Introduction :

Le CCD(Charge Coupled Device) est le plus simple a fabriquer ,a une bonne sensibilité , mais du fait de son principe,le transfert de charge est relativement lent .Mis au point par les laboratoires Bell en 1969.

Il a rapidement été adopte pour des applications de pointe (Imagerie astronomique).Puis popularisée sur les cameras et appareils photo.

Principe de fonctionnement:

CCD « pleine trame », transfert de charges suivant la flèche verte

Un CCD transforme les photons lumineux qu'il reçoit en paires électron-trou par effet photoélectrique dans le substrat semi-conducteur, puis collecte les électrons dans le puits de potentiel maintenu à chaque photosite (pixel). Le nombre d'électrons collectés est proportionnel à la quantité de lumière reçue. À la fin de l'exposition, les charges sont transférées de photosite en photosite par le jeu de variations de potentiel cycliques appliquées aux grilles (bandes conductrices horizontales, isolées entre elles par une couche de SiO2) jusqu'au registre horizontal.

Elles sont transformées en tension, proportionnelle aux nombres d'électrons, dans la capacité d'une diode « flottante ». Ce signal sera, à l'extérieur du CCD filtré par un circuit à Double Échantillonnage Corrélé avant d'être amplifié et numérisé.

Ces électrodes sont isolées par une couche de SiO2, complétée par l'action d'une fine zone dopée « n », le canal enterré (buried channel), du substrat de type « p ».

Les Capteurs CCD

Schéma explicatif :

Trois types de CCD se sont succédé et coexistent toujours :

a) le CCD pleine trame :(full frame) : la construction est assez simple puisque les lignes CCD vertical jouent a la fois le rôle de capteur de lumière et de moyen de transmission de charge les condensateurs de cellule CCD sont photosensible mais ont une efficacité moindre aux faible longueur d`onde du fait des électrodes en silicium poly cristallin qui ne sont que semi transparentes, mais il présente plusieurs inconvénients :

o les électrodes (grilles) en silicium poly cristallin circulent au-dessus de la couche photosensible et absorbent une part importante de la partie bleu du spectre (0,35-0,45 micromètres).

o il nécessite un obturateur externe pour permettre le cycle de transfert de charge sans illumination

o il est très sensible à l'éblouissement (blooming) : quand un photosite déborde, il inonde ses voisins. Pour pallier cet inconvénient, il peut être équipé d'un dispositif dit « drain d'évacuation de charges » (LOD-Lateral Overflow Drain) qui élimine les électrons en trop plein des photosites et limite la propagation de l'éblouissement, mais diminue la sensibilité.

o Les CCD « pleine trame » récents ont des photosites au pas de 6 micromètres capables de stocker jusqu'à 60 000 électrons et un rendement quantique supérieur à 20%.

On sait aujourd'hui (2005) fabriquer des CCD « pleine trame » de 40 mégapixels (surface utile de 40×54 mm).

CCD Plein trame

b) le CCD à transfert de trame :(full-frame transfer) la rétine CCD est similaire au premier mais elle utilise en plus un second jeu de ligne CCD vertical, masque par une couche métallique opaque a la fin du temps de pause ou transfert très rapidement limage acquise dans la matrice photo sensible vers la matrice aveugle cela permet ensuite de recommencer une acquisition pendant que la matrice aveugle transmet l`image vers la sortie.

le principal inconvénient est de doubler la taille du capteur à définition égale

o les autres inconvénients (réponse spectrale, éblouissement) demeurent.

c) le CCD interligne est plus complexe : les CCD verticaux aveugle ne sont pas disposes sous la forme d`une matrice compact comme dans la technique précédente, mais sont intercaler entre les site photosensible disposées en ranges verticale l`efficacité diminue puisque le facteur de remplissage baise sensiblement dans cette arrangement.

o La photodiode spécialisée permet de retrouver une réponse spectrale couvrant correctement le visible (0,35-0,75 micromètres)

o il est généralement équipé d'un drain d'évacuation de charges qui limite la propagation de l'éblouissement

o il est par contre intrinsèquement moins sensible, les photodiodes ne représentant que 25% à 40% de la surface totale. Ce défaut est partiellement corrigé par un réseau de micro-lentilles convergentes qui améliore le rendement quantique de 15% à 35-45%

o Les CCD interlignes récents ont des photosites au pas de 8 micromètres capables de stocker jusqu'à 100 000 électrons.

On sait aujourd'hui (2005) fabriquer des CCD interligne de 12 mégapixels (surface utile de 24×36 mm).

Dans tous les CCD, le bruit (électrons parasites) augmente très fortement avec la température: il double tous les 6 à 8 °C. C'est pourquoi on doit refroidir les CCD pour l'astrophotographie utilisant de très longs temps de pose. Dans les photo scopes le temps d'exposition utilisable à température ambiante est de l'ordre de la minute, un photossite se remplissant par le jeu des diverses fuites en 5 à 10 minutes.

CCD interligne

Conclusion :

Les capteurs CCD gardent des avantages :

• une meilleure linéarité car moins de dispersion dans les convertisseurs Analogique/Numérique .

• un plus faible niveau de bruit du fait du moins grand nombre d'éléments par capteur à définition égale.

• la surface participant à la capture de photons est proportionnellement plus élevée.

o et donc un avantage au CCD pour la qualité des noirs et faibles lumières.