FR2945668A1 - Capteur d'image pour imagerie a tres bas niveau de lumiere. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif élémentaire d'un capteur d'image, comprenant une région d'accumulation de charges photogénérées formée en surface d'un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité (30) polarisé à une tension de référence, la région d'accumulation étant associée à un dispositif de transfert (36), de multiplication (38, 40, 42) et d'isolement (44) de charges. La région d'accumulation est surmontée d'une grille isolée (32) polarisée alternativement à une première tension et à une seconde tension.

Description

B9520 - DD11256E0 1 CAPTEUR D'IMAGE POUR IMAGERIE À TRÈS BAS NIVEAU DE LUMIÈRE

Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des capteurs d'image intégrés et, plus particulièrement, des capteurs permet-tant une bonne détection à faible éclairement.

Exposé de l'art antérieur De nombreux dispositifs de capture d'image intégrés sont connus. La structure la plus courante de ces capteurs comprend une pluralité de dispositifs élémentaires de détection ou pixels, chacun comprenant une photodiode formée dans un substrat semiconducteur, associée à un dispositif de transfert de charges et à un circuit de lecture des charges qui ont été transférées. On cherche généralement à minimiser le nombre d'éléments des capteurs en utilisant un circuit de lecture pour plusieurs photodiodes.

Lorsqu'un capteur d'image reçoit un faisceau lumineux, les photons incidents pénètrent dans le substrat semiconducteur et forment, dans ce substrat, des paires électrons/trous. Les électrons de ces paires sont ensuite capturés par la photodiode puis transférés par le transistor de transfert de charges vers le circuit de lecture associé. La demande de brevet US 2007/0176216 décrit une structure comprenant, en plus des éléments susmentionnés, des B9520 - DD11256EO

2 dispositifs, associés à chaque pixel, permettant l'amplification des électrons photogénérés dans ce pixel pour améliorer la sensibilité des capteurs. Pour réaliser cette amplification, ou multiplication de charges, il est connu d'utiliser les techniques associées aux registres CCD (dispositif à transfert de charge), c'est-à-dire de former, en surface du substrat, un ensemble de grilles métalliques polarisées en alternance. Cette polarisation alternée des grilles permet, par un effet dit d'avalanche électronique, la multiplication des électrons photo- générés. La figure 1 illustre un pixel d'un capteur d'image comprenant un étage de multiplication des charges et les figures 2A à 2E sont des courbes de potentiel illustrant le fonctionne-ment de ce pixel lors de différentes étapes de la détection.

Le pixel de la figure 1 est formé dans et sur un substrat 10 de type P polarisé à une tension de référence, par exemple la masse. Dans le substrat 10, en surface de celui-ci, est formée une photodiode constituée d'une région 12 fortement dopée de type N (N+). La photodiode est éclairée par un faisceau lumineux 13. Au voisinage de la photodiode est placée une grille de transfert 14 isolée commandée par un signal de transfert VT. A côté de la grille de transfert 14 sont formées plusieurs grilles isolées permettant la multiplication des charges par effet d'avalanche. Dans l'exemple représenté, quatre grilles 16, 18, 20, 22 sont commandées, respectivement, par des signaux de commande (D1, a)2, (1)3 et cl)4. La représentation de la figure 1 est extrêmement schématique ; en particulier, on notera que dans un dispositif réel, la plus grande partie de la surface de chaque pixel est dévolue à la photodiode.

Les figures 2A à 2E illustrent le potentiel dans le substrat 10, dans le plan de la figure 1, lors de différentes étapes de la capture d'image. Dans ces figures, un unique cycle de stockage, de transfert et de multiplication des électrons est décrit. Le potentiel illustré, dans chacune de ces figures, est le potentiel dans le substrat 10 en suivant une ligne que l'on B9520 - DD11256EO

3 appellera par la suite "ligne de potentiel maximum". Cette ligne passe, en profondeur dans le substrat, par les points de plus forte polarisation en regard des grilles isolées et dans la photodiode. On notera que, en fonction de la tension appliquée sur les différentes grilles isolées, la ligne de polarisation maximum passe par des points plus ou moins profonds dans le substrat. On notera que, dans la suite de la description, on appellera la grille 16 "grille de multiplication" bien que cette grille joue également un rôle lors de l'étape initiale de transfert. En figure 2A est représentée la courbe du potentiel dans la photodiode 12 et dans le substrat 10, lors d'une phase initiale de stockage des charges dans la photodiode 12. L'éclairement du capteur de la figure 1 provoque le stockage d'élec- trous dans la région 12 et le potentiel de cette région, initialement égal à V1, diminue pour atteindre une valeur V2 qui est fonction du nombre d'électrons stockés et donc du nombre de photons incidents. Pendant la phase de stockage, la tension VT appliquée à la grille de transfert est nulle pour former un mur de potentiel et éviter que des électrons ne sortent de la photo-diode 12. Le potentiel a)1, associé à la première grille de multiplication de charges 16 est, de préférence juste avant l'étape de transfert, fixé à une tension V3, supérieure à V1, en prévision de l'étape suivante.

A l'étape de la figure 2B, une tension de transfert VT, sensiblement égale ou légèrement supérieure à V1, est appliquée sur la grille de transfert 14, tandis que la tension a)1 appliquée à la première grille de multiplication de charges 16 est égale à v3 (supérieure à V1) et que la tension appliquée à la deuxième grille de multiplication 18 est nulle. Les charges stockées dans la photodiode 12 sont ainsi transférées dans le puits de potentiel formé, dans le substrat 10, en dessous de la première grille de multiplication 16. A l'étape de la figure 2C, la tension VT (grille de 35 transfert) repasse à un potentiel de référence tandis que la B9520 - DD11256EO

4 tension (1)2 reste à ce potentiel de référence, par exemple égal à zéro, ce qui bloque les électrons dans la région du substrat 10 située sous la grille 16. Une nouvelle phase de stockage de charges peut alors commencer au niveau de la photodiode 12.

A l'étape illustrée en figure 2D, on diminue la tension (D1 appliquée sur la grille 16 jusqu'à une tension V4 faible. Le potentiel du substrat 10 situé en dessous de la grille 16 est ainsi abaissé. Pendant cette étape, les tensions VT et (1)2 appliquées, respectivement, aux grilles 14 et 18, sont nulles (potentiel de référence). De préférence, juste avant l'étape suivante, la tension (1)3 appliquée à la grille 20 est fixée à une tension V5 très supérieure à la tension V4, en prévision de l'étape suivante. A l'étape illustrée en figure 2E, la tension (1)2 appli- quée à la grille 18 augmente rapidement pour être de l'ordre de la tension V4, ou légèrement supérieure à V4. La tension (1)3 étant égale à V5 (très supérieure à v4), les charges sont transférées vers la région du substrat située sous la grille 20. La différence de potentiel entre la région située sous la grille 18 (~ V4) et sous la grille 20 (V5) est suffisamment élevée pour permettre la multiplication des charges par effet d'avalanche électronique. Pendant cette étape, la grille 22 est polarisée à une tension nulle pour former un mur de potentiel et bloquer les charges au niveau de la grille 20. A titre d'exemple, la tension V4 peut être de l'ordre de 1 V et la tension V5 de 10 V. On notera que l'étape de transfert de charges (figure 2B) pourra également participer à l'amplification de celles-ci, la tension appliquée à la grille 16 lors de cette étape étant alors adaptée à produire une multiplication (tension élevée).

Pour que la multiplication des charges par effet d'avalanche soit significative, les étapes des figures 2D et 2E sont répétées plusieurs fois. Pour cela, on réalise des transferts en allers-retours au niveau des grilles 14, 16, 18, 20 et 22, ce qui permet de limiter le nombre de grilles à former.

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Un problème se pose s'il survient une durée longue à très faible niveau d'éclairement, par exemple dans le cas où le capteur d'image est destiné à détecter des images dans un environnement sombre (images nocturnes par exemple). Dans ce cas, on 5 montrera que le transfert des charges lors de l'étape de la figure 2B peut être incomplet ou être faussé. Le signal issu du détecteur présente alors des performances très dégradées, notamment en terme de rapport signal sur bruit. Ainsi, il existe un besoin d'un dispositif permettant 10 une détection et une transmission du signal de qualité, même à faible éclairement. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un capteur d'image permettant une bonne 15 détection lors d'un éclairement faible. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un dispositif élémentaire d'un capteur d'image, comprenant une région d'accumulation de charges photogénérées formée en surface d'un substrat semiconducteur d'un premier type de 20 conductivité polarisé à une tension de référence, la région d'accumulation étant associée à un dispositif de transfert, de multiplication et d'isolement de charges. La région d'accumulation est surmontée d'une grille isolée polarisée alternativement à une première tension et à une seconde tension. 25 Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif de transfert comprend une grille de transfert isolée polarisée à une tension fixe et dans lequel la première tension est supérieure, en valeur absolue, à la tension fixe pour permettre l'accumulation des charges et la seconde tension 30 est inférieure, en valeur absolue, à la tension fixe pour permettre le transfert des charges accumulées. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif de multiplication et d'isolement de charges est constitué d'une pluralité de grilles isolées polarisées pour 35 fixer le potentiel du substrat sous-jacent et permettre le B9520 - DD11256EO

6 transfert des charges et la multiplication de celles-ci par effet d'avalanche électronique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif de transfert, de multiplication et d'isolement de 5 charges comprend au moins cinq grilles isolées. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la tension de référence est la masse. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier type de conductivité est le type P. 10 Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comprend en outre un masque optique formé sur le dispositif de transfert, de multiplication et d'isolement de charges. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 15 le substrat est aminci et est destiné à être éclairé par la face opposée à celle sur laquelle est formé le dispositif de transfert, de multiplication et d'isolement de charges. La présente invention prévoit aussi un capteur d'image comprenant une pluralité de dispositifs élémentaires tels que 20 susmentionnés. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif 25 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, précédemment décrite, illustre un capteur d'image à amplification de charge classique ; les figures 2A à 2E sont des courbes de potentiel illustrant le fonctionnement du dispositif de la figure 1 30 lorsqu'il est soumis à un éclairement important ; la figure 3 reprend la structure de la figure 1 et les figures 4A à 4C sont des courbes de potentiel illustrant un problème susceptible d'être posé par cette structure en l'absence ou à très faible niveau d'éclairement ; B9520 - DD11256EO

7 la figure 5 illustre un capteur d'image selon un mode de réalisation de la présente invention ; et les figures 6A et 6B sont des courbes de potentiel illustrant le fonctionnement du dispositif de la figure 5 ; et la figure 7 illustre une variante d'un dispositif selon un mode de réalisation de la présente invention. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée La figure 3 reprend la structure de la figure 1, dans un cas d'un éclairement quasi-nul (pas de faisceau lumineux 13).

Le dispositif comprend une photodiode 12 constituée d'une région fortement dopée de type N (N+) formée en surface d'un substrat 10 de type P, une grille de transfert 14 isolée formée en sur-face du substrat 10 et commandée par un signal de transfert VT et des grilles isolées de multiplication de charges 16, 18, 20, 22 commandées, respectivement, par des signaux (D1, a)2, a)3, a)4. Les figures 4A à 4C sont des courbes du potentiel dans le substrat 10, en suivant des lignes de potentiel maximum, pendant différentes étapes de fonctionnement du dispositif de la figure 3.

La figure 4A illustre le potentiel dans le substrat 10 lors d'une succession d'étapes de stockage et de transfert de charges (le potentiel VT de la grille 14 variant entre zéro et V1). Lorsque l'éclairement de la photodiode est nul, aucune paire électron/trou n'est créée et le potentiel de la photodiode devrait théoriquement rester constant. Cependant, il s'avère que celui-ci augmente progressivement au fil des cycles de stockage/transfert, jusqu'à, dans l'exemple représenté, une tension V1' (figure 4B). L'augmentation du potentiel dans la photodiode, lors 35 d'une succession de cycles en l'absence ou à très faible niveau B9520 - DD11256EO 8 d'éclairement, est due à un courant de fuite entre la photodiode 12 fortement dopée de type N et le substrat situé en regard de la grille 16. Pendant les phases de transfert (VT = V1), les potentiels de la photodiode et du canal formé sous la grille 14 sont très proches et les charges de la région 12 fuient par le canal situé sous la grille 14 en direction du puits de potentiel formé sous la grille 16, selon une loi en courant de faible in- version dont l'expression est en exp(-qV/kT), q étant la charge élémentaire, V la différence de potentiel entre le potentiel de la grille 14 et de la photodiode 12, k la constante de Boltzmann et T la température. Ainsi, le potentiel de la région 12 devient supérieur au potentiel en regard de la grille 14. On notera que, en cas d'éclairement important, ce problème ne se pose pas puisque le courant de fuite est alors négligeable par rapport au courant issu de l'éclairement. Par contre, à faible niveau d'éclairement, ce phénomène vient perturber l'injection des charges dans l'étage multiplicateur, annulant l'intérêt de cet étage dans les cas les plus critiques où celui-ci est essentiel. Une fois le potentiel V1' atteint, si un faible éclai- rement intervient et qu'une faible quantité d'électrons se trouve stockée dans la photodiode 12 (figure 4C), l'efficacité de lecture de ces charges sera très mauvaise, une quantité réduite d'électrons réussissant à passer la barrière de poten- tiel formée par la région située sous la grille 14 lors d'un transfert. En effet, puisque le potentiel dans la photodiode est passé de V1 à V1', on a V1' > VT lors du transfert, ce qui forme un mur de potentiel ne permettant pas le transfert des électrons stockés dans la photodiode ou permettant seulement un transfert partiel. De plus, si une quantité d'électrons suffisante pour le transfert est stockée dans la photodiode 12, le transfert est faussé du fait de la variation du potentiel pendant la période sans éclairement de la photodiode (on transfère moins de charges qu'il n'y en a eu de réellement stockées dans la photodiode 12).

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9 Ainsi, dans le cas d'un très faible éclairement ou d'un éclairement nul, la lecture des charges réalisée par le dispositif de la figure 3 n'est pas bonne. Pour résoudre ce problème, les inventeurs proposent de former une grille isolée au-dessus d'un substrat et d'appliquer un potentiel sur cette grille pour créer une charge d'espace dans le substrat et collecter des électrons des paires électrons/trous photogénérées dans cette région. La figure 5 illustre un tel dispositif. Le dispositif comprend un substrat 30, par exemple de type P, polarisé à une tension de référence (par exemple la masse) par sa face arrière. Sur ce substrat est formée une grille 32 isolée, commandée par un signal Va. Par la suite, on la grille 32. La grille 32 transparente, de sorte qu'un surface du substrat traverse substrat 30 pour y former des la grille d'accumulation 32, appellera "grille d'accumulation" est peu absorbante, par exemple faisceau lumineux 34 arrivant en la grille 32 et pénètre dans le paires électrons/trous. A côté de en surface du substrat 30, sont formées une grille isolée de transfert 36, des grilles de multi- plication de charges 38, 40, 42 et une grille d'isolement des charges 44. Les grilles 36, 38, 40, 42, 44 sont des grilles isolées et sont commandées, respectivement, par des signaux de commande VT, (D1, a)2, a)3, a)4. Contrairement à ce qui est représenté en figure 5, dans un dispositif réel, la plus grande partie de la surface de chaque pixel est dévolue à la grille d'accumulation 32 qui représente la zone de détection du dispositif. De préférence, on prévoit une couche de protection (non représentée), ou masque optique, au-dessus de la grille de transfert 36, des grilles d'amplification 38, 40, 42 et de la grille d'isolement 44 pour que des faisceaux lumineux incidents ne génèrent pas de charges dans le substrat situé sous ces grilles. La figure 6A est une courbe du potentiel dans le substrat 30 de la figure 5, en suivant une ligne de potentiel B9520 - DD11256EO

10 maximum, lors d'une phase d'accumulation de charges, avant leur injection dans l'étage multiplicateur. Pendant la phase de détection, la tension VT appliquée à la grille de transfert 36 est égale à une tension V1 fixe et la tension Va appliquée à la grille d'accumulation 32 est égale à une tension Val supérieure à la tension V1. On forme ainsi un puits de potentiel sous la grille d'accumulation 32. Lorsque des paires électrons/trous sont photogénérées dans le substrat 30, les électrons sont collectés dans le substrat 30 par la grille d'accumulation 32. Alors, le potentiel de surface sous la grille 32 diminue proportionnellement au nombre d'électrons photo-générés pour atteindre une tension Va2. On notera que la tension VI est prévue suffisamment basse pour être inférieure à Va2, de sorte que les électrons s'accumulent sous la grille 32.

Lorsque l'étage multiplicateur est vide, on applique de préférence un potentiel bas, proche de zéro, sur les grilles 38, 40 et 42, afin de minimiser la collecte directe des porteurs libres par l'étage multiplicateur. Avant l'injection des charges dans l'étage multiplica- teur, la situation est celle représentée en figure 6A, le potentiel appliqué à la grille 38 étant élevé, à une tension V2, et le potentiel appliqué sur la grille 40 étant à un niveau bas, proche de zéro. Le potentiel V2 est supérieur à V1 pour permettre l'accueil des charges lors de l'injection.

La figure 6B est une courbe du potentiel dans le substrat 30 de la figure 4, en suivant une ligne de potentiel maximum, lors d'une phase de transfert de charges. La tension Va appliquée à la grille d'accumulation 32 passe à une tension Va3, inférieure à V1. Ceci permet le transfert des charges accumulées en surface du substrat 30 sous la grille 32 vers le puits de potentiel formé, en surface de ce substrat, sous la première grille de multiplication 38. Pendant le transfert des charges, la tension de référence (proche de zéro) appliquée à la grille 40 permet d'éviter que les charges transférées ne sortent du puits de potentiel formé sous la grille 38.

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11 Puisque le potentiel de la grille 32 est alternative-ment imposé à Val et à Va3, on évite les problèmes susmentionnés d'augmentation du potentiel en surface du substrat 30 sous la grille 32 lors d'un faible éclairement. On obtient ainsi un transfert complet des charges dans l'étage multiplicateur. Ainsi, le dispositif proposé est efficace même en cas d'éclaire-ment nul ou quasi-nul. Optionnellement, une fine couche 46 dopée de type N pourra être formée, en surface du substrat 30, en regard des grilles d'accumulation 32, de transfert 36, de multiplication 38, 40, 42 et d'isolement 44. Cette fine couche 46 permet d'éloigner légèrement le point de potentiel maximum de la surface du substrat pour éviter des phénomènes parasites (bruits) souvent présents aux interfaces entre isolant de grille et substrat semiconducteur. Une fois que le transfert des électrons est effectué de la grille 32 vers la grille 38, on réalise un cycle d'amplification des charges de façon classique. Pour cela, on peut tirer profit de l'effet d'avalanche électronique en forçant les charges à des allers-retours sous les grilles 38, 40 et 42 afin d'obtenir une amplification significative. Le gain de l'amplification est ajusté en contrôlant le nombre d'allers-retours. La grille de transfert 36 et la grille d'isolement 44 servent alors de murs de potentiels pour éviter que des charges ne sortent du dispositif lors de l'amplification des charges. Les grilles 38 et 42 sont alternativement polarisées à des potentiels éloignés pour permettre l'amplification par effet d'avalanche électronique. On notera que l'on pourra également former le dispositif de transfert et d'amplification de charge en combinant plus de cinq grilles voisines de façon adaptée. La figure 7 illustre une variante du dispositif de la figure 5 dans laquelle le capteur d'image est éclairé par la face arrière du substrat 30. Le dispositif de la figure 7 diffère de celui de la figure 5 en ce que le substrat 30 est aminci et est éclairé par la face opposée à celle sur laquelle B9520 - DD11256EO

12 sont formées les grilles d'accumulation 32, de transfert 36, de multiplication des charges 38, 40, 42 et d'isolement 44. Pendant la phase d'accumulation, un faisceau lumineux 46 atteignant le substrat y génère des paires électrons/trous et les électrons de ces paires sont collectés dans le puits de potentiel formé sous la grille 32. Avantageusement, et de façon classique, un faisceau arrivant par la face arrière d'un substrat rencontre moins d'obstacles et est plus facilement détectable qu'un faisceau arrivant sur la face avant du substrat. Le fonctionne- ment de ce dispositif est ensuite similaire à celui décrit en relation avec les figures 6A et 6B. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on notera que la tension de référence appliquée au substrat 30 de type P pourra être différente de la masse. De plus, bien que l'on ait décrit ici un dispositif dans lequel les charges photogénérées utiles sont les électrons, on notera que l'on pourra également prévoir des dispositifs similaires dans lesquels les charges utiles sont les trous. Pour cela, le substrat 30 sera dopé de type N et les tensions appliquées aux différentes grilles pour les transferts seront de signe opposé à celles présentées ici (les valeurs absolues des différentes tensions appliquées aux différentes grilles isolées étant dans de mêmes rapports que celles présentées en relation avec les figures 6A et 6B). Les dispositifs des figures 5 et 7 pourront également être utilisés dans le cas de forts niveaux d'éclairement. Dans ce cas, on peut prévoir d'adapter le temps d'intégration, ou d'accumulation de charges dans la zone d'accumulation, en fonction de l'éclairement, à l'aide d'un circuit électronique adapté, pour éviter la saturation du pixel.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif élémentaire d'un capteur d'image, comprenant une région d'accumulation de charges photogénérées formée en surface d'un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité (30) polarisé à une tension de référence, la région d'accumulation étant associée à un dispositif de transfert (36), de multiplication (38, 40, 42) et d'isolement (44) de charges, caractérisé en ce que la région d'accumulation est surmontée d'une grille isolée (32) polarisée alternativement à une première tension (Val) et à une seconde tension (Va3).
2. 2. Dispositif élémentaire selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de transfert comprend une grille de transfert isolée (36) polarisée à une tension fixe (V1) et dans lequel la première tension (Val) est supérieure, en valeur absolue, à la tension fixe (V1) pour permettre l'accumulation des charges et la seconde tension (Va3) est inférieure, en valeur absolue, à la tension fixe pour permettre le transfert des charges accumulées.
3. 3. Dispositif élémentaire selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le dispositif de multiplication et d'isolement de charges est constitué d'une pluralité de grilles isolées (38, 40, 42) polarisées pour fixer le potentiel du substrat (30) sous-jacent et permettre le transfert des charges et la multiplication de celles-ci par effet d'avalanche électronique.
4. 4. Dispositif élémentaire selon la revendication 3, dans lequel le dispositif de transfert, de multiplication et d'isolement de charges comprend au moins cinq grilles isolées (36, 38, 40, 42, 44).
5. 5. Dispositif élémentaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la tension de référence est la 30 masse.
6. 6. Dispositif élémentaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le premier type de conductivité est le type P. 5 10B9520 - DD11256EO 14
7. 7. Dispositif élémentaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre un masque optique formé sur le dispositif de transfert (36), de multiplication (38, 40, 42) et d'isolement (44) de charges.
8. 8. Dispositif élémentaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le substrat (30) est aminci et est destiné à être éclairé par la face opposée à celle sur laquelle est formé le dispositif de transfert, de multiplication et d'isolement de charges.
9. 9. Capteur d'image comprenant une pluralité de dispositifs élémentaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.