Analyse et modélisation de la collection de charges dans les capteurs d'images CCD et CMOS : application à l'évaluation de la fonction de transfert de modulation et de l'efficacité de collection

Other literature type French OPEN
Djité, Ibrahima (2011)
  • Subject: CCD | Capteurs d'images CMOS | Capteurs à pixel actif (APS) | Fonction de transfert de modulation (FTM) | Rendement quantique (QE) | Crosstalk (CTK) | 621 | CCD image sensors | CMOS image sensors | Active pixel sensors (APS) | Modulation transfer function (MTF) | Quantum efficiency (QE) | Pixel response function (PRF) | CIS

L'utilisation des capteurs d'images CCD et CMOS dans le domaine spatial requiert des performances électro-optiques élevées, mais aussi une capacité à pouvoir les prédire en amont de leurs conceptions. La Fonction de Transfert de Modulation (FTM) et l'efficacité de collection ou Rendement Quantique lnterne (IQE) sont deux critères de qualité qui permettent de quantifier leurs performances en termes de sensibilité et de qualité d'images respectivement. Le but de cette thèse est de proposer un modèle de FTM et d'lQE permettant la prédiction des performances des capteurs. Pour cela un premier travail a consisté à réaliser une analyse des modèles existants et leur domaine de validité. Les études menées sur la FTM et l'lQE ont montré l'importance de pouvoir modéliser la Fonction de Réponse du Pixel (PRF). Celle-ci contient à la fois les informations de crosstalk (CTK), de FTM et d‘lQE. Un nouveau modèle d'analyse de la collection de charges sous éclairement ponctuel a été proposé permettant de dériver des formulations analytiques de FTM, d'lQE et de CTK. Les résultats des modèles de FTM et d‘lQE ont été comparés avec des résultats expérimentaux et montrent une bonne corrélation avec les mesures notamment aux longueurs d'ondes du proche lnfrarouge. Afin de comparer le modèle de CTK avec des résultats expérimentaux, des structures de test et un banc de mesure de CTK ont été conçus. Le modèle de CTK a été comparé avec des simulations et avec des mesures et sont en bonne corrélation. Cette thèse apporte un nouvel élément dans l'élaboration d'un modèle de prédiction de la FTM et du QE des capteurs d'images qui permettra de dégager des voies d‘amélioration de ces paramètres. Today CCD and CMOS image sensors have found many applications in general public domains. However their use for space applications requires high electro-optical performances and strong abilities to predict them prior -the image sensor design. Sensitivity and image quality are two important electro—optical characteristics for an image sensor. The collection efficiency or internal Quantum Efficiency (IQE) and the Modulation Transfer Function (MTF) are respectively the common metrics used to quantify them. The purpose of this PhD thesis is to develop a model of MTF and IQE in order to predict the sensors performances. The first task was to perform an analysis of existing models and their domain of validity. Studies on the MTF and IQE have pointed out the need to model the Pixel Response Function (PRF). This parameter both gives information on the inter-pixel crosstalk (CTK), the MTF, and on the IQE. A new PRF model has been developed using a point-source illumination. Then the analytical formulations of MTF, IQE and inter-pixel CTK have been directly derived from the PRF expression. The MTF and IQE models have been compared with experimental results and present a good correlation with measurements. ln order to compare the CTK model with experimental results, test structures and a dedicated test bench have been designed. The CTK model has been compared with experimental results and with simulations. The model presents good correlation with the measurements and the simulations. The work done in this thesis brings a new element in the development of a model to predict the MTF and QE of image sensors that will allow finding the ways to improve these characteristics.
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