Capteur d'image fabriqué en technologie CMOS, avec un circuit d'amplification par pixel. Faible consommation et intégration possible des circuits périphériques ; standard des caméras de smartphones.
Nom japonais: CMOSイメージセンサー
« Capteur d'image CMOS » apparaît dans 8 questions d'entraînement réparties sur 1 thèmes, dont Capteurs d'images et composants optiques.
La photodiode de chaque pixel absorbe la lumière et collecte des électrons proportionnellement à l'exposition ; le rendement quantique en lumière visible est typiquement d'environ 50 à 80 %. Dans le pixel courant à quatre transistors (4T), un transistor de transfert déplace cette charge vers un petit nœud appelé diffusion flottante (FD), un amplificateur suiveur de source (source follower) recopie la tension de la FD sur une ligne de colonne, un transistor de sélection connecte la rangée, et un transistor de réinitialisation vide la FD. Le gain de conversion vaut q/C_FD, soit environ 160 µV par électron pour un nœud de 1 fF. Des pixels voisins partagent souvent la FD et les transistors de lecture pour gagner de la surface.
Les états d'interface à la surface silicium/oxyde génèrent du courant d'obscurité. La photodiode pincée (pinned photodiode) enterre la région de collecte de type n sous une couche de surface p+ fortement dopée, qui remplit ces états de trous et supprime ce courant. La région enterrée se déplète aussi complètement, si bien que le transfert de charge est total, ce qui évite la rémanence d'image (image lag). La lecture utilise le double échantillonnage corrélé (CDS) : la FD est échantillonnée juste après la réinitialisation puis de nouveau après le transfert, et la différence élimine le bruit de réinitialisation kTC et l'offset de l'amplificateur, ramenant le bruit de lecture à quelques électrons ou moins. Des CAN parallèles par colonne numérisent ensuite le signal sur la puce.
Dans un capteur éclairé par la face avant (FSI), la lumière doit passer entre les couches d'interconnexion métalliques avant d'atteindre la photodiode, ce qui fait perdre de l'intensité et de la tolérance angulaire. Un capteur éclairé par la face arrière (BSI) amincit la plaquette à quelques micromètres et reçoit la lumière par le côté opposé aux interconnexions, ce qui maintient une sensibilité élevée pour des pixels d'environ 1 µm ; il est devenu la norme dans les caméras de smartphones. Les capteurs empilés vont plus loin en collant la plaquette de pixels sur une plaquette logique séparée qui porte les CAN et le traitement d'image. Des substrats de silicium épitaxial sont utilisés pour obtenir des régions de pixels à faible densité de défauts.
Un dispositif à transfert de charge (CCD) déplace les paquets de charge à travers la puce jusqu'à un amplificateur de sortie unique, ce qui exige plusieurs tensions d'horloge et davantage de puissance. Un capteur d'image CMOS amplifie dans chaque pixel et lit les rangées via des circuits de colonne : il consomme moins, lit plus vite et intègre la génération des signaux de synchronisation, les CAN et le traitement sur la même puce. La lecture rangée par rangée provoque une distorsion des mouvements rapides due à l'obturateur roulant (rolling shutter), que les pixels à obturateur global (global shutter) évitent grâce à un stockage dans le pixel. Les pixels à double gain de conversion commutent une capacité de FD supplémentaire pour couvrir aussi bien les scènes sombres que lumineuses.
Réponse : A. La photodiode
Dans le pixel d'un capteur d'image, la photodiode absorbe la lumière pour créer des paires électron-trou et accumule pendant l'exposition une quantité d'électrons proportionnelle à la lumière. Dans un capteur d'image CMOS, cette charge est convertie en tension par les transistors du pixel puis lue. La proportion d'électrons produits par photon (rendement quantique) est d'environ 50 à 80 % dans le visible. La LED convertit l'électricité en lumière, la diode Zener sert à la régulation de tension.
Réponse : B. La lumière atteint la photodiode sans traverser les couches d'interconnexion, ce qui facilite l'augmentation de la sensibilité
Dans un capteur à éclairage par la face avant, la lumière traverse les interstices des nombreuses couches d'interconnexion situées au-dessus de la photodiode et se trouve masquée ou réfléchie par les interconnexions. Le capteur rétroéclairé amincit la plaquette à quelques µm et fait entrer la lumière par le côté opposé aux interconnexions, ce qui capte efficacement la lumière et améliore la tolérance aux rayons obliques. Commercialisé par Sony en 2009, il assure la sensibilité même avec des pixels fins d'environ 1 µm et est devenu la norme des caméras de smartphones.
Un CCD déplace la charge à travers la puce jusqu'à un amplificateur de sortie commun, tandis qu'un capteur d'image CMOS convertit la charge en tension dans chaque pixel et la lit rangée par rangée. Les capteurs CMOS consomment moins et intègrent CAN et logique, ce qui explique leur domination dans les téléphones et la plupart des appareils photo.
BSI signifie back-side illumination (éclairage par la face arrière) : la plaquette est amincie et la lumière entre par l'arrière, si bien qu'elle atteint les photodiodes sans traverser les couches d'interconnexion métalliques, ce qui améliore la sensibilité des petits pixels.
Il lit la diffusion flottante une fois après la réinitialisation et une fois après le transfert de charge, puis soustrait les deux valeurs. Le bruit de réinitialisation (kTC) et les offsets de l'amplificateur apparaissent dans les deux échantillons et s'annulent, ne laissant que le vrai signal.
Dans un capteur d'image CMOS, cette charge est convertie en tension par les transistors du pixel puis lue.
Dans chaque pixel d'un capteur d'image CMOS, quel composant…Le capteur d'image CMOS dispose d'un transistor d'amplification par pixel et se fabrique en procédé CMOS standard ; les convertisseurs analogique-numérique et circuits de traitement d'image s'intègrent donc facilement sur la même puce ou sur une puce empilée, avec une basse tension, une faible consommation et une lecture rapide.
Quel est l'atout général du capteur d'image CMOS par rappor…Photodiode Photodiode enterrée (pinned photodiode) Rendement quantique Diode Zener Éclairage par la face arrière (BSI) Capteur d'image CCD CMOS Obturateur déroulant (rolling shutter) Obturateur global (global shutter) États d'interface