Compréhension des mécanismes physiques à l'origine des dégradations électriques extrêmes des pixels dans les capteurs d'images irradiés

par Marie-Cécile Ursule

Thèse de doctorat en Photonique et systèmes optoélectroniques

Sous la direction de Christophe Inguimbert et de Thierry Nuns.

Le président du jury était Bénédicte Escudier.

Le jury était composé de Christian Poivey.

Les rapporteurs étaient Jean-Luc Autran, Laurent Dusseau.


  • Résumé

    Les capteurs d'images sont utilisés dans diverses applications spatiales : observation spatiale, calcul d'attitude etc. Ces capteurs évoluent dans l’environnement spatial dont les rayonnements entraînent une dégradation de leurs performances. Parmi les paramètres impactés, nous nous intéressons au courant d'obscurité des pixels. Ce courant parasite correspond à la génération de porteurs de charges sans lumière par simple excitation thermique, induisant l'augmentation du bruit de fond des images. Les pixels fortement dégradés sont particulièrement pénalisants pour les missions spatiales. Cet effet pousse donc la communauté spatiale à développer des méthodes de prédiction performantes. L'ONERA a développé une méthode originale de prédiction des courants d'obscurité basée sur la méthode de Monte Carlo et la librairie GEANT4. L’objectif de la thèse est d’améliorer la prédiction de l’outil. Dans un premier temps, nous avons modifié l'outil numérique pour des cas extrêmes de modélisations pour lesquels les modélisations Monte Carlo sont trop longues. Pour cela, nous avons développé des méthodes utilisant des simplifications statistiques. Dans un second temps, nous avons étudié l’influence de la géométrie du pixel sur le courant d'obscurité. L’idée est de suivre les cascades de dégradations générées par les particules spatiales et de déterminer si ces cascades restent confinées au sein du pixel impacté ou si elles se propagent dans les pixels voisins. Enfin, nous avons élaboré dans notre outil un modèle simulant les mécanismes liés au champ électrique potentiellement responsables des dégradations les plus élevées, les effets Poole-Frenkel et tunnel assisté par phonons.

  • Titre traduit

    Understanding of physical mechanism causing extreme electrical degradation in pixels of irradiated imager


  • Résumé

    Image sensors are used in various space applications: space and earth observations, attitude calculation etc. Those sensors are very sensitive to the space environment whose radiations lead to a degradation of their performances. Among the different impacted parameters, we are interested in the increase of dark current in the pixels. This parasitic current is caused by the thermal generation of charge carriers without any light excitation inducing the increase of the background noise on the images. Some pixels exhibiting the highest degradation are particularly disadvantageous for space missions. They can be critical for some missions and impose to the space community to develop effective prediction methods. ONERA developed an original method to predict dark current induce by the space radiations, based on a Monte Carlo method and the GEANT4 library. The objective of the PhD is to improve the performances of the tool. The approach of this work is first to modify the numerical tool for extreme cases of modelling (i.e. high fluencies or huge pixel volume) for which the Monte Carlo simulations are too long. In order to reduce this computation time, we developed calculation methods using statistical simplifications. In a second part, we studied the influence of the pixel geometry on the dark current. The idea is to follow the degradation cascades created by space particles and to determine if those cascades are contained in the impacted pixel or if they reach neighbor pixels. Finally, we modelled in our tool the physical mechanisms potentially responsible of the highest degradations linked to the electric field, the Poole-Frenkel effect and the phonon assisted tunneling.


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