WO2005006741A1 - Device for detection of electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the radiation detected by an integrated polarisation device - Google Patents

Device for detection of electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the radiation detected by an integrated polarisation device Download PDF

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WO2005006741A1
WO2005006741A1 PCT/FR2004/050314 FR2004050314W WO2005006741A1 WO 2005006741 A1 WO2005006741 A1 WO 2005006741A1 FR 2004050314 W FR2004050314 W FR 2004050314W WO 2005006741 A1 WO2005006741 A1 WO 2005006741A1
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WO
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diode
detector
reading
electromagnetic radiation
transistor
Prior art date
Application number
PCT/FR2004/050314
Other languages
French (fr)
Inventor
Jean-Pierre Rostaing
Patrick Audebert
Patrick Villard
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat A L'energie Atomique filed Critical Commissariat A L'energie Atomique
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • G01T1/247—Detector read-out circuitry
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof

Definitions

  • the present invention relates to a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation with an integrated polarization device, this device being compact and integrable.
  • a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation with an integrated polarization device, this device being compact and integrable.
  • Such a device has an application in particular in imagery whether it is visible or invisible imagery, for example infrared, X, gamma or other imagery.
  • STATE OF THE PRIOR ART Devices for detecting electromagnetic radiation and for reading signals representative of known detected radiation include an electromagnetic radiation detector 1 the output of which is connected to the input of an electronic circuit 2.
  • the detector 1 delivers a signal caused by the interaction of incident photons 3 (fundamental particles of electromagnetic radiation) with the material of the detector 1.
  • the signal is weak, for example if they are charges, they can represent only a few thousand electrons.
  • Reading circuit 2 one input of which is connected in output of detector 1, receives a current signal representative of the photons detected. It outputs a signal S in voltage or current representative of the induced charges and therefore of the incident photons 3.
  • a polarization device of resistance type R This polarization resistance R is mounted in series with the detector 1 and forms, with the detector 1, a divider bridge 4 which is connected at the input of the read circuit 2.
  • the detector 1 and the bias resistor R have a common point A. It is this common point A which is connected at the input of the read circuit.
  • the detector 1 is connected on one side to the bias resistor R and on the other side to a supply terminal Un.
  • the read circuit 2 is connected between two supply terminals referenced Up and Ui.
  • the detector 1 and the reading circuit 2 are produced with one or more integrated circuits and also discrete components and the bias resistance R is a discrete resistance as illustrated in FIG. 1.
  • discrete resistance we mean a manufactured resistance separately and then connected to an electronic circuit, that is to say a resistor which is not integrated.
  • the interaction of a photon with the material of the detector 1 which can be for example Si, CdTe, CdHgTe, etc., generates a photonic current Iph.
  • the resistance R is crossed by the current lobs darkness of the detector 1. It is recalled that the dark current lobs is a current measured at the output of the detector 1 in the absence of incident electromagnetic radiation (the detector 1 being placed in the dark).
  • the reading circuit 2 is crossed by the photonic current Iph of the detector 1 which we want to read.
  • the detector 1 is crossed by the sum of the two currents Iph and lobs when it is exposed to photonic radiation 3. Since the induced charges are very low, the noise of the various components of the device must be very low compared to the intrinsic noise of the detector 1, otherwise the photon current Iph will be lost because it is embedded in the noise. Such a discrete polarization resistor R has a low noise.
  • ASICs American abbreviation for Application Specific Integrated Circuit or specific integrated circuit.
  • the read circuit can easily be implemented by an ASIC. But resistance cannot be integrated into ASIC because of its high value.
  • the invention relates more precisely to a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected electromagnetic radiation
  • a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected electromagnetic radiation comprising an electromagnetic radiation detector cooperating with a device for polarization, the polarization device and the detector are in series and have a common point which is connected at the input of an integrable reading circuit, characterized in that the polarization device is formed by at least integrable element of diode type with semi -conductor having a permanent diode behavior.
  • the diode type elements are connected in series with each other when the polarization device comprises several of them.
  • the diode type element and the read circuit can be integrated within the same ASIC circuit.
  • the diode type element can be a PM or NP junction which can be obtained for example by a bipolar transistor or a junction field effect transistor.
  • the diode type element can be a field effect transistor mounted as a diode.
  • the polarization device has one end connected to a supply terminal of the read circuit.
  • the biasing device can form a feedback loop with the charge amplifier.
  • the polarization device serves on the one hand to polarize the detector and on the other hand for reading, which leads to a reduced bulk.
  • FIG. 1 (already described) schematically represents a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation of the prior art
  • FIG. 2 schematically represents an example of a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation according to the invention
  • FIG. 3 schematically represents another example of a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation in which the polarization device is based on bipolar transistors mounted with diodes ê
  • FIG. 1 (already described) schematically represents a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation of the prior art
  • FIG. 2 schematically represents an example of a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation according to the invention
  • FIG. 3 schematically represents another example of a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation in which the polarization device is based on bipolar transistors mounted with diodes ê
  • FIG. 1 (already described) schematically
  • FIG. 4 schematically represents another example a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation according to the invention in which the polarization device is a junction produced by a junction field effect transistor (JFET);
  • FIG. 5 schematically represents yet another example of a device for detecting electromagnetic radiation and reading of a signal representative of the detected radiation in which the polarization device is a single MOS field effect transistor mounted as a diode;
  • FIG. 6 schematically represents yet another example of a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation in which the polarization device is also used for reading and comprises a series of field effect transistors diode mounted.
  • Identical, similar or equivalent parts of the different figures described below have the same reference numerals so as to facilitate the passage from one figure to another.
  • FIG. 2 shows an example of a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected electromagnetic radiation.
  • the electromagnetic radiation detector has the reference 11. It may e s for example, be a photoelectric detector responsive to infrared radiation, visible, to X or gamma radiation or the like and be formed for example by a resistive layer, a photovoltaic diode, a quantum detector.
  • the reference 13 corresponds to incident photons on the detector 11.
  • the detector 11 is mounted in series with a polarization device 10.
  • the detector 11 and the polarization device 10 have a common point A ' which is connected at the input of an integrated reading circuit 12.
  • the reading circuit 12 is not detailed so as not to overload the figure.
  • the biasing device 10 is formed of at least one element of the integrable semiconductor diode type having a permanent diode behavior. When there are several diode type elements, they are connected in series. These elements can all be identical or not.
  • the elements of the semiconductor diode type are formed by rectifying diodes D1, D2, DN.
  • the polarization device 10 and the read circuit 12 are integrated in the same ASIC 14.
  • the detector 11 has another end opposite to that connected to the common point A 'which is connected to a terminal supply A (in the negative or low example).
  • the polarization device 10 has another end opposite to that connected to the point A 'which is connected to another input of the reading circuit 12.
  • the reading circuit 12 has an output S' which delivers a signal representative of the radiation electromagnetic detected by the detector 11.
  • the read circuit 12 is mounted between a first supply terminal Up (in the positive or high example) and a second supply terminal Ui (in the example equal to 0 V) of generally between Un and Up.
  • the device polarization 10 is crossed by the dark current lobs of the detector 11.
  • the reading circuit 12 is crossed by the photonic current Iph of the detector 11 which is representative of the detected radiation.
  • the detector 11 is crossed by the sum of the two currents Iph and lobs.
  • the polarization device 10 diverts the dark current lobs from the read circuit 12.
  • the polarization device 10 comprises only one diode.
  • the direct current I D which flows through a diode is given by:
  • the resistance R D in small signals of the diode is given by: R D "._ ⁇ n (3) MI
  • the voltage V D across the terminals of the diode follows from equation (1): r D ⁇ u ⁇ H ⁇ -) (4) This voltage V D is a variable voltage, it is a function of the direct current I D and it is less than the threshold voltage V 0 of the diode which is between approximately 0.3 V and 0.7 V depending on the technology used.
  • the stray capacitance C D of the diode is expressed by: with A surface of the diode, C u surface capacitance of the diode. This surface capacity depends on the technology used (oxide, junction). With N diodes in series (N integer> 2) we obtain the following characteristics, assuming that the diodes are traversed by the same current lobs: •
  • the noise S I HD is expressed by:
  • the grouping in series of several diodes makes it possible on the one hand to reduce the noise and the parasitic capacitance and on the other hand to increase the resistance of the polarization device.
  • the noise of the polarization device is equal to the noise of the detector or is a constant fraction of it whatever the dark current lobs.
  • the equivalent resistance of the polarization device varies as the inverse of the current flowing through it.
  • the voltage drop across its terminals varies slightly with the dark current flowing through it.
  • the parasitic capacitance of the polarization device is very low and all the more weak as there are several diodes in series.
  • L f diode like element can be ⁇ as we have seen, a junction formed by a rectifier diode but this is not limiting. It can be produced by any type of electronic component having the same intrinsic or extrinsic characteristic as a semiconductor diode, provided that it is isolated from the reading circuit by either a dielectric material, or by implantation in a box.
  • the diode-type element can be formed by a PN or NP junction of a bipolar transistor. This transistor can be of NPN or PNP type and a junction, on the two junctions which it comprises, has been neutralized. Alternatively, this junction can be the junction of a junction field effect transistor (JFET).
  • JFET junction field effect transistor
  • FIG. 3 illustrates an example of a polarization device 10 produced by several bipolar PNP TI, T2, TN transistors connected in series.
  • the collector of transistor Tl is connected to the emitter of transistor T2 and so on to transistor TN.
  • the collector of the transistor TN forms the common point A '.
  • the emitter of transistor Tl is connected to the first high power supply terminal Up of ASIC 14.
  • the rest of the circuit is shown as in FIG. 2.
  • a bipolar transistor has two semiconductor junctions or two diodes, one between its emitter and its base (emitter diode) and the other between its collector and its base (collector diode).
  • a bipolar transistor used as a diode has one of its junctions neutralized.
  • FIG. 4 illustrates an example of bias device 10 produced by the junction of a single junction field effect transistor (JFET) referenced J to N channel.
  • JFET single junction field effect transistor
  • the gate of transistor J is connected to the first supply terminal Up .
  • the source S and the drain D of the transistor J are interconnected and connected to the common point A '.
  • junction FET transistors could be used instead of one.
  • FIG. 5 illustrates an example of polarization device 10 produced with a single field effect transistor mounted as a diode.
  • a P-type MOS transistor mounted as a diode.
  • This MOS transistor is referenced Q.
  • Other types of field effect transistors could be used.
  • the gate G of transistor Q is permanently connected to its drain D.
  • the source S of the transistor Q is connected to the first supply terminal Up of the ASIC circuit 14.
  • the drain D of the transistor Q is connected to the common point A '.
  • the substrate of the MOS transistor Q can optionally be connected to the source S to suppress the substrate effect. It is of course possible to connect the substrate to another potential such that its value is greater than that of the sound potential. source in the PMOS. (value lower than that of the source potential for an NMOS).
  • the drain-source current I D s does not depend on the voltage V DS (V DS > 3U T with U thermal voltage ⁇ 6mV at 300 ° K).
  • R B S iQ 2nkTG m nGm
  • This resistance R B is greater than that of a diode R D which is equal to 1 / Gm.
  • the low frequency noise S ⁇ / f in 1 / f or flickering or flickering noise (also known by the Anglo-Saxon name of "flicker noise") is due to impurities in the material.
  • K F is a characteristic of the MOS transistor Q
  • Co is the capacity of the gate oxide per unit area
  • W and L respectively represent the width and the length of the transistor channel
  • f represents the frequency and AF a coefficient greater than or equal to one, specific to each technology and to the components. It is in low inversion regime that the low frequency noise is the lowest.
  • the parasitic capacitance introduced by the MOS transistor Q is equal to the gate capacity Ces of the transistor, it is equal to C ox L.
  • An example of a read circuit 12 has been shown diagrammatically in FIG. 5.
  • the read circuit comprises a capacitor C2 and a charge integrating amplifier circuit (Al, Ri, Cl)
  • the capacitor C2 is mounted between the common point A 'and the inverting input of an operational amplifier Al mounted at load integrator.
  • the common point A ' is connected at the input of the amplifier circuit by a capacitive link.
  • the capacitor C2 has a function of filtering the DC component of the signal.
  • a parallel RC circuit formed by a resistor RI and an integration capacitor C1 is mounted between the inverting input of the amplifier Al and its output.
  • the signal S 'representative of the electromagnetic radiation detected by the detector 11 is available at the output of the operational amplifier Al.
  • the resistor Ri in parallel on the integrating capacitor Cl is used for resetting the capacitor Cl and for biasing l the input of amplifier A1.
  • FIG. 6 now shows an example of polarization device 10 formed of N (N integer greater than or equal to 2) PMOS transistors Ql, Q2, .., QN diode-connected and connected in series with with each other.
  • the transistors Q1, Q2, QN are not necessarily all identical.
  • the diode assembly is identical to that of the transistor Q in FIG. 5, the drain of the transistor Q1 is connected to the source of the transistor Q2.
  • the drain of the transistor QN is connected to the common point A "with the detector 11.
  • RNQ - with Gm transfer conductance of one of the Gm MOS transistors.
  • the resistance of the polarization device is between 200 M ⁇ and 15 G ⁇ and the drop voltage across its terminals is between 1.6 V and 2.6 V.
  • the simulations show that the noise of the polarization device 10 is negligible compared to the noise of the detector 11 and that it represents a constant fraction of the total noise for the range of investigated current.
  • the polarization device 10 instead of being mounted between the common point A 'and the first Up supply terminal of the reading circuit 12 is mounted between the common point A' and the output of the reading circuit 12
  • the common point A ′ is connected at the input of the read circuit 12.
  • the read circuit 12 comprises an amplifier A2 and the bias device 10 forms a feedback for the amplifier A2. It is a current reading or transimpedance mounting.
  • the amplifier A2 and the polarization device 10 associated with it form the read circuit. It is a current reading circuit.
  • the polarization device fulfills a double role: it polarizes the detector 11 and it contributes to the reading of the photonic current Iph. It may be an offset voltage between input I e of X A2 amplifier and its output.
  • the lobs current creates a potential difference in the circuit which reduces the dynamics of the amplifier accordingly.
  • a compromise must be found between the value of the resistance of the biasing device which one wishes to see high and the value of the voltage drop across its terminals which is desired to be limited in order to be acceptable. Resistance and voltage drop both increase with the number N of elements diode type. This compromise consists in adjusting the number N of elements of the semiconductor diode type by reducing it and possibly limiting it to only one.
  • the polarization device of the invention which has just been described is simple, without energy input and self-adapting to the dark current of the detector.
  • the polarization device does not make more noise than the resistance of the prior art, it has a low parasitic capacitance and has at its terminals a voltage drop which is compatible with integration in microelectronics.
  • the fact that the polarization device operates without energy supply is an undeniable advantage, it simplifies the detection and reading device and significantly reduces its cost.

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Abstract

The invention relates to a device for detection of electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation, comprising an electromagnetic radiation detector (11), cooperating with a polarisation device (10). The polarisation device (10) and the detector (11) are arranged in series and have a common point (A'), connected at the input of an integrated playback circuit (12). The polarisation device (10) is formed by at least one integrated element of the semiconductor diode type (D1, D2, DN) with permanent diode behaviour. The above is particularly of application to imaging.

Description

DISPOSITIF DE DETECTION DE RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE ET DE LECTURE D'UN SIGNAL REPRESENTATIF DU RAYONNEMENT DETECTE A DISPOSITIF DE POLARISATION INTEGRE DESCRIPTION DEVICE FOR DETECTING ELECTROMAGNETIC RADIATION AND READING A REPRESENTATIVE SIGNAL OF DETECTED RADIATION WITH INTEGRATED POLARIZATION DEVICE DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE La présente invention est relative à un dispositif de détection de rayonnement électromagnétique et de lecture d'un signal représentatif du rayonnement détecté à dispositif de polarisation intégré, ce dispositif étant compact et intégrable. Un tel dispositif a une application notamment en imagerie que ce soit de l'imagerie visible ou non, par exemple de l'imagerie infrarouge, X, gamma ou autre.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation with an integrated polarization device, this device being compact and integrable. Such a device has an application in particular in imagery whether it is visible or invisible imagery, for example infrared, X, gamma or other imagery.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Les dispositifs de détection de rayonnement électromagnétique et de lecture de signaux représentatifs du rayonnement détecté connus, comme celui illustré sur la figure 1, comportent un détecteur de rayonnement électromagnétique 1 dont la sortie est reliée en entrée d'un circuit électronique de lecture 2. Le détecteur 1 délivre un signal provoqué par l'interaction de photons incidents 3 (particules fondamentales du rayonnement électromagnétique) avec le matériau du détecteur 1. Le signal est faible, par exemple si ce sont des charges, elles peuvent représenter seulement quelques milliers d'électrons. Le circuit de lecture 2, dont une entrée est reliée en sortie du détecteur 1, reçoit un signal en courant représentatif des photons détectés. Il délivre en sortie un signal S en tension ou en courant représentatif des charges induites et donc des photons incidents 3. Pour séparer les charges induites dans le détecteur 1, il est nécessaire de le polariser en lui appliquant un champ électrique via un dispositif de polarisation de type résistance R. Cette résistance de polarisation R est montée en série avec le détecteur 1 et forme, avec le détecteur 1, un pont diviseur 4 qui est relié en entrée du circuit de lecture 2. Dans l'exemple décrit les deux extrémités de la résistance R sont reliées au circuit de lecture 2. Le détecteur 1 et la résistance de polarisation R ont un point commun A. C'est ce point commun A qui est connecté en entrée du circuit de lecture. Le détecteur 1 est relié d'un côté à la résistance de polarisation R et d'un autre côté à une borne d'alimentation Un. Le circuit de lecture 2 est branché entre deux bornes d'alimentation référencées Up et Ui . Actuellement le détecteur 1 et le circuit de lecture 2 sont réalisés avec un ou plusieurs circuits intégrés et aussi des composants discrets et la résistance de polarisation R est une résistance discrète comme illustré sur la figure 1. Par résistance discrète, on veut dire une résistance fabriquée à part et branchée ensuite dans un circuit électronique, c'est à dire une résistance qui n'est pas intégrée. L'interaction d'un photon avec le matériau du détecteur 1 qui peut être par exemple du Si, CdTe, CdHgTe, etc., engendre un courant photonique Iph. La résistance R est traversée par le courant lobs d'obscurité du détecteur 1. On rappelle que le courant d'obscurité lobs est un courant mesuré à la sortie du détecteur 1 en l'absence de rayonnement électromagnétique incident (le détecteur 1 étant placé dans l'obscurité) . Le circuit de lecture 2 est traversé par le courant photonique Iph du détecteur 1 que l'on veut lire. Le détecteur 1 est traversé par la somme des deux courants Iph et lobs lorsqu'il est exposé à un rayonnement photonique 3. Puisque les charges induites sont très faibles, le bruit des différents composants du dispositif doit être très faible devant le bruit intrinsèque du détecteur 1, sinon le courant photonique Iph sera perdu car noyé dans le bruit. Une telle résistance R de polarisation discrète possède un bruit peu élevé. Avec les développements des technologies microélectroniques, de plus en plus de circuits électroniques sont réalisés par des ASICs (abréviation anglo-saxonne pour Application Spécifie Integrated Circuit soit circuit intégré spécifique) . Le circuit de lecture peut aisément être réalisé par un ASIC. Mais la résistance, elle, ne peut pas être intégrée à l'ASIC à cause de sa forte valeur. En effet, le courant d'obscurité lobs du détecteur 1 engendre un bruit de grenaille dont la densité spectrale est : SiD=2qIobs, exprimée en A2Hz_1, avec q=l,6 10~19 C, charge de l'électron. La densité spectrale de courant de bruit de la résistance R est : SiR=— , exprimée en A2Hz 1 avec k*=l,38 10-23 STATE OF THE PRIOR ART Devices for detecting electromagnetic radiation and for reading signals representative of known detected radiation, such as that illustrated in FIG. 1, include an electromagnetic radiation detector 1 the output of which is connected to the input of an electronic circuit 2. The detector 1 delivers a signal caused by the interaction of incident photons 3 (fundamental particles of electromagnetic radiation) with the material of the detector 1. The signal is weak, for example if they are charges, they can represent only a few thousand electrons. Reading circuit 2, one input of which is connected in output of detector 1, receives a current signal representative of the photons detected. It outputs a signal S in voltage or current representative of the induced charges and therefore of the incident photons 3. To separate the charges induced in the detector 1, it is necessary to polarize it by applying an electric field to it via a polarization device of resistance type R. This polarization resistance R is mounted in series with the detector 1 and forms, with the detector 1, a divider bridge 4 which is connected at the input of the read circuit 2. In the example described the two ends of the resistor R are connected to the read circuit 2. The detector 1 and the bias resistor R have a common point A. It is this common point A which is connected at the input of the read circuit. The detector 1 is connected on one side to the bias resistor R and on the other side to a supply terminal Un. The read circuit 2 is connected between two supply terminals referenced Up and Ui. Currently the detector 1 and the reading circuit 2 are produced with one or more integrated circuits and also discrete components and the bias resistance R is a discrete resistance as illustrated in FIG. 1. By discrete resistance, we mean a manufactured resistance separately and then connected to an electronic circuit, that is to say a resistor which is not integrated. The interaction of a photon with the material of the detector 1 which can be for example Si, CdTe, CdHgTe, etc., generates a photonic current Iph. The resistance R is crossed by the current lobs darkness of the detector 1. It is recalled that the dark current lobs is a current measured at the output of the detector 1 in the absence of incident electromagnetic radiation (the detector 1 being placed in the dark). The reading circuit 2 is crossed by the photonic current Iph of the detector 1 which we want to read. The detector 1 is crossed by the sum of the two currents Iph and lobs when it is exposed to photonic radiation 3. Since the induced charges are very low, the noise of the various components of the device must be very low compared to the intrinsic noise of the detector 1, otherwise the photon current Iph will be lost because it is embedded in the noise. Such a discrete polarization resistor R has a low noise. With the development of microelectronic technologies, more and more electronic circuits are produced by ASICs (English abbreviation for Application Specific Integrated Circuit or specific integrated circuit). The read circuit can easily be implemented by an ASIC. But resistance cannot be integrated into ASIC because of its high value. Indeed, the dark current lobs of detector 1 generates a noise of shot whose spectral density is: S iD = 2qIobs, expressed in A 2 Hz _1 , with q = l, 6 10 ~ 19 C, charge of the electron. The noise current spectral density of the resistance R is: S iR = -, expressed in A 2 Hz 1 with k * = 1.38 10 -23
JK"1, constante de Boltzmann, T température absolue exprimée en Kelvin. Le bruit de la résistance R est inférieur au bruit de grenaille du courant d'obscurité lobs si : 2kT IT R> avec — = UT et Uτ tension thermique qlobs q sensiblement égale à 26mV à T=300 °K. A titre d'exemple, dans la gamme des courants d'obscurité lobs allant de lOpA à InA, il faut disposer d'une résistance R comprise entre 50MΩ etJK "1 , Boltzmann constant, T absolute temperature expressed in Kelvin. The noise of the resistor R is less than the shot noise of the dark current lobs if: 2kT IT R> with - = U T and U τ thermal voltage qlobs q substantially equal to 26mV at T = 300 ° K. For example, in the range of dark currents lobs from lOpA to InA, it is necessary to have a resistance R of between 50MΩ and
5GΩ. Les plus fortes valeurs de résistances intégrées sont de l'ordre de 2kΩ/α. On rappelle que la résistance R0 d'un parallélépipède de matériau s'exprime, en fonction de sa résistivité p et de ses dimensions géométriques sa longueur L et sa longueur S, de la manière suivante : Ro=p— L ou encore Ro=p— L avec W S WT sa largeur et T son épaisseur. Le rapport —^ est un paramètre déterminé par la technologie employée. Le rapport X est donné par le dessin du r motif. En posant —=1 on dessine un carré qui définit w une résistance Rπ=-£- appelée résistance par carré (ou5GΩ. The highest integrated resistance values are of the order of 2kΩ / α. It is recalled that the resistance R 0 of a parallelepiped of material is expressed, as a function of its resistivity p and of its geometric dimensions, its length L and its length S, in the following manner: Ro = p— L or also Ro = p— L with WS WT its width and T its thickness. The ratio - ^ is a parameter determined by the technology used. The ratio X is given by the design of the r pattern. By setting - = 1 we draw a square which defines w a resistance Rπ = - £ - called resistance per square (or
résistance de couche) exprimée en Ω/D et qui est une caractéristique de la technologie employée. Une résistance de valeur R0 est alors réalisée par un motif formé de M carrés avec
Figure imgf000007_0001
Pour réaliser une résistance R de 2GΩ, il 2109 faudrait M=——r- =106. 2.103 En supposant un carré de 1 micromètre de côté, la résistance aurait une largeur de 1 micromètre et une longueur de 1 mètre et occuperait par exemple la surface d'un carré d'environ 1 millimètre de côté. De telles dimensions sont bien sûr excessives et non réalistes. Outre les dimensions excessives de la résistance R, sa capacité parasite atteindrait plusieurs pico farads, court-circuitant la résistance R en régime transitoire et rendant le dispositif de détection et de lecture inutilisable. Dans la demande de brevet FR-A-2 634 900 au nom du demandeur, il est proposé de réaliser le dispositif de polarisation par un moyen réglable par exemple un transistor MOS qui est monté en parallèle avec le détecteur. La grille du transistor MOS est portée à un potentiel ajustable, ce potentiel étant soit délivré par une source d'énergie réglable,- soit obtenu par actionne ent d' un interrupteur relié à une source d'énergie. Un inconvénient de ce dispositif de polarisation est qu'il nécessite une source d'énergie et éventuellement un interrupteur, ce qui le rend compliqué, encombrant et coûteux. EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention a justement comme but de proposer un dispositif de détection de rayonnement électromagnétique et de lecture d'un signal représentatif du rayonnement détecté qui ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. Un but de la présente invention est de réaliser le dispositif de polarisation du dispositif de détection de rayonnement électromagnétique et de lecture d'un signal représentatif du rayonnement détecté, de manière simple et compacte en lui donnant des dimensions qui sont compatibles avec une intégration. Un autre but de la présente invention est de réaliser le dispositif de polarisation ayant une capacité parasite qui a une incidence négligeable sur le fonctionnement du dispositif de détection et de lecture . Encore un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de détection de rayonnement électromagnétique et de lecture d'un signal représentatif du rayonnement détecté comportant un détecteur de rayonnement électromagnétique qui est polarisé par un dispositif de polarisation introduisant un bruit inférieur ou égal à celui du détecteur. Pour atteindre ces buts, l'invention concerne plus précisément un dispositif de détection de rayonnement électromagnétique et de lecture d'un signal représentatif du rayonnement électromagnétique détecté comportant un détecteur de rayonnement électromagnétique coopérant avec un dispositif de polarisation, le dispositif de polarisation et le détecteur sont en série et ont un point commun qui est relié en entrée d'un circuit de lecture intégrable, caractérisé en ce que le dispositif de polarisation est formé par au moins élément intégrable de type diode à semi-conducteur ayant un comportement de diode permanent . Les éléments de type diode sont montés en série les uns avec les autres lorsque le dispositif de polarisation en comporte plusieurs. L'élément de type diode et le circuit de lecture peuvent être intégrés au sein d'un même circuit ASIC. L' élément de type diode peut être une jonction PM ou NP qui peut être obtenue par exemple par un transistor bipolaire ou un transistor à effet de champ à jonction. Dans un autre mode de réalisation, l'élément de type diode peut être un transistor à effet de champ monté en diode. Il est possible que le dispositif de polarisation ait une extrémité reliée à une borne d'alimentation du circuit de lecture. Lorsque le circuit de lecture comporte un amplificateur de charges à transimpédance, le dispositif de polarisation peut former une boucle de contre réaction avec l'amplificateur de charges. Ainsi le dispositif de polarisation sert d'une part à polariser le détecteur et d'autre part à la lecture, ce qui conduit à un encombrement réduit. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 (déjà décrite) représente schématiquement un dispositif de détection de rayonnement électromagnétique et de lecture d'un signal représentatif du rayonnement détecté de l'art antérieur ; La figure 2 représente schématiquement un exemple de dispositif de détection de rayonnement électromagnétique et de lecture d'un signal représentatif du rayonnement détecté selon l'invention ; La figure 3 représente schématiquement un autre exemple de dispositif de détection de rayonnement électromagnétique et de lecture d' un signal représentatif du rayonnement détecté dans lequel le dispositif de polarisation est à base de transistors bipolaires montés e diodes ê La figure 4 représente schématiquement un autre exemple d'un dispositif de détection de rayonnement électromagnétique et de lecture d'un signal représentatif du rayonnement détecté selon l'invention dans lequel le dispositif de polarisation est une jonction réalisée par un transistor à effet de champ à jonction (JFET) ; La figure 5 représente schématiquement encore un autre exemple d'un dispositif de détection de rayonnement électromagnétique et de lecture d'un signal représentatif du rayonnement détecté dans lequel le dispositif de polarisation est un unique transistor à effet de champ MOS monté en diode ; La figure 6 représente schématiquement encore un autre exemple d'un dispositif de détection de rayonnement électromagnétique et de lecture d'un signal représentatif du rayonnement détecté dans lequel le dispositif de polarisation sert également à la lecture et comporte une série de transistors à effet de champ montés en diode. Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.layer resistance) expressed in Ω / D and which is a characteristic of the technology used. A resistance of value R 0 is then produced by a pattern formed by M squares with
Figure imgf000007_0001
To achieve a resistance R of 2GΩ, 210 9 would be required M = —— r- = 10 6 . 2.10 3 Assuming a square of 1 micrometer side, the resistor would have a width of 1 micrometer and a length of 1 meter and would occupy for example the surface of a square of approximately 1 millimeter side. Such dimensions are of course excessive and unrealistic. In addition to the excessive dimensions of the resistance R, its parasitic capacity would reach several pico farads, short-circuiting the resistance R in transient mode and rendering the detection and reading device unusable. In patent application FR-A-2 634 900 in the name of the applicant, it is proposed to produce the polarization device by an adjustable means, for example an MOS transistor which is mounted in parallel with the detector. The gate of the MOS transistor is brought to an adjustable potential, this potential being either delivered by an adjustable energy source, - or obtained by actuation of a switch connected to an energy source. A drawback of this polarization device is that it requires a power source and possibly a switch, which makes it complicated, bulky and expensive. PRESENTATION OF THE INVENTION The object of the present invention is precisely to propose a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation which does not have the drawbacks mentioned above. An object of the present invention is to provide the device for polarizing the device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation, in a simple and compact manner by giving it dimensions which are compatible with integration. Another object of the present invention is to provide the polarization device having a parasitic capacitance which has a negligible impact on the operation of the detection and reading device. Yet another object of the invention is to propose a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation comprising an electromagnetic radiation detector which is polarized by a polarization device introducing a noise less than or equal to that of the detector. To achieve these goals, the invention relates more precisely to a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected electromagnetic radiation comprising an electromagnetic radiation detector cooperating with a device for polarization, the polarization device and the detector are in series and have a common point which is connected at the input of an integrable reading circuit, characterized in that the polarization device is formed by at least integrable element of diode type with semi -conductor having a permanent diode behavior. The diode type elements are connected in series with each other when the polarization device comprises several of them. The diode type element and the read circuit can be integrated within the same ASIC circuit. The diode type element can be a PM or NP junction which can be obtained for example by a bipolar transistor or a junction field effect transistor. In another embodiment, the diode type element can be a field effect transistor mounted as a diode. It is possible that the polarization device has one end connected to a supply terminal of the read circuit. When the read circuit includes a transimpedance charge amplifier, the biasing device can form a feedback loop with the charge amplifier. Thus the polarization device serves on the one hand to polarize the detector and on the other hand for reading, which leads to a reduced bulk. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will be better understood on reading the description of examples of embodiments given, purely by way of non-limiting indication, with reference to the appended drawings in which: FIG. 1 (already described) schematically represents a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation of the prior art; FIG. 2 schematically represents an example of a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation according to the invention; FIG. 3 schematically represents another example of a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation in which the polarization device is based on bipolar transistors mounted with diodes ê FIG. 4 schematically represents another example a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation according to the invention in which the polarization device is a junction produced by a junction field effect transistor (JFET); FIG. 5 schematically represents yet another example of a device for detecting electromagnetic radiation and reading of a signal representative of the detected radiation in which the polarization device is a single MOS field effect transistor mounted as a diode; FIG. 6 schematically represents yet another example of a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected radiation in which the polarization device is also used for reading and comprises a series of field effect transistors diode mounted. Identical, similar or equivalent parts of the different figures described below have the same reference numerals so as to facilitate the passage from one figure to another.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE REALISATION PARTICULIERSDETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
On se réfère à la figure 2 qui montre un exemple de dispositif de détection d'un rayonnement électromagnétique et de lecture d'un signal représentatif du rayonnement électromagnétique détecté. Le détecteur de rayonnement électromagnétique porte la référence 11. Il peut s e agir par exemple d'un détecteur photoélectrique sensible à un rayonnement infra rouge, visible, à un rayonnement gamma ou X ou autre et être formé par exemple d'une couche résistive, d'une diode photovoltaïque, d'un détecteur quantique. La référence 13 correspond à des photons incidents sur le détecteur 11. Le détecteur 11 est monté en série avec un dispositif de polarisation 10. Le détecteur 11 et le dispositif de polarisation 10 ont un point commun A' qui est relié en entrée d'un circuit de lecture intégré 12. Le circuit de lecture 12 n'est pas détaillé pour ne pas surcharger la figure. Il peut être similaire à ceux utilisés dans les dispositifs de l'art antérieur et comporter par exemple un circuit intégrateur de charges intégré. Selon l'invention, le dispositif de polarisation 10 est formé d'au moins un élément de type diode à semi-conducteur intégrable ayant un comportement de diode permanent. Lorsqu'il y a plusieurs éléments de type diode, ils sont montés en série. Ces éléments peuvent être tous identiques ou non. Sur la figure 2, les éléments de type diode à semi-conducteur sont formés par des diodes de redressement Dl, D2, DN. Le dispositif de polarisation 10 et le circuit de lecture 12 sont intégrés dans un même ASIC 14. Comme sur la figure 1, le détecteur 11 a une autre extrémité à l'opposé de celle reliée au point commun A' qui est reliée à une borne d'alimentation Un (dans l'exemple négative ou basse). Le dispositif de polarisation 10 a une autre extrémité à l'opposé de celle reliée au point A' qui est reliée à une autre entrée du circuit de lecture 12. Le circuit de lecture 12 possède une sortie S' qui délivre un signal représentatif du rayonnement électromagnétique détecté par le détecteur 11. Le circuit de lecture 12 est monté entre une première borne d'alimentation Up (dans l'exemple positive ou haute) et une seconde borne d'alimentation Ui (dans l'exemple égale à 0 V) de façon générale comprise entre Un et Up. Le dispositif de polarisation 10 est traversé par le courant d'obscurité lobs du détecteur 11. Le circuit de lecture 12 est traversé par le courant photonique Iph du détecteur 11 qui est représentatif du rayonnement détecté. Le détecteur 11 est traversé par la somme des deux courants Iph et lobs. Le dispositif de polarisation 10 détourne le courant d'obscurité lobs du circuit de lecture 12. Supposons que le dispositif de polarisation 10 ne comprenne qu'une seule diode. Le courant direct ID qui traverse une diode est donné par :Reference is made to FIG. 2 which shows an example of a device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected electromagnetic radiation. The electromagnetic radiation detector has the reference 11. It may e s for example, be a photoelectric detector responsive to infrared radiation, visible, to X or gamma radiation or the like and be formed for example by a resistive layer, a photovoltaic diode, a quantum detector. The reference 13 corresponds to incident photons on the detector 11. The detector 11 is mounted in series with a polarization device 10. The detector 11 and the polarization device 10 have a common point A ' which is connected at the input of an integrated reading circuit 12. The reading circuit 12 is not detailed so as not to overload the figure. It can be similar to those used in the devices of the prior art and include for example an integrated charge integrator circuit. According to the invention, the biasing device 10 is formed of at least one element of the integrable semiconductor diode type having a permanent diode behavior. When there are several diode type elements, they are connected in series. These elements can all be identical or not. In FIG. 2, the elements of the semiconductor diode type are formed by rectifying diodes D1, D2, DN. The polarization device 10 and the read circuit 12 are integrated in the same ASIC 14. As in FIG. 1, the detector 11 has another end opposite to that connected to the common point A 'which is connected to a terminal supply A (in the negative or low example). The polarization device 10 has another end opposite to that connected to the point A 'which is connected to another input of the reading circuit 12. The reading circuit 12 has an output S' which delivers a signal representative of the radiation electromagnetic detected by the detector 11. The read circuit 12 is mounted between a first supply terminal Up (in the positive or high example) and a second supply terminal Ui (in the example equal to 0 V) of generally between Un and Up. The device polarization 10 is crossed by the dark current lobs of the detector 11. The reading circuit 12 is crossed by the photonic current Iph of the detector 11 which is representative of the detected radiation. The detector 11 is crossed by the sum of the two currents Iph and lobs. The polarization device 10 diverts the dark current lobs from the read circuit 12. Suppose that the polarization device 10 comprises only one diode. The direct current I D which flows through a diode is given by:
ID= ïs {e Uτ -1) (1) avec Is courant inverse ou courant de saturation de la diode, VD tension directe de la diode et Uτ tension thermique (environ 26mV à 300 °K) . Le courant de saturation Is est de l'ordre de 1 fe toID = ï s { e Uτ -1 ) ( 1) with I s reverse current or saturation current of the diode, V D direct voltage of the diode and U τ thermal voltage (around 26mV at 300 ° K). The saturation current I s is of the order of 1 fe to
Ampère . Le bruit de grenaille SiD d'une diode est donné par : SiD = 2qIobs (2) tout comme le bruit de grenaille du détecteur. Avec une seule diode le bruit serait égal à celui du détecteur. La résistance RD en petits signaux de la diode est donnée par : RD » ._Ξn (3) M I La tension VD aux bornes de la diode découle de l'équation (1) : rD ≈uτ H^-) (4) Cette tension VD est une tension variable, elle est fonction du courant direct ID et elle est inférieure à la tension de seuil V0 de la diode qui est comprise entre environ 0,3 V et 0,7 V selon la technologie employée. La capacité parasite CD de la diode s'exprime par : avec A surface de la diode, Cu capacité surf cique de la diode. Cette capacité surfacique dépend de la technologie employée (oxyde, jonction) . Avec N diodes en série (N entier >2) on obtient les caractéristiques suivantes, en supposant que les diodes sont parcourues par le même courant lobs : • Le bruit SIHD s'exprime par :Ampere. The shot noise S iD of a diode is given by: S iD = 2qIobs (2) just like the shot noise of the detector. With a single diode the noise would be equal to that of the detector. The resistance R D in small signals of the diode is given by: R D "._Ξn (3) MI The voltage V D across the terminals of the diode follows from equation (1): r D ≈u τ H ^ -) (4) This voltage V D is a variable voltage, it is a function of the direct current I D and it is less than the threshold voltage V 0 of the diode which is between approximately 0.3 V and 0.7 V depending on the technology used. The stray capacitance C D of the diode is expressed by: with A surface of the diode, C u surface capacitance of the diode. This surface capacity depends on the technology used (oxide, junction). With N diodes in series (N integer> 2) we obtain the following characteristics, assuming that the diodes are traversed by the same current lobs: • The noise S I HD is expressed by:
S±ND = ^ = 2qIobs l N Il est divisé par N par rapport au cas avec une seule diode. ° La résistance RND en petits signaux s 'e:.prime par ; RND = NRD Elle est multipliée par N par rapport au cas précédent. ° La tension VND aux bornes des N diodes en série s'exprime par VND _ NVD Cette tension est multipliée par N par rapport au cas précédent . ° La capacité parasite CND s'exprime par : CND = CD/N Elle est divisée par N par rapport au cas précédent. Le groupement en série de plusieurs diodes permet d'une part de réduire le bruit et la capacité parasite et d'autre part d'augmenter la résistance du dispositif de polarisation. On peut noter en conclusion que le bruit du dispositif de polarisation est égal au bruit du détecteur ou en est une fraction constante quel que soit le courant d'obscurité lobs. La résistance équivalente du dispositif de polarisation varie comme l'inverse du courant qui le parcourt. Ainsi la chute de tension à ses bornes varie faiblement avec le courant d'obscurité qui le traverse. II y a une auto-adaptation de la chute de tension au courant d'obscurité, ce qui est favorable à l'intégration du dispositif de polarisation et du circuit de lecture dans un même ASIC. La capacité parasite du dispositif de polarisation est très faible et d'autant plus faible qu'il y a plusieurs diodes en série. Elle atteint à peine quelques dizaines de femto farads. Lf élément de type diode peut être^ comme on vient de le voir, une jonction réalisée par une diode de redressement mais ce n'est pas limitatif. Il peut être réalisé par tout type de composant électronique présentant la même caractéristique intrinsèque ou extrinsèque qu'une diode à semi-conducteur, sous réserve qu'il soit isolé du circuit de lecture par soit un matériau diélectrique, soit par implantation dans un caisson. L'élément de type diode peut être formé par une jonction PN ou NP d'un transistor bipolaire. Ce transistor peut être de type NPN ou PNP et une jonction, sur les deux jonctions qu'il comporte, a été neutralisée. En variante, cette jonction peut être la jonction d'un transistor à effet de champ à jonction (JFET) . La figure 3 illustre un exemple de dispositif de polarisation 10 réalisé par plusieurs transistors bipolaires PNP TI, T2, TN montés en série. Le collecteur du transistor Tl est connecté à l'émetteur du transistor T2 et ainsi de suite jusqu'au transistor TN. Le collecteur du transistor TN forme le point commun A'. L'émetteur du transistor Tl est relié à la première borne d'alimentation haute Up de l'ASIC 14. Le reste du circuit est représenté comme sur la figure 2. Un transistor bipolaire comporte deux jonctions semi-conductrices ou deux diodes l'une entre son émetteur et sa base (diode émetteur) et l'autre entre son collecteur et sa base (diode collecteur) . Un transistor bipolaire employé en tant que diode a une de ses jonctions neutralisées. Dans l'exemple représenté, c'est la diode collecteur qui est neutralisée, la base et le collecteur des transistors Tl, T2, TN étant reliés ensemble. Il est bien sûr envisageable que ce soit la diode collecteur qui soit neutralisée en reliant par exemple la base et le collecteur. Des transistors NPN auraient pu être employés en inversant les bornes d'alimentation de manière appropriée. La figure 4 illustre un exemple de dispositif de polarisation 10 réalisé par la jonction d'un unique transistor à effet de champ à jonction (JFET) référencé J à canal N. La grille du transistor J est reliée à la première borne d'alimentation Up. La source S et le drain D du transistor J sont reliées entre elles et reliées au point commun A' . Plusieurs transistors FET à jonction pourraient être utilisés au lieu d'un seul. La grille de l'un des transistors serait reliée à un point commun à la source et au drain d'un autre transistor voisin. Le reste du dispositif de détection a été représenté comme sur la figure 3. La figure 5 illustre un exemple de dispositif de polarisation 10 réalisé avec un unique transistor à effet de champ monté en diode. Dans l'exemple il s'agit d'un transistor MOS de type P monté en diode. Ce transistor MOS est référencé Q. D'autres types de transistors à effet de champ pourraient être employés . La grille G du transistor Q est reliée à son drain D de manière permanente. Ainsi la grille du transistor MOS Q n'est pas commandée par un signal extérieur, elle ne reçoit pas d'énergie de l'extérieur. La source S du transistor Q est reliée à la première borne d'alimentation Up du circuit ASIC 14. Le drain D du transistor Q est relié au point commun A' . Le substrat du transistor MOS Q peut éventuellement être relié à la source S pour supprimer l'effet substrat. Il est possible bien sûr de relier le substrat à un autre potentiel tel que sa valeur soit supérieure à celle du potentiel de sa. source dans le cas d'un PMOS. (valeur inférieure à celle du potentiel de source pour un NMOS) . La tension grille-source VQS du transistor MOS Q est VGS = Vo avec VQ la tension de seuil du transistor MOS Q. Cette tension VGS fixe la limite entre le régime faible inversion et le régime forte inversion du transistor, c'est-à-dire la limite entre la densité de courant drain-source faible et la densité de courantS ± N D = ^ = 2qIobs l N It is divided by N compared to the case with a single diode. ° The resistance R ND in small signals is:. Expressed by; R ND = NR D It is multiplied by N compared to the previous case. ° The voltage V ND across the N diodes in series is expressed by V ND _ NV D This voltage is multiplied by N compared to the previous case. ° The parasitic capacity C ND is expressed by: C ND = C D / N It is divided by N compared to the previous case. The grouping in series of several diodes makes it possible on the one hand to reduce the noise and the parasitic capacitance and on the other hand to increase the resistance of the polarization device. It can be noted in conclusion that the noise of the polarization device is equal to the noise of the detector or is a constant fraction of it whatever the dark current lobs. The equivalent resistance of the polarization device varies as the inverse of the current flowing through it. Thus the voltage drop across its terminals varies slightly with the dark current flowing through it. There is a self-adaptation of the voltage drop to the dark current, which is favorable to the integration of the bias device and the read circuit in the same ASIC. The parasitic capacitance of the polarization device is very low and all the more weak as there are several diodes in series. It barely reaches a few dozen femto farads. L f diode like element can be ^ as we have seen, a junction formed by a rectifier diode but this is not limiting. It can be produced by any type of electronic component having the same intrinsic or extrinsic characteristic as a semiconductor diode, provided that it is isolated from the reading circuit by either a dielectric material, or by implantation in a box. The diode-type element can be formed by a PN or NP junction of a bipolar transistor. This transistor can be of NPN or PNP type and a junction, on the two junctions which it comprises, has been neutralized. Alternatively, this junction can be the junction of a junction field effect transistor (JFET). FIG. 3 illustrates an example of a polarization device 10 produced by several bipolar PNP TI, T2, TN transistors connected in series. The collector of transistor Tl is connected to the emitter of transistor T2 and so on to transistor TN. The collector of the transistor TN forms the common point A '. The emitter of transistor Tl is connected to the first high power supply terminal Up of ASIC 14. The rest of the circuit is shown as in FIG. 2. A bipolar transistor has two semiconductor junctions or two diodes, one between its emitter and its base (emitter diode) and the other between its collector and its base (collector diode). A bipolar transistor used as a diode has one of its junctions neutralized. In the example shown, it is the collector diode which is neutralized, the base and the collector of the transistors Tl, T2, TN being connected together. It is of course conceivable that it is the collector diode which is neutralized by connecting for example the base and the collector. NPN transistors could have been used by reversing the power terminals appropriately. FIG. 4 illustrates an example of bias device 10 produced by the junction of a single junction field effect transistor (JFET) referenced J to N channel. The gate of transistor J is connected to the first supply terminal Up . The source S and the drain D of the transistor J are interconnected and connected to the common point A '. Several junction FET transistors could be used instead of one. The gate of one of the transistors would be connected to a point common to the source and the drain of another neighboring transistor. The rest of the detection device has been shown as in FIG. 3. FIG. 5 illustrates an example of polarization device 10 produced with a single field effect transistor mounted as a diode. In the example it is a P-type MOS transistor mounted as a diode. This MOS transistor is referenced Q. Other types of field effect transistors could be used. The gate G of transistor Q is permanently connected to its drain D. Thus the gate of the MOS transistor Q is not controlled by an external signal, it does not receive energy from the outside. The source S of the transistor Q is connected to the first supply terminal Up of the ASIC circuit 14. The drain D of the transistor Q is connected to the common point A '. The substrate of the MOS transistor Q can optionally be connected to the source S to suppress the substrate effect. It is of course possible to connect the substrate to another potential such that its value is greater than that of the sound potential. source in the PMOS. (value lower than that of the source potential for an NMOS). The gate-source voltage VQ S of the MOS transistor Q is V GS = Vo with VQ the threshold voltage of the MOS transistor Q. This voltage V GS fixes the limit between the low inversion regime and the strong inversion regime of the transistor, that is i.e. the boundary between the low drain-source current density and the current density
- drain-source forte. Supposons que le transistor MOS Q est saturé, le courant drain-source IDs ne dépend pas de la tension VDS (VDS>3UT avec U tension thermique ≈ 6mV à 300 °K) . En régime de faible inversion, le courant drain-source IDs suit une loi exponentielle de la forme : ∑G _ IDS = ~Xs { enUτ ~X) avec Is courant de saturation du transistor, VGS tension grille-source, n est le facteur de pente en faible inversion (soit subthreshold slope factor en langue anglaise) . Puisque le transistor MOS Q est monté en diode,, son drain étant relié à sa grille, on obtient : i . IDS - Is(^"!7r_) et cette expression correspond au courant de saturation d'une diode. La conductance de transfert du transistor MOS Q s'exprime par :
Figure imgf000018_0001
La densité spectrale SiQ de courant de bruit du transistor MOS Q correspond à celle d'une diode : SiQ = 2qIDS = 2qGmnUτ SQ = 2nkTGm puisque Uτ = — kX .- strong drain-source. Suppose that the MOS transistor Q is saturated, the drain-source current I D s does not depend on the voltage V DS (V DS > 3U T with U thermal voltage ≈ 6mV at 300 ° K). In a low inversion regime, the drain-source current I D s follows an exponential law of the form: ∑G _ IDS = ~ Xs {e nUτ ~ X) with I s transistor saturation current, V GS gate-source voltage , n is the slope factor in low inversion (or subthreshold slope factor in English). Since the MOS transistor Q is mounted as a diode, its drain being connected to its gate, we obtain: i. IDS - Is (^ " ! 7r_ ) and this expression corresponds to the saturation current of a diode. The transfer conductance of the MOS transistor Q is expressed by:
Figure imgf000018_0001
The noise current spectral density S iQ of the MOS transistor Q corresponds to that of a diode: If Q = 2qI DS = 2qG m nU τ S Q = 2nkTGm since U τ = - kX.
Cette densité spectrale de courant S±Q est aussi équivalente à celle d'une résistance RB de bruit 4kT 4kT 2 qui s'exprime par RB = SiQ 2nkTGm nGm Cette résistance RB est supérieure à celle d'une diode RD qui est égale à 1/Gm. Le bruit basse fréquence Sι/f en 1/f ou bruit de scintillement ou de papillotement (aussi connu sous la dénomination anglo-saxonne de « flicker noise ») est dû à des impuretés dans le matériau. Il est souvent formulé par : KM* Si/f = CJFIf" KF est une caractéristique du transistor MOS Q, Co est la capacité de l'oxyde de grille par unité de surface, W et L représentent respectivement la largeur et la longueur du canal du transistor, f représente la fréquence et AF un coefficient supérieur ou égal à un, propre à chaque technologie et aux composants. C'est en régime de faible inversion que le bruit basse fréquence est le plus faible. La capacité parasite introduite par le transistor MOS Q est égale à la capacité de grille Ces du transistor. Elle vaut Cox L. Un exemple de circuit de lecture 12 a été schématisé sur la figure 5. Le circuit de lecture comporte un condensateur C2 et un circuit amplificateur intégrateur de charges (Al, Ri, Cl) . Le condensateur C2 est monté entre le point commun A' et l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel Al monté en intégrateur de charges . Le point commun A' est relié en entrée du circuit amplificateur par une liaison capacitive. Le condensateur C2 a une fonction de filtre de la composante continue du signal . Un circuit RC parallèle formé d'une résistance RI et d'un condensateur Cl d'intégration est monté entre l'entrée inverseuse de l'amplificateur Al et sa sortie. Le signal S' représentatif du rayonnement électromagnétique détecté par le détecteur 11 est disponible à la sortie de l'amplificateur opérationnel Al. La résistance Ri en parallèle sur le condensateur Cl d'intégration sert à la remise à zéro du condensateur Cl et à polariser l'entrée de l'amplificateur Al. La figure 6 montre maintenant un exemple de dispositif de polarisation 10 formé de N (N entier supérieur ou égal à 2) transistors PMOS Ql, Q2 , .., QN montés en diode et connectés en série les uns avec les autres. Les transistors Ql, Q2, QN ne sont pas forcément tous identiques. Le montage en diode est identique à celui du transistor Q de la figure 5, Le drain du transistor Ql est relié à la source du transistor Q2. Le drain du transistor QN est relié au point commun A" avec le détecteur 11. Les caractéristiques théoriques de ce dispositif de polarisation 10 sont les suivantes : Le courant lobs qui le parcourt est inférieur à environ 1 microampère ce qui représente la limite en régime de faible inversion. La chute de tension aux bornes du dispositif de polarisation est VHQ = VD avec VD ≈ Uτln(-^-) comme pour la diode. Elle est ts inférieure à environ 0,7 V. La résistance du dispositif de polarisationThis current spectral density S ± Q is also equivalent to that of a noise resistance R B of 4kT 4kT 2 which is expressed by R B = S iQ 2nkTG m nGm This resistance R B is greater than that of a diode R D which is equal to 1 / Gm. The low frequency noise Sι / f in 1 / f or flickering or flickering noise (also known by the Anglo-Saxon name of "flicker noise") is due to impurities in the material. It is often formulated by: KM * Si / f = CJFIf "K F is a characteristic of the MOS transistor Q, Co is the capacity of the gate oxide per unit area, W and L respectively represent the width and the length of the transistor channel, f represents the frequency and AF a coefficient greater than or equal to one, specific to each technology and to the components. It is in low inversion regime that the low frequency noise is the lowest. The parasitic capacitance introduced by the MOS transistor Q is equal to the gate capacity Ces of the transistor, it is equal to C ox L. An example of a read circuit 12 has been shown diagrammatically in FIG. 5. The read circuit comprises a capacitor C2 and a charge integrating amplifier circuit (Al, Ri, Cl) The capacitor C2 is mounted between the common point A 'and the inverting input of an operational amplifier Al mounted at load integrator. The common point A 'is connected at the input of the amplifier circuit by a capacitive link. The capacitor C2 has a function of filtering the DC component of the signal. A parallel RC circuit formed by a resistor RI and an integration capacitor C1 is mounted between the inverting input of the amplifier Al and its output. The signal S 'representative of the electromagnetic radiation detected by the detector 11 is available at the output of the operational amplifier Al. The resistor Ri in parallel on the integrating capacitor Cl is used for resetting the capacitor Cl and for biasing l the input of amplifier A1. FIG. 6 now shows an example of polarization device 10 formed of N (N integer greater than or equal to 2) PMOS transistors Ql, Q2, .., QN diode-connected and connected in series with with each other. The transistors Q1, Q2, QN are not necessarily all identical. The diode assembly is identical to that of the transistor Q in FIG. 5, the drain of the transistor Q1 is connected to the source of the transistor Q2. The drain of the transistor QN is connected to the common point A "with the detector 11. The theoretical characteristics of this polarization device 10 are as follows: The current lobs which flows through it is less than about 1 microampere which represents the limit in regime of weak inversion The voltage drop across the polarization device is V H Q = V D with V D ≈ U τ ln (- ^ -) as for the diode. It is less than about 0.7 V. The resistance of the polarization device
RNQ = — avec Gm conductance de transfert d'un des Gm transistors MOS. La résistance équivalente de bruit RKB s' exprime par :
Figure imgf000021_0001
Des simulations électriques d'un dispositif de polarisation comportant 6 transistors MOS de type P ont été faites. Les transistors dessinés avec W ≈ 2μm et L = 2μm ont été réalisés en technologie standard dite λbulk' (en français substrat) . Dans cette technologie, le substrat d'un transistor MOS (par exemple NMOS) est la masse du support dopée P et au moins un transistor complémentaire (par exemple PMOS) est placé dans un caisson dopé N. Les modèles du fondeur sont utilisés. Pour une gamme de courant photonique Iph du détecteur 11 compris entre environ 10 pico ampères et 1 nano ampère (fonctionnement en régime de faible inversion du dispositif de polarisation) , la résistance du dispositif de polarisation est comprise entre 200 MΩ et 15 GΩ et la chute de tension à ses bornes est comprise entre 1,6 V et 2,6 V. On a bien une chute de tension comprise dans la plage de tension d'alimentation de l'ASIC qui était Up = 3,3 V et Ui = 0 V. Les simulations mettent en évidence que le bruit du dispositif de polarisation 10 est négligeable devant le bruit du détecteur 11 et qu' il représente une fraction constante du bruit total pour la gamme de courant investiguée. Il est possible que le dispositif de polarisation 10 au lieu d'être monté entre le point commun A' et la première borne Up d'alimentation du circuit de lecture 12 soit monté entre le point commun A' et la sortie du circuit de lecture 12. Le point commun A' est relié en entrée du circuit de lecture 12. Le circuit de lecture 12 comporte un amplificateur A2 et le dispositif de polarisation 10 forme une contre réaction pour l'amplificateur A2. Il s'agit d'un montage à lecture de courant ou à transimpédance . L'amplificateur A2 et le dispositif de polarisation 10 qui lui est associé forment le circuit de lecture. Il s'agit d'un circuit de lecture en courant. Le dispositif de polarisation remplit un double rôle : il polarise le détecteur 11 et il contribue à la lecture du courant photonique Iph. Il risque d'exister un décalage de tension entre Ie entrée de X amplificateur A2 et sa sortie. Le courant lobs crée une différence de potentiel dans le circuit qui réduit d'autant la dynamique de l'amplificateur. Il faut trouver un compromis entre la valeur de la résistance du dispositif de polarisation que l' on souhaite voir élevée et la valeur de la chute de tension à ses bornes que l'on souhaite limitée pour être acceptable. La résistance et la chute de tension croissent toutes les deux avec le nombre N d'éléments de type diode. Ce compromis consiste à ajuster le nombre N d'éléments de type diode à semi-conducteur en le réduisant et éventuellement en le limitant à un seul. Le dispositif de polarisation de l'invention qui vient d'être décrit est simple, sans apport d' énergie et auto-adaptatif au courant d'obscurité du détecteur. Il ne fait pas plus de bruit que la résistance de l'art antérieur, il a une capacité parasite faible et présente à ses bornes une chute de tension qui est compatible avec une intégration en microélectronique. Le fait que le dispositif de polarisation fonctionne sans apport d'énergie est un avantage incontestable, cela simplifie le dispositif de détection et de lecture et réduit notablement son coût. Bien que plusieurs modes de réalisation de la présente invention aient été représentés et décrits de façon détaillée, on comprendra que différents changements et modifications puissent être apportés sans sortir du cadre de l'invention. Les différentes variantes décrites notamment au niveau de la connexion du dispositif de polarisation et de sa structure doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres. Dans les exemples décrits, les éléments de type diode peuvent être remplacés par leurs complémentaires en adaptant des tensions et les courants de manière appropriée . RNQ = - with Gm transfer conductance of one of the Gm MOS transistors. The equivalent noise resistance RKB is expressed by:
Figure imgf000021_0001
Electrical simulations of a polarization device comprising 6 P-type MOS transistors were made. The transistors designed with W ≈ 2μm and L = 2μm were produced in standard technology called λ bulk '(in French substrate). In this technology, the substrate of a MOS transistor (for example NMOS) is the mass of the P-doped support and at least one complementary transistor (for example PMOS) is placed in an N-doped well. The foundry models are used. For a range of photon current Iph of the detector 11 of between approximately 10 pico amperes and 1 nano ampere (operation in regime of low inversion of the polarization device), the resistance of the polarization device is between 200 MΩ and 15 GΩ and the drop voltage across its terminals is between 1.6 V and 2.6 V. There is a voltage drop in the supply voltage range of the ASIC which was Up = 3.3 V and Ui = 0 V. The simulations show that the noise of the polarization device 10 is negligible compared to the noise of the detector 11 and that it represents a constant fraction of the total noise for the range of investigated current. It is possible that the polarization device 10 instead of being mounted between the common point A 'and the first Up supply terminal of the reading circuit 12 is mounted between the common point A' and the output of the reading circuit 12 The common point A ′ is connected at the input of the read circuit 12. The read circuit 12 comprises an amplifier A2 and the bias device 10 forms a feedback for the amplifier A2. It is a current reading or transimpedance mounting. The amplifier A2 and the polarization device 10 associated with it form the read circuit. It is a current reading circuit. The polarization device fulfills a double role: it polarizes the detector 11 and it contributes to the reading of the photonic current Iph. It may be an offset voltage between input I e of X A2 amplifier and its output. The lobs current creates a potential difference in the circuit which reduces the dynamics of the amplifier accordingly. A compromise must be found between the value of the resistance of the biasing device which one wishes to see high and the value of the voltage drop across its terminals which is desired to be limited in order to be acceptable. Resistance and voltage drop both increase with the number N of elements diode type. This compromise consists in adjusting the number N of elements of the semiconductor diode type by reducing it and possibly limiting it to only one. The polarization device of the invention which has just been described is simple, without energy input and self-adapting to the dark current of the detector. It does not make more noise than the resistance of the prior art, it has a low parasitic capacitance and has at its terminals a voltage drop which is compatible with integration in microelectronics. The fact that the polarization device operates without energy supply is an undeniable advantage, it simplifies the detection and reading device and significantly reduces its cost. Although several embodiments of the present invention have been shown and described in detail, it will be understood that various changes and modifications can be made without departing from the scope of the invention. The various variants described in particular at the level of the connection of the polarization device and of its structure must be understood as not being mutually exclusive. In the examples described, the diode type elements can be replaced by their complementary ones by adapting voltages and currents as appropriate.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de détection de rayonnement électromagnétique et de lecture d'un signal représentatif du rayonnement électromagnétique détecté comportant un détecteur de rayonnement électromagnétique (11) coopérant avec un dispositif de polarisation (10), le dispositif de polarisation (10) et le détecteur (11) sont en série et ont un point commun (A') qui est relié en entrée d'un circuit de lecture (12) intégrable, caractérisé en ce que le dispositif de polarisation (10) est formé par au moins un élément intégrable de type diode à semi-conducteur1. A device for detecting electromagnetic radiation and for reading a signal representative of the detected electromagnetic radiation comprising an electromagnetic radiation detector (11) cooperating with a polarization device (10), the polarization device (10) and the detector ( 11) are in series and have a common point (A ') which is connected at the input of an integrable reading circuit (12), characterized in that the polarization device (10) is formed by at least one integrable element of semiconductor diode type
(Dl, D2, DN) qui a un comportement de diode permanent.(Dl, D2, DN) which has a permanent diode behavior.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les éléments de type diode (Dl, D2, DN) sont montés en série les uns avec les autres lorsque le dispositif de polarisation (10) en comporte plusieurs.2. Device according to claim 1, wherein the diode type elements (Dl, D2, DN) are mounted in series with each other when the polarization device (10) comprises several.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2 r dans lequel l'élément de type diode (D) et le circuit de lecture (12) sont intégrés au sein d'un même circuit ASIC (14) .3. Device according to one of claims 1 or 2 r in which the diode type element (D) and the reading circuit (12) are integrated within the same ASIC circuit (14).
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'élément de type diode (D) est une jonction PN ou NP. 4. Device according to one of claims 1 to 3, wherein the diode type element (D) is a PN or NP junction.
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la jonction est une jonction d'un transistor bipolaire (Tl, T2, TN) ou d'un transistor FET à jonction (J) .5. Device according to claim 4, wherein the junction is a junction of a bipolar transistor (Tl, T2, TN) or a junction FET transistor (J).
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'élément de type diode est un transistor à effet de champ (Ql, Q2, QN) monté en diode.6. Device according to one of claims 1 to 3, wherein the diode type element is a field effect transistor (Ql, Q2, QN) mounted as a diode.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le dispositif de polarisation (10) a une extrémité reliée à une borne d'alimentation (Up) du circuit de lecture (12).7. Device according to one of claims 1 to 6, in which the biasing device (10) has one end connected to a supply terminal (Up) of the reading circuit (12).
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le circuit de lecture comporte un amplificateur de charges à transimpédance (A2) , le dispositif de polarisation (10) formant une boucle de contre réaction avec l'amplificateur de charges (A2) . 8. Device according to one of claims 1 to 6, in which the reading circuit comprises a transimpedance charge amplifier (A2), the polarization device (10) forming a feedback loop with the charge amplifier ( A2).
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