Courant d'obscurité

La sortie du CCD est proportionnelle à l'exposition, où ER est l'éclairement à la surface du Capteur CCD et le temps d'intégration. Le signal de sortie peut être amélioré en augmentant le temps d'intégration ... et des temps d'intégration longs sont généralement utilisés pour les applications à faible niveau lumineux. Toutefois, cette approche est vite limitée par la génération de courant d'obscurité, qui est intégré tout comme le photocourant. Le courant d'obscurité s'exprime en densité de courant [A/m2] ou en électron/pixel/seconde [e-/pix/s] (Fig.15). Pour un grand pixel (24 x 24µm2), on peut atteindre une densité de courant d'obscurité de 1000pA/cm2, qui produit 36000électrons/pixel/seconde. Si le système a une capacité à puits plein (FWC) de 360000électrons, le puits est rempli en 10 secondes. Le courant d'obscurité est seulement appréciable lorsque est grand. Ceci peut être le cas dans des applications scientifiques à bas niveau lumineux (étude de plasmons, photoémission, matériau peu réfléchissant, astronomie ...).

Un paramètre critique du design du chip sera de réduire sensiblement le courant d'obscurité. Il y a trois sources potentielles de courant d'obscurité:

• génération thermique et diffusion dans le matériau neutre (bulk),

• génération thermique dans la zone de déplétion,

• génération thermique due aux états de surface.

Les densités de courant d'obscurité varient de manière significative avec les fabricants et dans une gamme comprise entre 0,1nA/cm2 à 10nA/cm2 pour les CCD à base silicium. Le courant d'obscurité dû à la génération thermique d'électrons peut être résolu en refroidissant le système. En principe, la densité de courant d'obscurité peut être rendue négligeable grâce à un refroidissement suffisant. La densité de courant d'obscurité décroît approximativement d'un facteur deux pour chaque diminution de 7 à 8°C de la température de la matrice, et inversément. Le refroidissement est surtout prépondérant lors d'applications scientifiques à bas niveau lumineux où l'on désire une précision élevée sur le niveau de charge des différents puits (niveau de gris). Les refroidisseurs thermoélectriques, TEC (« ThermoElectric Cooling »), sont des systèmes Peltier pilotés par un courant électrique qui pompe la chaleur du CCD vers un radiateur. Le radiateur est refroidi à l'air (pulsé ou non), ou par un liquide en circulation (eau, azote liquide ...).

Comme l'azote liquide est à une température de -200°C, la température de travail optimale est comprise entre -60°C et -120°C car l'efficacité de transfert de charge (CTE: fiabilité à transférer la charge de site en site) et l'efficacité quantique diminuent à des températures inférieures. La condensation est un problème et les matrices doivent être placées dans une chambre basse pression ou une chambre remplie d'une atmosphère sèche. Le courant d'obscurité peut approcher 3,5electrons/pixel/seconde à -60°C et 0,02electrons/pixel/heure à -120°C.

L'amplificateur de sortie dissipe continuellement de la chaleur. Il en résulte une chauffe locale du chip en silicium. Pour minimiser cet effet, les amplificateurs de sortie sont le plus souvent séparés par plusieurs pixels d'isolation pour isoler localement l'amplificateur par rapport aux autres pixels actifs.