FR2846147A1 - Commande d'une cellule photosensible - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif et un procédé de commande d'une cellule photosensible comprenant une photodiode adaptée à se décharger dans un noeud de lecture par l'intermédiaire d'un transistor MOS de transfert, ledit dispositif étant adapté à fournir un signal de commande de la grille du transistor MOS de transfert à un premier niveau pour lequel le transistor MOS de transfert est bloqué ou à un second niveau pour lequel le transistor MOS de transfert est passant, comprenant des moyens pour fournir un signal de commande de transition entre le second niveau et le premier niveau de pente moyenne déterminée.
Description
COMMANDE D'UNE CELLULE PHOTOSENSIBLE
La présente invention concerne la commande d'une cellule photosensible réalisée sous forme monolithique d'un capteur d'images destiné à être utilisé dans des dispositifs de prise de vues tels que, par exemple, des caméras, des 5 camescopes, des microscopes numériques ou encore des appareils photographiques numériques. Plus particulièrement, la présente invention concerne une cellule photosensible à base de semiconducteurs. La figure 1 illustre schématiquement le circuit d'une 10 cellule photosensible d'une matrice de cellules photosensibles d'un capteur d'images. A chaque cellule photosensible de la matrice sont associés un dispositif de précharge et un dispositif de lecture. Le dispositif de précharge est constitué d'un transistor MOS à canal N Ml, interposé entre un rail 15 d'alimentation Vdd et un noeud de lecture S. La grille du transistor de précharge M1 est propre à recevoir un signal de commande de précharge RST. Le dispositif de lecture est constitué de la connexion en série de premier et second transistors MOS à canal N M2, M3. Le drain du premier transistor 20 de lecture M2 est connecté au rail d'alimentation Vdd. La source du second transistor de lecture M3 est connectée à une borne d'entrée P d'un circuit de traitement (non représenté). La grille du premier transistor de lecture M2 est reliée au noeudde lecture S. La grille du deuxième transistor de lecture M3 est propre à recevoir un signal de lecture RD. La cellule photosensible comprend une diode de stockage de charge D1 dont 5 l'anode est reliée à un rail d'alimentation de référence ou masse du circuit GND et la cathode est reliée directement au noeud S. La cellule photosensible comprend une photodiode D2 dont l'anode est reliée au rail d'alimentation de référence GND et la cathode est reliée au noeud S par l'intermédiaire d'un 10 transistor MOS à canal N de transfert de charges M4. La grille du transistor de transfert M4 est propre à recevoir un signal de commande de transfert de charges T. De façon générale, les signaux RD, RST, et T sont fournis par des circuits de commande non représentés en figure 1 et peuvent être fournis à l'ensemble 15 des cellules photosensibles d'une même rangée de la matrice de cellules. La figure 2 représente un exemple de chronogramme des signaux RD, RST, T et de la tension VRD au noeud S du circuit de la figure 1 pour un cycle de lecture de la cellule photosensible 20 de la figure 1. Les signaux RD, RST et T sont des signaux binaires variant entre des niveaux hauts et bas qui peuvent être
différents pour chacun des signaux.
Entre deux cycles de lecture de la cellule photosensible, le signal T est au niveau bas. Le transistor de 25 transfert M4 est donc bloqué. L'éclairement lumineux entraîne la formation et le stockage de charges au niveau de la photodiode D2. De plus, le signal RST est à l'état haut. Le transistor de précharge M1 est donc passant. La tension VRD est alors
sensiblement égale à la tension Vdd.
A un instant to, la rangée de la matrice contenant la cellule photosensible à lire est sélectionnée en mettant au niveau haut le signal RD. La précharge du noeud de lecture S est interrompue en mettant à l'instant tl le signal RST à l'état bas, bloquant ainsi le transistor de précharge M1. La tension 35 VRD au noeud de lecture S est alors fixée à un niveau de précharge VRST qui peut être inférieur à la tension Vdd en raison d'un couplage avec le transistor de précharge M1. Le niveau de précharge VRST est généralement perturbé par un bruit provenant essentiellement du bruit thermique du canal du 5 transistor de précharge M1. Ce bruit est échantillonné et maintenu sur la diode de stockage de charge D1 lors du blocage du transistor de précharge M1. Le niveau de précharge VRST est alors mémorisé à l'extérieur de la cellule photosensible par
l'intermédiaire des transistors de lecture M2, M3.
A l'instant t2, le signal T est mis à l'état haut. Le transistor de transfert M4 est alors passant ce qui permet le transfert des charges stockées dans la photodiode D2 vers le noeud de lecture S. La photodiode D2 est conçue de telle sorte que toutes les charges stockées dans celleci sont transférées 15 vers le noeud de lecture S. La tension VRD diminue alors jusqu'à un niveau de signal utile VRD. Le transfert de charges effectué, le signal T est mis à l'instant t3 au niveau bas, permettant ainsi d'isoler à nouveau la photodiode D2 et de recommencer un cycle de formation et de stockage de charges provenant de 20 l'éclairement lumineux. Le niveau de signal utile VRD est alors lu par l'intermédiaire des transistors de lecture M2, M3. Comme le niveau de précharge VRST, le niveau de signal utile VRD est perturbé notamment par le bruit thermique du canal du transistor de précharge M1 qui a été échantillonné et maintenu sur la diode 25 de stockage de charge D1. La soustraction des signaux VRD et VRST par le circuit de traitement permet l'élimination du bruit du transistor de précharge M1 par un double échantillonnage corrélé. La lecture étant achevée, le signal RST est mis à l'état haut à l'instant t4 pour précharger à nouveau le noeud de 30 lecture S. Finalement, à l'instant t6, le signal RD est mis à
l'état bas pour désélectionner la cellule photosensible.
La diode D1 peut ne pas être réalisée par un composant spécifique. La fonction de stockage des charges issues de la photodiode D2 est alors assurée par la capacité apparente au 35 noeud de lecture S qui est constituée des capacités des sources des transistors Ml et M4, de la capacité d'entrée du transistor M2 ainsi que de l'ensemble des capacités parasites présentes au noeud S. La figure 3 illustre, en vue en coupe partielle et 5 schématique, une réalisation sous forme monolithique de l'ensemble de la photodiode D2 et du transistor de transfert M4 de la figure 1. Ces éléments sont réalisés dans une même zone active d'un substrat semiconducteur 1 d'un premier type de conductivité, par exemple de type P, faiblement dopé (P-). Ce 10 substrat correspond par exemple à une couche épitaxiée sur une plaquette de silicium qui forme le rail d'alimentation de référence GND. La zone active est délimitée par des zones d'isolement de champ 2 par exemple en oxyde de silicium (SiO2) et correspond à un caisson 3 de même type de conductivité que le 15 substrat 1 sous-jacent, mais plus fortement dopé. Au-dessus de la surface du caisson 3 est formée une structure de grille isolée 4 éventuellement munie d'espaceurs latéraux. De part et d'autre de la grille 4, à la surface du caisson 3, se trouvent des régions de source 5 et de drain 6 du type de conductivité 20 opposé, par exemple N. La région de drain 6, à droite de la grille 4, est fortement dopée (N+). La région de source 5 est réalisée sur une surface beaucoup plus importante que la région de drain 6 et forme avec le caisson 3 sous-jacent la jonction de la photodiode D2. La grille 4 et le drain 6 sont solidaires de 25 métallisations (non représentées) qui permettent de mettre en contact ces régions respectivement avec le signal de commande de transfert T et la grille du transistor M2 (noeud S), respectivement. La structure est complétée par des régions de type P 8 et 9 fortement dopées (P+). Les régions 8 et 9, sous30 jacentes aux zones 2, sont connectées au potentiel de référence
ou masse par l'intermédiaire du caisson 3 et du substrat 1. La photodiode D2 est du type dit complètement déplété et comporte, à la surface de sa source 5, une région de type P 7, peu profonde et plus fortement dopée (P+ ) que le caisson 3. Cette 35 région 7 est en contact latéral (vertical) avec la région 8.
Elle est donc maintenue en permanence au niveau de tension de référence. La figure 4 illustre de façon schématique les niveaux de potentiel des différentes régions de la figure 2. La courbe 5 en traits mixtes illustre l'état du système juste après l'instant t2. Les régions fortement dopées de type P 7, 8 et 9 sont maintenues en permanence au potentiel de référence ou masse, par exemple O V. La région 5 de la photodiode D2, complètement chargée, est à un potentiel VDC. Le transistor M4 10 est passant. La région de canal 3 du transistor M4 est à un potentiel VTR. La région 6 correspondant au noeud S est au niveau de précharge VRST. Entre les instants t2 et t3, les charges accumulées dans la région 5 sont transférées dans la région 6. La courbe en traits pleins illustre l'état du système 15 juste après l'instant t3. Les charges stockées dans la photodiode D2 étant complètement transférées dans le noeud S, la photodiode D2 atteint un niveau de repos dit de déplétion VD fixé par les seules caractéristiques de la photodiode D2. Le transistor de transfert M4 étant bloqué, la région de canal 3 20 est à O V. La région 6 est au niveau de signal utile VRD. La région 5 de la photodiode D2 constitue alors un puits de potentiel vide qui se remplit à nouveau selon l'éclairement de
la photodiode.
De façon générale, le niveau haut du signal de 25 commande de transfert T appliqué à la grille du transistor de transfert M4 est tel que le potentiel dans la région de canal 3 du transistor M4 est intermédiaire entre le niveau de déplétion VD, et le niveau de signal utile VRD, dans de telles conditions
de potentiel.
Pour des technologies de plus en plus denses avec des cellules photosensibles de petites dimensions et des signaux de commande de plus en plus faibles, il devient difficile d'assurer un bon transfert de charges de la photodiode D2 vers le noeud de lecture S. Pour améliorer le transfert de charges, il est possible d'augmenter le niveau haut du signal T appliqué sur la grille du transistor de transfert M4 afin d'augmenter l'intensité du champ électrique permettant le passage des 5 charges. Toutefois, si le niveau du canal du transistor de transfert M4 devient relativement trop important par rapport à la tension d'alimentation Vdd, des charges peuvent être stockées pendant le transfert de charges dans la région de canal 3 du transistor de transfert M4 en raison du caractère capacitif du 10 transistor M4. Des charges peuvent alors être renvoyées vers la photodiode D2 lors du front descendant du signal T du niveau haut vers le niveau bas à l'instant t3. Ceci peut se traduire par une erreur sur le niveau de signal utile VRD mesuré et conduire à un effet dit de "traînage" lors de lectures 15 successives d'une cellule photosensible du fait de la lecture de charges résiduelles de l'image précédente lors de la lecture de
l'image suivante.
La présente invention prévoit un procédé et un dispositif de commande d'une cellule photosensible permettant 20 d'assurer un transfert complet des charges de la photodiode vers
le noeud de lecture.
Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un dispositif de commande d'une cellule photosensible comprenant une photodiode adaptée à se décharger dans un noeud 25 de lecture par l'intermédiaire d'un transistor MOS de transfert, ledit dispositif étant adapté à fournir un signal de commande de la grille du transistor MOS de transfert à un premier niveau pour lequel le transistor MOS de transfert est bloqué ou à un second niveau pour lequel le transistor MOS de transfert est 30 passant, comprenant des moyens pour fournir un signal de commande de transition entre le second niveau et le premier
niveau de pente moyenne déterminée.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comprend un transistor MOS d'un premier type de 35 conductivité relié à une source de tension au second niveau et à une ligne de commande, ladite ligne de commande étant reliée à la grille du transistor MOS de transfert et un transistor MOS d'un second type de conductivité relié à ladite ligne de
commande et à une borne d'une source de courant constant, 5 l'autre borne de ladite source de courant constant étant reliée à une source de tension au premier niveau.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
le dispositif comprend en outre une source de courant constant disposée entre le transistor du premier type de conductivité et 10 la source de tension au second niveau.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les grilles des transistors des premier et second types de
conductivité reçoivent un signal binaire.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, 15 le signal de commande est fourni simultanément aux grilles des
transistors de transfert de plusieurs cellules photosensibles.
La présente invention prévoit également un procédé de commande d'une cellule photosensible, comprenant une photodiode adaptée à se décharger dans un noeud de lecture par 20 l'intermédiaire d'un transistor MOS de transfert, consistant à fournir à la grille du transistor MOS de transfert un signal de commande à un premier niveau pour bloquer ledit transistor de transfert ou à second niveau pour rendre passant ledit transistor de transfert, consistant à fournir, lors de la 25 transition du second niveau vers le premier niveau, un signal de
commande de pente moyenne déterminée.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le signal de commande est un signal à pente finie non nulle
entre le second niveau et le premier niveau.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le signal de commande comprend un palier à pente nulle
intermédiaire entre le second niveau et le premier niveau.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
la durée de ladite transition du signal de commande du second 35 niveau vers le premier niveau est supérieure à 50 ns.
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que
d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes
parmi lesquelles: la figure 1, précédemment décrite, représente un schéma électrique d'une cellule photosensible; la figure 2, précédemment décrite, illustre un chronogramme de tensions caractéristiques du circuit de la 10 figure 1; la figure 3, précédemment décrite, représente une vue en coupe partielle et schématique d'une partie du circuit de la figure 1 réalisée sous forme monolithique; la figure 4, précédemment décrite, illustre de façon 15 schématique des niveaux de potentiel dans la structure de la figure 3; la figure 5 représente un premier mode de réalisation du dernier étage d'un circuit de commande fournissant le signal de commande de transfert de charges T; la figure 6 représente un chronogramme de tensions caractéristiques du circuit de la figure 1 commandé par le circuit de commande de la figure 5; la figure 7 représente un second mode de réalisation du dernier étage du circuit de commande; et la figure 8 représente un chronogramme de tensions caractéristiques du circuit de la figure 1 commandé par le
circuit de commande de la figure 7.
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est 30 habituel dans la représentation des circuits intégrés, la figure
3 n'est pas tracée à l'échelle.
La présente invention consiste à prévoir un signal de commande de transfert de charges T ayant une pente moyenne déterminée lors de la transition entre le niveau haut et le niveau bas de façon à permettre un transfert complet des charges entre la photodiode D2 et le noeud de lecture S. La figure 5 représente un premier mode de réalisation du dernier étage d'un circuit de commande fournissant le signal 5 de commande de transfert de charges T à la grille du transistor de transfert M4. Le circuit de commande peut être connecté à une ligne L reliée à l'ensemble des grilles des transistors de transfert des cellules photosensibles d'une même rangée de cellules photosensibles. Le circuit de commande comprend un 10 transistor MOS de type P M5 dont le drain est relié à une source de tension de niveau haut VTH et dont la source est reliée à la ligne L. Le circuit de commande comprend un transistor MOS de type N M6 dont le drain est relié à la ligne L et dont la source est reliée à une borne d'une source de courant constant I 15 fournissant un courant d'intensité Id. L'autre borne de la source de courant constant I est reliée à une source de tension de niveau bas VTL. Les grilles des transistors M5, M6 reçoivent chacune un signal binaire C fourni par l'étage précédent du circuit de commande. Selon une variante de l'invention, les 20 grilles des transistors M5, M6 ne sont pas reliées et reçoivent
chacune un signal de commande distinct.
Lorsque le signal C est à l'état bas, le transistor M6 est bloqué et le transistor M5 est passant. Le signal de commande de transfert T est alors au niveau haut VTH. Lorsque le 25 signal C passe à l'état haut, le transistor M5 est bloqué et le transistor M6 est passant. La ligne L, vue depuis le circuit de commande, présente une capacité apparente CL provenant entre autres des capacités des grilles des transistors de transfert de charges des différentes cellules photosensibles de la rangée. La 30 source de courant I impose alors une transition à pente constante du signal T depuis le niveau haut VTH jusqu'au niveau bas VTL. La durée de la transition entre les niveaux haut et bas est donnée par la relation suivante Td = CL(VTH-VTL)/Id La pente constante du signal de commande de transfert
T est ajustée afin de permettre à toutes les charges présentes sous la grille du transistor de transfert M4 de s'écouler vers le noeud de lecture S avant que le potentiel du canal du 5 transistor de transfert M4 n'atteigne le niveau de référence, par exemple 0 volt. Le phénomène de retour de charges vers la photodiode D2 est alors supprimé. On cherche à obtenir une valeur de Td maximale d'environ 0.5gs et de préférence d'environ 0.2gs. Pour cela, on peut choisir VTI égal à 3.5 V, VTL égal à 0 10 V, et CL égal à plusieurs picofarads.
La figure 6 représente un chronogramme des signaux RD, RST et T de la cellule photosensible de la f igure 1 recevant un signal de commande de transfert T fourni par le circuit de commande de la f igure 5. La durée Td peut être ajustée par 15 l'intensité Id du courant fourni par la source de courant I. La source de courant I peut être réalisée de toute façon connue,
par exemple, par un miroir de courant.
La figure 7 représente un second mode de réalisation du dernier étage du circuit de commande fournissant le signal T. 20 Par rapport au circuit de la figure 5, le circuit selon le second mode de réalisation comprend une seconde source de courant constant I' fournissant un courant d'intensité Id' et disposée entre le drain du transistor M5 et la source de la tension de niveau haut VTH. La seconde source de courant 25 constant I' permet d'assurer une transition à pente constante
d'une durée Td' du signal T entre le niveau bas VTL et le niveau haut VTH. La durée Td' est donnée par une relation similaire à l'expression de la durée Td, dans laquelle l'intensité du courant Id est remplacée par l'intensité du courant Id' fourni 30 par la source à courant constant I'.
De préférence, les sources de courant I, I' fournissent des courants de mêmes intensités de sorte que les durées Td et Td' sont égales. Ceci permet d'obtenir des fronts montants et descendants symétriques du signal T et de supprimer des effets de couplage indésirables qui peuvent apparaître avec
le circuit de commande de la figure 5.
Selon une variante de l'invention non représentée, le circuit de commande peut fournir un signal de commande de 5 transfert T qui présente lors du passage du niveau haut vers le niveau bas un palier ou plusieurs paliers intermédiaires à des niveaux constants intermédiaires entre les niveaux hauts VTr et bas VTL. Le niveau intermédiaire et la durée du palier sont fixés de façon à assurer un transfert complet des charges de la 10 photodiode D2 vers le noeud de lecture S. Le niveau
intermédiaire est tel que le potentiel du canal du transistor de transfert de charges M4 est inférieur à VD pour laisser le temps aux charges présentes sous le transistor M4 de partir vers le noeud de lecture S. Un palier peut être également prévu lors de 15 la transition du signal T entre le niveau bas et le niveau haut.
Selon une variante de l'invention non représentée, le circuit de commande peut fournir un signal de commande de transfert T qui présente lors du passage du niveau haut vers le niveau bas une ou plusieurs portions à pente constante non 20 nulle, les portions à pente constante pouvant être prévues entre
le niveau haut et un niveau intermédiaire aux niveaux haut et bas, entre un niveau intermédiaire aux niveaux haut et bas et le niveau bas, ou entre un premier niveau intermédiaire aux niveaux haut et bas et un second niveau intermédiaire aux niveaux haut 25 et bas inférieur au premier niveau intermédiaire.
Selon une variante de l'invention non représentée, le signal de commande de transfert T peut présenter lors du passage du niveau haut vers le niveau bas une succession de portions à
pente constante non nulle et de portions à pente nulle.
Selon une variante de l'invention non représentée, le signal de commande de transfert T peut présenter lors du passage du niveau haut vers le niveau bas une ou plusieurs portions à
pente non constante variant selon une loi déterminée.
Selon une autre variante de la présente invention, deux circuits de commande fonctionnant de manière identique peuvent être disposés aux deux extrémités de la ligne L. Bien entendu, la présente invention est susceptible de 5 diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le drain du second transistor MOS de lecture M3 peut être connecté au rail d'alimentation Vdd, et la source du second transistor M3 peut être connectée au drain du premier transistor de lecture M2. La source du premier tran10 sistor de lecture M2 est alors connectée à la borne d'entrée P
du circuit de traitement. Le fonctionnement d'une telle cellule photosensible est semblable à ce qui a été décrit précédemment.
En outre, l'invention a été décrite dans le cadre d'une cellule photosensible dans laquelle quatre transistors MOS sont associés 15 à une photodiode. Toutefois, la présente invention peut s'appliquer à des cellules photosensibles dans lesquelles certains des transistors MOS, notamment les transistors de lecture M2 et M3 et le transistor de précharge Ml, sont mis en commun entre plusieurs photodiodes. De plus, dans la présente 20 invention, certains desdits transistors de type N peuvent être remplacés par des transistors de type P en modifiant en
conséquence les signaux de commande de grilles associés.
Claims (9)
1. Dispositif de commande d'une cellule photosensible comprenant une photodiode (D2) adaptée à se décharger dans un noeud de lecture (S) par l'intermédiaire d'un transistor MOS de transfert (M4), ledit dispositif étant adapté à fournir un 5 signal de commande (T) de la grille du transistor MOS de transfert à un premier niveau (VTL) pour lequel le transistor MOS de transfert est bloqué ou à un second niveau (VTH) pour lequel le transistor MOS de transfert est passant, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour fournir un signal de 10 commande de transition entre le second niveau et le premier
niveau de pente moyenne déterminée.
2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant un transistor MOS d'un premier type de conductivité (M5) relié à une source de tension au second niveau (VTH) et à une ligne de 15 commande (L), ladite ligne de commande étant reliée à la grille
du transistor MOS de transfert (M4) et un transistor MOS d'un second type de conductivité (M6) relié à ladite ligne de commande et à une borne d'une source de courant constant (I), l'autre borne de ladite source de courant constant étant reliée 20 à une source de tension au premier niveau (VTL).
3. Dispositif selon la revendication 2, comprenant en outre une source de courant constant (I') disposée entre le transistor du premier type de conductivité (M5) et la source de
tension au second niveau (VTH).
4. Dispositif selon la revendication 2, les grilles des transistors des premier et second types de conductivité (M5,
M6) reçoivent un signal binaire (C).
5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le signal de commande (T) est fourni simultanément aux grilles des 30 transistors de transfert (M4) de plusieurs cellules photosensibles.
6. Procédé de commande d'une cellule photosensible, comprenant une photodiode (D2) adaptée à se décharger dans un noeud de lecture (S) par l'intermédiaire d'un transistor MOS de transfert (M4), consistant à fournir à la grille du transistor MOS de transfert un signal de commande (T) à un premier niveau (VTL) pour bloquer ledit transistor de transfert ou à second niveau (VTH) pour rendre passant ledit transistor de transfert, 5 caractérisé en ce qu'il consiste à fournir, lors de la transition du second niveau vers le premier niveau, un signal de
commande de pente moyenne déterminée.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le
signal de commande (T) est un signal à pente finie non nulle 10 entre le second niveau (VTH) et le premier niveau (VTL).
8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le signal de commande (T) comprend un palier à pente nulle intermédiaire entre le second niveau (VTH) et le premier niveau
(VTL).
9. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la durée (Td) de ladite transition du signal de commande (T) du second niveau (VTH) vers le premier niveau (VTL) est supérieure
à 50 ns.
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