encore à décrire. La couche 2 est indiquée par n-, ce qui implique une concentration en agent dopant du type n de, par exemple, environ 5.1014 par cm3. La couche 2 est présente à 10 titre de substrat indiqué en matière semi-conductrice de type n ainsi dopée, dans laquelle les couches 3 et 4 sont présentes en alternance d'un côté à titre de régions en forme de bandes indiquées. Les régions p en forme de bandes 3 ont une concentration en agent dopant 15 supérieure à celle du substrat et, à titre d'exemple, on peut citer une concentration en agent dopant d'environ 3.1015 atomes par cm3 près de la surface de ces régions. Les régions n en forme de bandes 4 ont une concentration en agent dopant encore plus élevée et, à 20 titre d'exemple, on peut citer une concentration en agent dopant d'environ 1016 atomes par cm3 près de la surface de ces régions. Sur la Fig. la, les régions en forme de bandes sont indiquées par des lignes en traits interrompus et désignées par n, p, n, p et n. Dans le 25 substrat 2, les régions p 3 s'étendent jusqu'en dessous des régions n 4. Les régions p 3 sont représentées séparées l'une de l'autre sur la Fig. lb, mais elles pourraient former une couche ininterrompue. Ce qui importe ici est que la couche 3 présente une épaisseur décroissante au voisinage de l'axe médian des régions 30

n 4. Le moyen de prise de vues 1 présente de la façon décrite une structure de transistor "vertical", o les régions n 4 peuvent servir de source, les régions p 3 de porte et le substrat 2 de drain. Dans cette 35 structure de transistor, des jonctions semi-conduc-

trices p-n (3, 4), qui sont photosensibles, sont présentes entre les régions 3 et 4. Dans le cas de jonctions semi-conductrices (3, 4) polarisées, des paires d'électrons-trous, dont la présence est provo5 quée par des photons de rayonnement lumineux incident,

produisent desdéficits de charges sur ces jonctions.

Le moyen de prise de vues 1 illustré sur la Fig. lb est pourvu, sur le côté du substrat portant les régions en forme de bandes n et p, 4 et 3 respectivement, d'une couche isolante transparente 5 sur 10 laquelle une bande électrode 6 est présente, ces couches étant représentées hachurées. L'électrode 6 fait partie d'un ensemble d'électrodes transparent (6164), qui est illustré sur la Fig. la comme étant un ensemble d'électrodes quadriphasé comportant un certain 15 nombre de bandes électrodes successives 61 à 64 incluse. L'ensemble d'électrodes quadriphasé (61-64) est mentionné à titre d'exemple, en correspondance avec la forme d'exécution du moyen de prise de vues décrite dans une référence bibliographique qui reste a 20 préciser. Le moyen de prise de vues 1 illustré sur la Fig. 1 comporte, en dehors de la partie décrite avec les éléments 2 à 6 inclus de la Fig. lb et l'ensemble d'électrodes 61 à 64 de la Fig. la, une partie de 25 décalage 7 et un registre à décalage à entrée parallèle et à sortie série 8 couplé à une borne de sortie 9 du moyen de prise de vues. La partie de décalage 7 peut être réalisée avec une partie formant mémoire pour le stockage de l'information d'image. La partie de déca30 lage (et de mémoire) 7 et le registre à décalage 8 sont protégés contre le rayonnement lumineux incident. La partie formant le moyen de prise de vues avec l'ensemble d'électrodes (61-64) est, dans le cas présent, la partie de prise de vues qui comporte des 35 éléments de prise de vues pour convertir le rayonnement incident en des pertes de charges électriques sur des

jonctions semi-conductrices polarisées (3, 4).

La structure en plusieurs couches du moyen de prise de vues 1 illustrée sur la Fig. lb est décrite dans un article paru dans "IEEE Transactions on Electron Devices", Vol. ED-32, n 8, août 1986, pages 1430 à 1438, intitulé "A Frame-Transfer CCD Color Imager with Vertical Antiblooming". Pour obtenir des exemples, on 10 peut se référer à cet article qui indique des profils de concentrations exacts en agent dopant pour les régions en forme de bandes 3 et 4. Pour la commande d'un tel moyen de prise de vues, on peut se référer à une brochure de Philips Electronics Components and Materials Division, Technical Publication 211, publié

en avril 1986 et intitulé "The frame-transfer sensor".

Sur la Fig. la, en correspondance avec cette brochure, 10 désigne un générateur de signaux de commande qui est considéré comme fournissant des signaux de commande 20 CP1, CP2, CP3 et CP4 aux bandes électrodes respectives 61, 62, 63 et 64 et d'autres signaux de commande CP7, CP8 respectifs à la partie de décalage (et de mémoire) 7 et au registre à décalage 8. Il est indiqué par x et y au niveau des liaisons de connexion portant respec25 tivement les signaux CP7 et CP8 que celles-ci sont

d'une réalisation polyphasée avec plusieurs lignes.

Pour la description détaillée d'une réalisation du générateur de signaux de commande 10 en vue de la fourniture de signaux de décalage, de signaux d'impul30 sions d'horloge, d'impulsions de plus longue durée et

de combinaisons de tels signaux, on peut se référer au à la brochure précitée. Partant de ce qui précède, quelques diagrammes de signaux de commande en fonction du temps t sont illustrés sur la Fig. 2 pour les signaux de commande CP1, CP2, CP3 et CP4. La combinaison de ces signaux de commande pour l'ensemble d'électrodes (6164) est indiquée sur la Fig. 1 par CP1-4, à titre de partie d'un signal d'obturateur (CP1-4, SP) décrit plus en détail plus loin. Quelques instants tl à t7 inclus sont indiqués sur la Fig. 2. Avant l'instant tl et après l'instant t7, des impulsions d'horloge de décalage TP sont présentes d'une manière connue dans les signaux de commande CP1 à CP4 inclus. Au départ d'une fréquence d'impulsions d'horloge de 2,5 MHz indiquée dans la brochure et d'une division de fréquence par le facteur 4, les impulsions d'horloge de décalage TP déphasées de 90 sont produites par le générateur 10 avec une période d'impulsions de 1,6 p. Sur la Fig. 2, à partir de l'instant tl jusqu'à l'instant t7, une durée d'intégration d'information d'image est indiquée 15 par IT. La durée IT est divisée sur la Fig. 2 en une première, une deuxième et une troisième durée, qui sont désignées respectivement par IT1, IT2 et IT3. A titre d'exemple, la Fig. 2 montre que la durée IT2 entre les instants t3 et t5 est égale à 4,8, soit le triple de 20 la période des impulsions TP. Cette durée s'avère en pratique être optimale pour l'effet que l'on cherche à obtenir et qui sera décrit plus en détail plus loin, dans le cas de la réalisation du moyen de prise de vues décrite dans l'article, lorsqu'on vise à réduire la 25 durée au minimum. En variante, la durée IT2 peut débuter à l'instant tl et non à l'instant t3, ce qui implique l'absence de la durée IT1. De plus, la Fig. 2 montre que les impulsions TP ont, par exemple, une amplitude de 0 V à +10 V. En outre, la Fig. lb montre 30 que le substrat 2 est, par exemple, connecté à une tension de +20 V. Il convient de noter la particularité que suivant un aspect de l'invention, pendant la partie IT2 de la durée IT, une tension de, par exemple, -5 V est présente dans les signaux de commande CP1 à 35 CP4 inclus, c'est-à-dire dans la combinaison CP1-4 de ces signaux de commande. Par la présence des impulsions de -5 V, qui sont indiquées sur la Fig. 2 comme des impulsions d'obturateur SP, un signal d'obturateur 5 (CP1-4, SP) est actif, dans le cas du moyen de prise de vues 1 de la Fig. 1, pour un obturateur électronique (2-6, SP). La durée d'intégration d'information d'image IT est ici une durée d'intégration maximale et est divisée en une durée insensible réglable (IT1 + IT2) et 10 en une durée sensible IT3. Sur la Fig. 2, des impulsions d'intégration d'une tension de +10 V sont indiquées par IP pour les signaux de commande CP2, CP3

et CP4.

On expliquera ci-après le fonctionnement du 15 moyen de prise de vues 1 et de l'obturateur électronique (2-6, SP) opérant avec le signal d'obturateur (CP1-4, SP). Le départ se situe à l'instant tl qui est indiqué sur la Fig. 2. Dans ce cas, par l'intermédiaire du signal CP1, la tension de 0 V est présente sur les 20 bandes électrodes 61 et les bandes 62, 63 et 64 portent la tension de +10 V sous l'application des signaux CP2, CP3 et CP4, respectivement. La tension de +10 V attire des électrons depuis les régions n 4, de sorte que les jonctions semi-conductrices (3, 4) se polarisent. Les 25 électrons sont alors attirés depuis la partie sousjacente et adjacente de la région 4 et depuis la partie située plus loin si la tension de 0 V apparaît sur la bande électrode surjacente. A partir de l'instant tl, des photons du rayonnement lumineux incident produiront 30 des paires d'électrons-trous, de sorte que la tension sur les jonctions semi-conductrices polarisées (3, 4) diminue. Ledéficit de charges pour la jonction semiconductrice (3, 4) correspond à une charge négative libre sous les bandes électrodes 62, 63 et 64, c'est-à35 dire a des paquets de charges libres

présents en ces endroits et dont l'importance dépend de l'intensité de l'éclairement local et de sa durée. De cette façon, des paquets de charges libres apparaissent a l'instant t2 en dessous des bandes élec5 trodes 62, 63 et 64.

Ensuite, à l'instant t3, la tension de -5 V est imposée sur toutes les bandes électrodes 61 à 64 incluse. Ainsi, tous les transistors "verticaux" avec les sources 4 et le drain 2 passent sur conduction, de sorte que des connexions de charge (2, 3, 4) sont formées au niveau des jonctions semi-conductrices (3, 4). A titre d'exemple, il convient de noter que de l'instant t3 jusqu'à l'instant t4, les connexions de charges(2, 3, 4) portent du courant et que de l'instant 15 t4 jusqu'à la conduction, elles sont polarisées, de

sorte que des électrons engendrés par des photons sont immédiatement évacués. A l'instant t5, l'état décrit à propos de l'instant tl est à nouveau présent et l'intégration de lumière va à nouveau se produire, l'instant 20 t6 correspondant à l'instant t2.

A partir de l'instant t7, les déficits de charges apparaissant d'une manière connue aux jonctions semi-conductrices (3, 4) sont décalés sous forme de paquets de charges d'en dessous de l'ensemble d'élec25 trodes (61-64) vers la partie de décalage (et de

mémoire) 7.

La réalisation du moyen de prise de vues 1 avec la structure à plusieurs couches et les concentrations en agent dopant décrites ont pour 30 résultat un obturateur électronique (2-6, SP) qui, fonctionne bien en pratique, pour le dispositif de prise de vues. Dans ce cas, les déficits de charges sur les jonctions semi-conductrices photosensibles polarisées (3, 4) ou les paquets de charges 35 libres qui y correspondent sous l'ensemble d'électrodes (61-64) sont respectivement compensés ou évacués lors

du fonctionnement de l'obturateur.

Au cas o le signal d'image apparaissant sur la borne de sortie 9 du moyen de prise de vues est utilisé pour la reproduction d'images de télévision, après d'autres traitements de signaux courants en télévision, le dispositif de prise de vues fait partie d'un appareil de prise de vues de télévision. Une autre possibilité consiste à traiter le signal d'image apparaissant sur la borne 9 jusqu'à ce que l'on obtienne un signal convenant pour la reproduction cinématographique, de sorte que le dispositif de prise de vues fait partie, à titre de partie de prise de vues, d'un appareil de prise de vues de cinéma. Une autre possibilité consiste à traiter le signal d'image 15 pour l'obtention de photographies ou de diapositives, de sorte que le dispositif de prise de vues fait partie, à titre de partie de prise de vues, d'un appareil photographique. Des pauses sont fréquentes dans ce cas entre des prises de vues photographiques. 20 Au départ de la réalisation à transfert par trame décrite du moyen de prise de vues 1 avec la partie de prise de vues, la partie de mémoire et la partie de registre à décalage, l'obturateur électronique (26, SP) peut être utilisé dans le cas d'une prise de 25

vues photographique pour obtenir la connexion de charge (2, 3, 4) tant pour la partie de prise de vues que pour la partie de mémoire. Avant la prise de vues photographiques, les deux unités sont alors nettoyées.

Ce nettoyage peut s'effectuer par application du signal d'obturateur (CP14, SP) aux ensembles d'électrodes tant de la partie de prise de vues que de la partie de mémoire. Dans le cas de la prise de vues photographiques, une autre solution pour l'action de nettoyageobturation consiste à appliquer le signal d'obturateur 35

comprenant les impulsions d'obturateur avec la polarité opposée au substrat qui est commun pour la partie de prise de vues et la partie de mémoire.

15 20 25 30

RE V E N D I C A T I ON S

1.- Dispositif de prise de vues pourvu d'un moyen de prise de vues semiconducteur et d'un obtu5 rateur électronique, le moyen de prise de vues comportant, dans un substrat semi-conducteur, des éléments de prise de vues pour convertir le rayonnement incident, dans une durée d'intégration d'information d'image, en déficits de charges électriques sur des jonctions semi10 conductrices polarisées et un registre à décalage à entrée parallèle et sortie série qui y est couplé pour décaler ultérieurement, sous la commande de signaux d'impulsions d'horloge fournis par un générateur de signaux de commande, les déficits de charges électriques 15 vers une borne de sortie du moyen de prise de vues pour la fourniture d'un signal d'image, l'obturateur électroniquè étant actif par une connexion de charge au niveau des éléments de prise de vues, pendant une partie de la durée d'intégration d'information d'image, 20 sous la commande d'un signal d'obturateur fourni par le générateur de signaux de commande, caractérisé en ce que, lors de l'utilisation d'un moyen deprise de vues (1) à structure à plusieurs couches comportant au moins trois couches (2,3,4) d'une matière semi-conductrice, qui 25 sont respectivement d'un premier type de conduction, du second type de conduction opposé et du premier type de conduction, dans lequel, dans le substrat (2) en matière semi-conductrice du premier type dopée, desrégions(p3) en forme de bandes en matière semi-conductrice du second 30 type plus fortement dopée, alternant avec des régions (n4) en forme de bandes en matière conductrice du premier type encore plus fortement dopée, sont présentes sur un côté du substrat (2), lesrégions (p3) du second type de conduction s'étendant dans ce substrat jusqu'en dessous des 35 régions (n4) du premier type de conduction et présentant une épaisseur décroissante aux environs de l'axe médian de ces régions, et dans lequel un ensemble d'électrodes (61-64) orientées perpendiculairement aux régions en forme de bandes est présent pour les éléments de prise de vues du moyen de prise de vues, l'obturateur électronique (2-6,SP) est actifpar unsignal d'obturateur (CP1-4, SP) qui apparaît pendant les dites durées d'intégration d'information d'image et qui comprend uneimpulsion d'obturateur (SP), grâce à quoi la connexion de charges (2,3,4)est présente sous la forme d'une connexion conductrice entreles régions (n3) 10 en forme de bandes du premier type de conduction et le

substrat (2) du premier type de conduction.

2.- Dispositif de prise de vues suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le signal d'obturateur (CP1-4, SP)comprenantl'impulsion d'obturateur(SP)est appliqué à toutes les électrodes du dit ensemble d'électrodes (61-64) assacié aux élémentsde prise de vues du

moyen de prise de vues (1).

3.- Dispositif de prise de vues suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le signal 20

d'obturateur comprenant l'impulsion d'obturateur est appliqué au substrat (2) du moyen de prise de vues (1).