Le capteur CCD (1)
Silicium et semi-conducteurs...

INTRODUCTION

Première question : c'est quoi ce sigle barbare "CCD" ? Hé bien c'est du grand breton : "Charged Coupled Device". Vous n'êtes pas convaincu ? En français ça se traduit par "Dispositif à Transfert de Charges", ce qui veut dire qu'on donne l'occasion à des électrons de faire du saute-moutons sur un bout de métal : plus prosaïquement on les transfère (vu comme ça, c'est simple, l'électronique...).

Deuxième question : ça ressemble à quoi, ce truc ? Pour la caméra, c'est une espèce de boîte de conserve noire avec un tube à fixer au télescope, et puis deux / trois prises histoire de relier le tout à un PC (des fois qu'il s'ennuie, le pauvre). Voilà, rien qu'en sachant ça et en appuyant sur quelques boutons vous pouvez prendre vos première images. Mais bon, comme on n'est pas du genre à utiliser une boîte sans lui ouvrir les tripes, on va essayer d'aller plus loin et de comprendre ce qu'il s'y passe.

Et justement, l'élément essentiel de la caméra est une petite puce électronique, d'à peine plus d'une dizaine de millimètres de côté : c'est le capteur CCD, dont la surface de silicium est divisée en un tas de petits carrés (les "cellules"), qui formeront chacun un point plus ou moins gris (un "pixel") sur l'image finale !

Dans ce qui va suivre, nous allons laisser libre cours à nos instincts les plus bestiaux pour éventrer, décortiquer, désosser ce capteur et lui faire avouer, enfin, ses secrets les plus intimes...

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PROPRIÉTÉS DES SEMI-CONDUCTEURS

Pour commencer, nous allons nous intéresser au constituant essentiel du capteur CCD, le silicium.

Comme vous le savez sans doute, la matière est constituée d'atomes. Un atome se compose d'un noyau, qui regroupe l'essentiel de la masse et est chargé positivement, et de petites particules chargées négativement, les électrons, qui tournent autour du noyau.

On caractérise le matériau en fonction de la tendance plus ou moins baladeuses des électrons : si ceux-ci sautent joyeusement sans hésiter d'atome en atome, on a affaire à un conducteur ; si au contraire les électrons restent sagement à tourner en rond toujours autour du même atome, il s'agit d'un isolant.

Entre ces deux grandes classes, on trouve des corps ayant des propriétés intermédiaires, c'est à dire que si on laisse leurs électrons tranquilles ils ne bougent pas de leur orbite initiale, mais si on leur donne une légère poussée ils sont prêts à aller voir du pays : ces matériaux sont appelés semi-conducteurs.

Voilà qui nous intéresse fortement, car la lumière que nous collectons à grand-peine dans nos télescope se décompose en petits grains d'énergie, les photons ; et lorsqu'un photon percute un électron, il lui donne justement une petite poussée qui dans le cas d'un semi-conducteur peut suffire à l'arracher à l'attraction du noyau... Mais comme rien n'est parfait en ce bas monde, il peut aussi arriver que l'électron ait un petit coup de chaleur et s'en aille tout seul comme un grand sans qu'on lui ait rien demandé (c'est ce qu'on appelle l'agitation thermique, plus il fait chaud et plus les particules ont tendance à se trémousser follement).

Ce qui suit est un peu technique. Si les propriétés intimes de la matière ne sont pas votre fort, vous pouvez passer directement à la page suivante.

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SEMI-CONDUCTEURS, SUITE...

Nous allons à présent étudier notre plaquette de silicium plus en détails.

En résumé, un semi-conducteur est un matériau qui conduit l'électricité à température ambiante, mais moins aisément qu'un métal conducteur. Aux basses températures, les semi-conducteurs purs se conduisent comme des isolants. A des températures élevées, ou en présence d'impuretés ou de lumière, la conductivité des semi-conducteurs s'accroît fortement, pouvant même devenir comparable à celle des métaux.

Le silicium : un empilement d'atomes...

Que se passe-t-il exactement à l'échelle atomique ? Dans un solide cristallin (dans notre cas un empilement d'atomes de silicium), les électrons se répartissent autour des atomes en fonction de leur énergie, qui ne peut prendre que des valeurs bien précises ; en fait c'est comme si l'électron jouait à la marelle, il fait des sauts pour passer de niveau d'énergie en niveau d'énergie mais ne peut se trouver entre deux cases. Concrètement, les différentes orbites autour d'un noyau correspondent chacune à un niveau d'énergie précis, les premiers électrons arrivés occupant les orbites les plus proches du noyau et les plus stables. Mais, pour les propriétés conductrices, on ne s'occupe que des électrons les plus "mobiles", à savoir ceux situés sur l'orbite la plus loin du noyau : ce sont les électrons périphériques...

L'atome de silicium et ses 4 électrons périphériques

Dans notre semi-conducteur, l'état solide suppose que les atomes sont étroitement liés les uns aux autres. Un peu comme deux être humains se tiennent par la main, deux atomes utilisent leurs membres les plus externes, c'est à dire leurs électrons périphériques, pour former une liaison. Ainsi nos deux atomes mettent en commun deux électrons périphériques (un chacun) pour former une liaison dite covalente : ces liaisons assurent la cohésion du métal. Mais, revers de la médaille, ces électrons sont pas libres de transporter le courant électrique. Ainsi, en l'absence totale d'agitation thermique (c'est à dire au zéro absolu ou à -273 °C), tous les électrons périphériques sont sagement occupés à former des liaisons ; il ne reste donc personne pour former un courant électrique ! Ce monocristal ("cristal" pour "empilement régulier d'atomes", "mono" pour "un seul type d'atomes") constitue un semi-conducteur intrinsèque.

Au zéro absolu, tous les électrons périphériques sont occupés à former des liaisons

Dans ce semi-conducteur intrinsèque (c'est à dire dépourvu de toute impureté), l'énergie nécessaire pour arracher un électron périphérique à son orbite est relativement faible (pour quantifier, de 0,6 à 1,5 eV en général [eV pour électronvolt, unité de mesure physique], 1,12 eV pour le silicium). A température ordinaire, du fait de l'agitation thermique, certaines liaisons covalentes peuvent donc se rompre, rendant mobiles certains électrons. Chacun de ces électrons laisse une place vide, que l'on peut décrire comme une particule fictive, appelée trou, de charge positive.

L'électron libre va parcourir le silicium en laissant un "trou" autour de son atome-mère

Le matériau est devenu conducteur de l'électricité, la conduction étant due au déplacement de deux types de particules : les électrons "libres", bien sûr, mais aussi les "trous" autour des atomes ; en effet, le "trou" peut se déplacer de proche en proche en étant comblé par un électron d'un atome voisin... ce qui créera un nouveau trou autour dudit atome ! Mais cette conductivité est encore faible : à 27 °C, le silicium est encore 29 400 000 000 fois moins conducteur que le cuivre...

Pour augmenter la conductivité, on va donc « doper » le semi-conducteur. Les atomes de silicium possèdent 4 électrons périphériques ; on va alors injecter dans le silicium pur des atomes à 3 électrons périphériques (bore, aluminium, gallium, indium), appelés atomes accepteurs. On forme ainsi un semi-conducteur extrinsèque.

Atome accepteur (qui n'a donc en temps normal que 3 électrons périphériques)

Il manque maintenant un électron pour assurer la liaison covalente entre le nouvel atome injecté et les atomes voisins du semi-conducteur. Cet électron est facilement capté (c'est à dire piqué à un voisin), et l'atome injecté devient donc un ion négatif (un ion est un atome qui a perdu ou gagné des électrons : un ion négatif est un atome qui a capté un ou plusieurs électrons, tandis qu'un ion positif en a perdu). L'atome du semi-conducteur qui a fourni l'électron est quant à lui devenu un ion positif. Évidemment, ça le met de mauvaise humeur, et il va lui aussi chercher à prendre un électron à l'un de ses proches voisins pour redevenir neutre. La charge positive se déplace donc de proche en proche dans le silicium, et son déplacement est grandement facilité par la présence des "atomes accepteurs" qui rendent le semi-conducteur moins impénétrable...

L'atome accepteur va faciliter le passage des charges à travers le silicium

L'augmentation de la conductivité du semi-conducteur est très intéressante pour nous car elle va nous permettre de détecter plus facilement les électrons voyageurs expulsés de leur orbite par l'arrivée d'un photon... Concrètement, le dopage du silicium peut permettre de multiplier la conductivité par 10 000 par rapport au semi-conducteur intrinsèque.

Précisément, quels sont les photons que l'on va pouvoir détecter ? En effet, pour transformer un électron périphérique en électron libre, le photon doit apporter une certaine énergie. Or l'énergie du photon dépend de sa couleur : par conséquent, les photons qui ne seront pas assez énergétiques ne seront pas détectés !

L'énergie apportée par un photon dépend directement de sa longueur d'onde L : cette énergie vaut h c / L, où h est un nombre fixé une fois pour toutes et appelé constante de Plank, et où c est la vitesse de la lumière.

Revenons au silicium et appelons W l'énergie requise par l'électron pour passer du stade d'électron périphérique à celui d'électron libre. Le photon doit donc avoir une énergie supérieure à W, c'est à dire ( h c / L ) > W.
Soit en terme de longueur d'onde dans le vide : L < (h c / W).
donc pour le silicium : L < 1,1 µm (1,1 millième de millimètre).
Le silicium est donc susceptible d'absorber les longueurs d'onde jusqu'à l'infrarouge proche du visible. Autrement dit, seuls les photons de fréquence supérieure à l'infrarouge proche apporteront suffisamment d'énergie pour permettre la création d'une paire électron-trou. Le silicium n'est donc absolument pas sensible aux ondes radio ; mais rassurez-vous, il est tout à fait performant dans le domaine visible !
Dans la pratique, l'absorption sera également limitée dans le domaine de l'ultraviolet à cause de l'écran créé par les électrodes de polarisation (cf. § suivant).

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