# Capteur d’image à semi-conducteurs > Convertir la lumière en signaux électriques - Date: v. 1963 - Époque: Époque moderne - Domaine: [Optique & image](https://lastcodex.org/fr/domains/optics/) - Palier: V (Âge électrique) - Difficulté: 5/5 - URL: https://lastcodex.org/fr/inventions/image-sensor/ Un capteur d’image à semi-conducteurs convertit une répartition de lumière en signaux électriques, par des architectures développées dès le début des années 1960. Dans la variante CCD, les charges recueillies dans le silicium sont transférées vers une sortie analogique, dont la mesure peut ensuite être numérisée. ![Capteur d’image à semi-conducteurs · Convertir la lumière en signaux électriques](https://lastcodex.org/_astro/plate.BWXTvVZw_ZoKPsf.webp) ## Légende 1. Matrice photosensible de silicium 2. Transfert le long des colonnes 3. Registre de lecture série 4. Étage de sortie 5. Signal analogique de sortie ## Ce que c'est Un capteur d’image électronique transforme une répartition de lumière en signaux électriques. Dans un CCD, pour dispositif à transfert de charge, les zones photosensibles recueillent des charges qui représentent l’éclairement reçu pendant une durée d’exposition. Leur position dans le réseau permet de reconstituer la répartition spatiale. Les familles MOS et CCD organisent différemment la lecture. Dans un capteur MOS à pixels passifs, un transistor sélectionne la photodiode et transmet son signal à un circuit commun ; un pixel actif ajoute une fonction d’amplification locale. Dans le CCD, les paquets de charges sont déplacés dans le semi-conducteur jusqu’à la sortie. La lumière absorbée dans le silicium peut y créer des porteurs de charge. Des champs électriques permettent de collecter les électrons utiles. Le capteur conserve une mesure locale ; l’objectif qui forme l’image et le système qui l’enregistre remplissent d’autres fonctions. Le CCD produit d’abord des quantités analogiques. Un convertisseur analogique-numérique transforme leur mesure en valeurs numériques. Le capteur, sa lecture et la numérisation appartiennent à une chaîne : un signal électrique d’image peut aussi servir à de la vidéo analogique. ## Comment ça marche ![Une couche isolante sépare des grilles fixes du silicium, avec un paquet de charges représenté sous les grilles](https://lastcodex.org/_astro/v1.Dr7ltZip_19QGLL.webp) _Les tensions des grilles déplacent les zones de stockage électrique ; le silicium reste immobile._ Des électrodes isolées du silicium par un oxyde créent des puits de potentiel. Ces puits sont des zones où les charges peuvent être retenues par le champ électrique. Il n’y a pas de petits récipients creusés dans le cristal. Pendant l’exposition, les charges s’accumulent. Dans une architecture matricielle simple, la commande des électrodes déplace ensuite les paquets le long des colonnes vers un registre série. Celui-ci les présente successivement à l’étage de sortie, qui permet une mesure sous forme de tension. L’ordre de lecture conserve la position d’origine de chaque mesure. La réponse possède des limites. Un site peut saturer ; le courant d’obscurité ajoute des charges même sans lumière, et la lecture introduit du bruit. Le nombre de pixels ne suffit donc pas à décrire la qualité d’une image. ![Une mosaïque carrée de filtres rouge, verts et bleu placés sur des photosites en silicium](https://lastcodex.org/_astro/v2.CaX_-KNi_HDOM3.webp) _Une mosaïque de filtres sélectionne des couleurs avant la collecte des charges._ Des filtres colorés permettent de séparer des bandes du spectre. Avec une mosaïque de filtres, chaque photosite reçoit une partie de l’information colorée. Le traitement combine les mesures voisines pour reconstruire les couleurs. Dans un CCD plein cadre, la même surface reçoit la lumière et transfère ensuite les charges. La lecture doit se faire pendant une interruption de l’éclairement, par exemple avec un obturateur externe fermé, pour limiter l’ajout de signal pendant le déplacement. D’autres architectures réservent une zone de stockage ou des registres protégés à côté des photosites. ## Comment faire La fabrication d’un CCD utilise une tranche de silicium très pur, des régions dopées, des isolants, des électrodes et des liaisons métalliques. Les motifs sont formés par des procédés de microfabrication en salle propre. Dans une variante à métallisation d’aluminium, ce métal assure des connexions et masque les zones à protéger de la lumière. Le conditionnement permet ensuite d’utiliser la puce sans exposer ses couches fragiles. Pour comprendre la lecture, tracer un quadrillage sur papier et répartir des jetons dans les cases pour représenter différents éclairements. Commencer par la rangée inférieure, la faire entrer dans la bande de lecture, puis déplacer ses jetons vers la case de comptage à droite ; la case la plus à droite est lue en premier. Répéter vers le haut pour les rangées suivantes. Noter les valeurs dans l’ordre et replacer ces nombres dans un quadrillage identique. Ne pas décaper, chauffer ou casser une puce pour chercher ses pixels. ## Histoire et évolution Dès le début des années 1960, Paul Weimer explore chez RCA des capteurs à transistors en couches minces sur verre. En 1963, S. R. Morrison présente chez Honeywell des dispositifs à diodes diffusées dans le silicium, dont un dispositif de balayage et un localisateur de point lumineux. IBM présente le scanistor en 1964 : ses jonctions fournissent un signal lié à l’éclairement local. Ces dispositifs précèdent l’accumulation volontaire de charge dans les pixels. Les capteurs solides ont des antériorités au CCD. En 1967, Gene Weckler étudie l’accumulation du signal de photodiodes ; en 1968, Peter Noble décrit des réseaux de détecteurs en silicium avec lecture commandée et amplification dans le pixel. En 1969, aux Bell Labs, Willard Boyle et George Smith conçoivent le transfert de charges du CCD au cours de recherches sur les mémoires. Les notes initiales sont datées du 8 septembre. Les publications de 1970 et les développements de Michael Tompsett et de ses collègues conduisent à des applications d’imagerie. Les capteurs CMOS à pixels actifs suivent une autre organisation de lecture : une amplification locale intervient dans le pixel, avec des lignes et colonnes adressées. Au début des années 1990, l’équipe d’Eric Fossum au JPL développe cette voie pour des caméras compactes. Les transferts locaux présents dans certains pixels CMOS ne les transforment pas en matrices CCD. Les deux familles utilisent la conversion photoélectrique, avec des architectures différentes. ## Repères clés - Premiers dispositifs à semi-conducteurs: Vers 1963 - Conception du CCD: 1969 - Matériau photosensible du CCD: Silicium - Lecture du CCD: Transfert de charges - Sortie du CCD avant numérisation: Signal analogique ## Nécessite - [Circuit intégré](https://lastcodex.org/fr/inventions/integrated-circuit/): Des composants et leurs connexions sur une puce (1949) - [Aluminium](https://lastcodex.org/fr/inventions/aluminium/): L'alumine changée en métal par le courant (1886) ## Sources - [The Nobel Prize in Physics 2009: The masters of light, Information for the public](https://www.kva.se/app/uploads/2022/06/popfyen09.pdf), Royal Swedish Academy of Sciences - [Charge-coupled device: Innovation history](https://www.nokia.com/bell-labs/about/history/innovation-stories/charge-coupled-device/), Nokia Bell Labs - [Technical note: CCD image sensors, KMPD9002E](https://www.hamamatsu.com/content/dam/hamamatsu-photonics/sites/documents/99_SALES_LIBRARY/ssd/ccd_kmpd9002e.pdf), Hamamatsu Photonics - [CMOS Image Sensors: Electronic Camera On A Chip, IEDM 1995, Eric R. Fossum](https://ericfossum.com/Publications/Papers/CMOS%20Image%20Sensors%20Electronic%20camera%20on%20a%20chip%20IEDM.pdf), Eric R. Fossum / IEEE / JPL - [Queen Elizabeth Prize Honors Digital Imaging Pioneers](https://www.jpl.nasa.gov/news/queen-elizabeth-prize-honors-digital-imaging-pioneers/), NASA Jet Propulsion Laboratory - [The basics of microchips](https://www.asml.com/en/technology/all-about-microchips/microchip-basics), ASML - [Fairchild Journal of Semiconductor Progress, 1977, Coin Sorting with CCD](https://archive.computerhistory.org/resources/access/text/2024/06/102798014-05-0001-acc.pdf), Fairchild Camera and Instrument Corporation / Computer History Museum archive - [Boron: Element information, properties and uses](https://periodic-table.rsc.org/element/5/boron), Royal Society of Chemistry - [Phosphorus: Element information, properties and uses](https://periodic-table.rsc.org/element/15/phosphorus), Royal Society of Chemistry - [CMOS Image Sensors - Past Present and Future (2006)](https://www.imaging.org/common/uploaded%20files/pdfs/Papers/2006/ICIS-0-736/33711.pdf), Boyd Fowler, Xinqiao Liu, Paul Vu / Fairchild Imaging / IS&T - [First TFT Solid State Image Sensor, accession S.219](https://embark.tcnj.edu/objects-1/info/222), The College of New Jersey, Sarnoff Collection - [How microchips are made](https://www.asml.com/en/technology/all-about-microchips/how-microchips-are-made), ASML - [A new type of photosensitive junction device (public abstract)](https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0038110163900339), S. R. Morrison, Solid-State Electronics, September–October 1963 - [Video Camera Technologies Systematization](https://sts.kahaku.go.jp/albums/abm.php?d=6689&f=abm00015953.pdf&n=078_e.pdf), Yasuo Takemura, National Museum of Nature and Science, 2013 - [History of imaging devices, section 1-1](https://www.ieice-hbkb.org/files/08/08gun_04hen_01-01.pdf), Takao Ando, IEICE Knowledge Base, 2011 Faits vérifiés le 2026-11-01. --- The Last Codex · https://lastcodex.org/fr/inventions/image-sensor/ · © The Last Codex. Textes, planches et figures : CC BY-NC-ND 4.0.