My Ph.D Thesis page (mostly in french)


I carried out my Ph.D Thesis jointly at SUPAERO (Toulouse) and Thomson TSC CCD dept., (Grenoble) from June 1995 to June 1998. It was a Ciffre Ph.D Thesis, meanning that industrial partenership had been settled between SUPAERO and Thomson. Since I was paid by Thomson and the french government, my Ph.D manuscript was classified for non disclosure, lasting 2 years after I defended my PhD.

In 2000, my Thesis Manuscript became available for public release.


My papers :


Thesis summary

The CCD (Charge Coupled Device) became the best image sensor : it's been used in most imaging applications due to performances close to perfection. Nevertheless, the continuous decrease of the minimum CMOS lithographie feature made possible the design of CMOS-APS image sensors (Active Pixel Sensor). The APS image sensor offers many ways to overcome CCDs drawbacks, by integrating inside the pixel features like photons to electrons detection area, the conversion from electrons to voltage node and reading circuits. Furthermore, the APS allows a random access to the pixel, no charge transfer is needed. Two kinds of pixels structures can be designed : the pre-load photodiode pixel (PD) and photomos pixel (PM). Theoritical models of the quantum efficiency , noise and detectivity of those pixels including extracted parameters from a 0.7µm CMOS design rule has been carried out. The results showed the PD pixel, despite it has intrisically a good quantum efficiency and higher fill factor, to be less sensitive than the PM pixel. The later hexibited a weaker readout noise (by the use of the CDS and intrisic higher conversion factor). The PM pixel is more suitable for low light level applications, and PD pixel is bound for large consumer market (still camera, color pictures). APS in-pixel signal amplification is achieved by a specific optimized circuit so as to keep suitable speed, noise and linearity performances : three kind of readout circuits were simulated and optimized to fullfil the requirements.

In the framework of this Thesis, 5 APS arrays were designed, 50µm down to 10µm pixel size PD and PM pixels were drawn using standard digital CMOS process (1.2µm, 0.7µm and 0.35µm design rules). The array size varies from 32x32 up to 160x512 pixels. Two testbench were developped so as to qualify them, including PCBs, optical test bench, data acquisition software and data processing software. The performances of these arrays were thoroughly measured/characterized and showed that the PD pixel hexibits a readout noise between 100e- and 500e- and a highly non-uniform dark current. This makes them suitable for low demanding applications. On the other hand, the PM pixels arrays has the same performances as a typical interline CCD: noise close to 15e- at 100Kpx/s, dynamic of 100Ke-, 20% quantum efficiency. The measurments are accordingly close to our simulations.

Furthermore, in the goal of APS parameters optimization, a test array including 16 pixel structure of various kind of PM and PD was undertaken. The use of CMOS sub-micronic (SM) design rules (<0.25µm) seems to be in favor to the APS. Nevertheless, to achieve such tiny design rules, strong physical changes had to be achieved that are able to geopardize APS performance capabilities. Care or requests for modifications related to SM technology must be taken into account. Finally, fully integration of a full camera on a single chip is a strong argument to proceed APS researchs : a complete system can be set in a single chip such as APS array itself, DSP, memory, ADC, a high performance readout chain. The APS arrays can be used for all kind of applications, except in the scientific domain, where still, the CCD fulfills much better to low light level and high dynamic requirements. As the scientific market is pretty small, it leaves to APS vast application fields and big production volume, with performances measured in this PhD Thesis.

Resume de these

Le CCD (Charge Coupled Device) est devenu le capteur d'images le plus utilisé dans de nombreux domaines d'applications d'imagerie grâce à des performances proches de la perfection. Cependant, la diminution de la lithographie CMOS rend possible la réalisation de capteurs d'images CMOS-APS (Active Pixel Sensor). Le capteur APS offre des solutions aux inconvénients du CCD, en intégrant dans son pixel, le système de détection des photons, de conversion et de lecture. De plus, l'accès au pixel d'un capteur APS est aléatoire. Les structures de pixels des APS se divisent en deux familles : les pixels photodiodes (PD) en mode précharge et les pixels photoMOS (PM).

Des simulations théoriques du rendement quantique, du bruit et de la détectivité de ces pixels, avec les paramètres technologiques (cmos0.7µm) ont été effectuées. Les résultats montrent que le pixel PD, bien qu'ayant un rendement quantique et un taux de remplissage du pixel bien plus important, est moins sensible que le pixel PM. Ce dernier possède un bruit de lecture faible (utilisation du CDS et facteur de conversion élevé).Le pixel PM est mieux adapté à des applications faibles flux, et le pixel PD vers des applications grand public (image couleur). L'amplification du signal, produit par le pixel APS, est réalisée par un circuit dont le dimensionnement fixe ses performances (vitesse, de bruit, linéarité…) : trois circuits de lecture ont été simulés et ont minimisé ces contraintes.

Dans le cadre de cette thèse, 5 matrices APS ont été réalisées, elles possèdent des pixels PD et PM (50µm-10µm) dessiné avec des technologies cmos (1.2µm, 0.7µm et 0.35µm). La taille de ces matrices varie de 32x32 pixels à 160x512 pixels.Deux bancs de test et de qualification ont été développes, aussi bien la partie de la carte lecture des APS, le banc optique, le logiciel d'acquisition et de traitement des données.

Les performances de ces matrices ont été mesurées à l'aide de ces moyens et ont montré que les pixels PD présentent un bruit de lecture entre 100 et 500e- et une non-uniformité élevé de courant thermique. Ceci les destine à des applications peu demandantes. Par contre, les matrices à base de pixels PM ont des performances aussi bonnes que celles de CCD interlignes : bruit de 15e- à 100Kpx/s, dynamique de 100Ke-, rendement quantique de 20%.

Les mesures (celles non dépendantes de la qualité "cosmétique" de la technologie) sont conformes à nos simulations. Ensuite, dans le but d’optimiser les performances des futurs capteurs APS, une matrice de test comprenant 16 structures de pixels PM et PD a été réalisée.

L'utilisation de technologies sub-microniques SM (<0.25µm) est, à priori, favorable aux APS. Cependant, ces technologies ont subi des changements physiques importants, et peuvent fortement dégrader les performances en détection des pixels de matrices APS. Des précautions ou des modifications sur ces technologies SM devront êtres prises en compte. Enfin, l’aspect intégration d’une caméra complète sur une puce est un argument important en faveur de l’APS : un système complet permet de réunir sur la même puce qu'un APS, des éléments comme un DSP, de la mémoire, un CAN, une chaîne de lecture performante.

Les matrices APS peuvent s'utiliser dans toutes les applications, sauf dans le domaine scientifique, où encore, le CCD répond mieux à cette demande. Comme le marché des applications scientifiques est assez restreint, cela donne aux matrices APS, au regard des performances décrites dans cette thèse, un domaine d’application vaste et à grand volume.


Ici vous pouvez telecharger la totalite de ma these au format PDF

Avant Propos : fichier pdf

Introduction de these : fichier pdf

1. Introduction

1.1 Un bref historique de la photographie

1.2 Vers les capteurs d'images numériques

1.3 Les performances des capteurs électroniques

1.4 Du CCD vers les capteurs CMOS APS

1.5 L'étude réalisée dans cette thèse

1.6 présentation du plan de thèse

 

Chapitre 1 : fichier pdf

1. Introduction

2. Principes fondamentaux des capteurs d’images dans le visible

2.1 Le principe de l’échantillonnage du capteur d'images

2.2 Le principe fondamental de détection dans le silicium

2.2.1 L'effet photoélectrique ou des photons vers des électrons

2.2.2 Sensibilité

2.2.3 Le coefficient d'absorption

3. Quelques capteurs d’images, vers le CCD et ses performances

3.1 Les capteurs d'images MOS-XY

3.2 Le CID

3.3 Ce que sont devenus ces capteurs

3.4 Introduction au capteur CCD

3.5 le principe

3.6 un aperçu des performances, vers l'imageur idéal ?

3.6.1 Le nombre et la taille des pixels CCD

3.6.2 Le rendement quantique

3.6.3 Le bruit de lecture, dynamique et vitesse de lecture

3.6.4 Le courant d'obscurité

3.6.5 Bilan

4. Un nouveau concept d'imageur: l'APS, et ses avantages par rapport au CCD

4.1 Introduction

4.2 Les inconvénients du CCD, résolvables par l'APS

4.2.1 L’efficacité de transfert du CCD et les problèmes inhérents aux transferts de charges.

4.2.2 Tenue aux radiations

4.2.3 Accès aléatoire

4.2.4 Facteur de remplissage (Fill Factor)

4.2.5 Intégration de la chaîne de mesure et de pilotage dans une même puce et consommation de puissance

4.2.6 Coût

5. Conclusions du chapitre I

 

Chapitre 2 : fichier pdf

 

1. Introduction

2. Les technologies CMOS pour la réalisation de capteurs d'images et présentation générale de l’architecture de matrices APS

2.1 Introduction

2.2 Critères de choix des technologies CMOS pour la conception de matrices APS

2.3 Présentation de l'architecture générale d'une matrice APS

3. Les différents types de pixels APS

3.1 Les pixels à base de photodiodes

3.1.1 le détecteur photodiode

3.1.2 le pixel photodiode en mode courant

3.1.3 le pixel photodiode en mode intégration

3.1.4 le pixel photodiode avec obturateur (ou shutter)

3.1.5 le pixel avec « Pinned » photodiode

3.2 Le pixel photogate ou photoMOS

3.2.1 principe de base

3.2.2 la structure photoMOS dans le pixel

3.2.3 fonctionnement

3.3 Les autres types de pixels

4. L'amplification du signal pixel

4.1 Position du problème

4.2 Solution adoptée : le suiveur NMOS

4.3 Dimensionnement des transistors dans le pixel

4.4 Dimensionnement et polarisation du transistor de charge

4.4.1 polarisation et linéarité

5. L'adressage des pixels

5.1 Décodeur à un niveau

5.2 Décodage des fonctions de la ligne de pixels

5.3 L'adressage totalement aléatoire

6. Les circuits de lecture

6.1 Circuit à deux capacités d'échantillonnage

6.1.1 principe et fonctionnement

6.1.2 le double delta sampling ou crow-bar

6.1.3 dessin ou « layout » du circuit de lecture

6.2 Circuit à deux capacités d'échantillonnage modifié

6.3 Circuit à une capacité d'échantillonnage

7. APS de grand format et à haut débit de lecture

7.1 L'adressage

7.2 Le système de lecture

8. Conclusion du chapitre II

Chapitre 3 : fichier pdf

1. Introduction

2. Etude sur le bruit de lecture d’un APS

3. Etude sur le rendement quantique

3.1 Cas du photoMOS

3.2 Cas de la photodiode

4. Etude du rapport signal à bruit sur un APS pour une technologie donnée en fonction du pas du pixel

4.1 Cas du pixel photodiode

4.2 Cas du pixel photoMOS

4.3 Vers des critères de choix entre le pixel photoMOS, photodiode et le pas du pixel.

5. les matrices de test réalisées

5.1 Matrice 32x32

5.2 Matrice 128x128

5.3 Matrice 256x256

5.4 Matrice 160x512

5.5 Matrice 128x128 avec pixels de tests.

6. les moyens de mesures

6.1 Les cartes d'acquisition électroniques

6.1.1 matrice 32x32

6.1.2 matrices 128x128, 256x256 et 128x128 pixels tests

6.2 Les moyens informatiques de mesure

7. Méthodes de mesures, résultats expérimentaux et comparaison des performances avec le CCD

7.1 Des images des matrices APS

7.2 Facteur de conversion

7.2.1 méthode de mesure

7.2.2 résultats et commentaires

7.3 Linéarité

7.3.1 méthode de mesure

7.3.2 résultats

7.3.3 Commentaires

7.4 Bruit de lecture

7.4.1 méthode

7.4.2 résultats

7.4.3 commentaires

7.5 Dynamique

7.5.1 méthode

7.5.2 résultats

7.5.3 commentaires

7.6 Uniformité de réponse photonique (PRNU)

7.6.1 méthode

7.6.2 résultats

7.6.3 commentaires

7.7 Courant d'obscurité moyen et DSNU

7.7.1 méthode

7.7.2 résultats

7.7.3 commentaires

7.8 Courant d'obscurité en fonction de la température

7.9 Fixed Pattern Noise (FPN) colonne

7.9.1 méthode

7.9.2 résultats

7.9.3 commentaires

7.10 Fixed Pattern Noise (FPN) colonne et pixel

7.11 FTM et diffusion latérale

7.11.1 quelques aspects théoriques

7.11.2 mesures

7.12 Rendement quantique (QE)

7.12.1 méthode

7.12.2 résultats et commentaires

7.13 Consommation de puissance

7.13.1 méthode

7.13.2 résultats

7.13.3 commentaires:

7.14 Optimisation et effet de la tension Vtx dans le photoMOS

7.14.1 méthode

7.14.2 résultats

7.14.3 commentaires

7.15 Mesures après irradiations des APS32x32

7.15.1 méthodes

7.15.2 résultats et commentaires

8. Conclusion du chapitre III

 

Chapitre 4 : fichier pdf

1. Introduction

2. Vers une optimisation des performances opto-electroniques du pixel APS

2.1 Conception d'une matrice de tests pour optimiser le pixel APS

2.1.1 Présentation générale d'une matrice avec des pixels de test

2.1.2 les pixels photodiodes

2.1.3 pixels photoMOS

2.1.4 Mesures à réaliser

2.1.5 Les règles des masques de la conception et l'optimisation du pixel

2.2 L'usage de microlentilles

3. L'emploi de technologies profondement sub-micronique pour la conception des APS

3.1 Taille du pixel et fill-factor

3.2 FTM

3.3 Rendement quantique

3.4 Nombre maximal de charges (Qmax)

3.5 Bruit

3.6 Intégration sur la puce APS de fonctions

3.7 Dissipation

3.8 Linéarité

3.9 Conclusion et remèdes pour compenser les pertes de performances dues aux technologies fines.

4. L'intégration de fonctions dans l'APS

4.1 Vue synoptique

4.2 Filtrage et préamplificateur

4.3 Le séquenceur

4.4 La mémoire

4.5 Le processeur central

4.6 Le convertisseur analogique numérique (CAN)

4.6.1 CAN pour une colonne.

4.6.2 CAN pour k colonnes (k>20).

5. Conclusion

 

Conclusion : fichier pdf

1. Conclusion générale


Par Cyril Cavadore 09/02/2003