Qu’est-ce qu’un pixel ? Quelle est sa structure ? Si vous avez ces questions, vous trouverez les réponses sur ce site. Si vous souhaitez en savoir plus sur l’ensemble du capteur d’image, n’hésitez pas à consulter les articles suivants, où toutes les informations sont détaillées.
Alors, qu’est-ce qu’un pixel ? En termes simples, un pixel est la partie du capteur qui convertit la lumière en charge électrique. Ce processus est appelé conversion photoélectrique. La zone entourée en rouge dans l’image ci-dessous représente un pixel. Un seul pixel permet de mesurer la luminosité d’un point donné. Lorsque plusieurs pixels sont organisés en une matrice, ils peuvent créer une image complète.
Il existe deux types de structures de pixels : le pixel à 3 transistors et le pixel à 4 transistors. Voici une explication de ces deux structures de pixels.
Structure du pixel à 3 transistors
Commençons par la structure du pixel à 3 transistors. Comme son nom l’indique, il utilise trois transistors pour constituer sa structure.
Les trois transistors qui composent cette structure sont le transistor de réinitialisation, le transistor de sélection de ligne et le transistor d’amplification. Le fonctionnement de base de cette structure de pixel est le suivant : lorsque la lumière frappe le photodiode (PD), une conversion photoélectrique génère des charges électriques. Ces charges sont stockées dans la photodiode, et la tension de la photodiode change en conséquence. Cette tension est ensuite lue par le circuit de suivi de source, et la valeur obtenue est appelée Vsig.
Ensuite, le transistor de réinitialisation est activé pour réinitialiser la photodiode, et la tension juste après la réinitialisation est lue pour obtenir Vrst. La différence entre ces deux signaux permet de supprimer le bruit à motif fixe (Fixed Pattern Noise).
Cependant, un problème de cette structure de pixel est que Vsig est acquis d’abord, puis Vrst est mesuré après. En conséquence, les deux signaux n’ont pas de corrélation directe, ce qui empêche la suppression efficace du bruit de réinitialisation.
Structure du pixel à 4 transistors
Dans la structure du pixel à 3 transistors, un problème majeur était l’incapacité à éliminer le bruit de réinitialisation. Pour résoudre ce problème, une nouvelle structure a été développée : le pixel à 4 transistors. Comme son nom l’indique, cette structure utilise quatre transistors.
Ce pixel ajoute à la structure à 3 transistors un portail de transfert (TX) et une couche de diffusion flottante (FD). Grâce à cette configuration supplémentaire, la structure à 4 transistors permet une gestion plus efficace du signal, y compris une meilleure suppression du bruit de réinitialisation.
Le fonctionnement de cette structure de pixel à 4 transistors commence par l’accumulation des charges de signal dans la photodiode (PD) à la suite de l’incidence de la lumière. Ensuite, les composants de bruit stockés dans la couche de diffusion flottante (FD) sont éliminés en activant le transistor de réinitialisation. La tension de la FD immédiatement après la réinitialisation est lue et appelée Vrst.
Ensuite, le signal stocké dans la photodiode (PD) est transféré à la couche de diffusion flottante en activant le portail de transfert (TX). Le changement de potentiel de la FD, dû à la charge du signal, est lu comme Vsig. En prenant la différence entre Vsig et Vrst, le signal final est obtenu, ce qui permet d’éliminer le bruit de réinitialisation. Contrairement à la structure à 3 transistors, où Vrst était acquis à partir du cadre suivant, la structure à 4 transistors permet de capturer Vrst avant Vsig, ce qui garantit que les deux signaux ont le même bruit de réinitialisation, facilitant ainsi son élimination par la différence.
En outre, cette structure à 4 transistors permet l’utilisation de photodiodes intégrées. Cette technique, initialement utilisée dans les capteurs CCD, a été adaptée aux capteurs CMOS, marquant une avancée majeure dans la réduction du bruit. Grâce à l’adoption de cette technologie, la génération de courant d’obscurité, qui se produisait sur la surface de la photodiode, a été réduite, ce qui a considérablement amélioré la réduction du bruit dans les capteurs d’image CMOS.
Résumé
Voici un résumé de l’article d’aujourd’hui.
Q. Qu’est-ce qu’un pixel ?
R. Il s’agit de la partie du capteur d’image qui effectue la conversion photoélectrique.
Q. Quelle est la différence entre un pixel à 3 transistors et un pixel à 4 transistors ?
R. Le pixel à 4 transistors ajoute un portail de transfert à la structure du pixel à 3 transistors. La différence réside dans la manière dont la tension est mesurée, soit directement depuis la photodiode (PD), soit après transfert vers la couche de diffusion flottante (FD).
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