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Für diese
Anmeldung wird die Priorität
der koreanischen Patentanmeldung Nr. 2005-70336, angemeldet am 01.
August 2005 beim koreanischen Patentamt, beansprucht, deren Offenbarung
durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen CMOS- (Complementary Metal
Oxide Semiconductor) Bildsensor, und insbesondere einen CMOS-Bildsensor
mit einer Dunkelstrom-Kompensationsfunktion, in welchem ein Dunkelpixel
mit einer Dunkel-Photodiode, die vor Außenlicht geschützt ist, mit
wenigstens einem CMOS-Bildsensorpixel verbunden ist, um einen Strom
mit einer Größe, die gleich
zu der eines Dunkelstroms ist, der in der Dunkel-Photodiode auftritt,
an eine Photodiode des CMOS-Bildsensorpixels zu liefern, um Dunkelstrom in
der Photodetektordiode zu kompensieren, die Sättigungsgeschwindigkeit des
CMOS-Bildsensorpixels zu
verzögern
und dessen dynamischen Bereich zu verbessern.
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Im
Allgemeinen weist jeder Teil von in der natürlichen Welt vorhandenen Gegenständen eine
unterschiedliche Helligkeit und Wellenlänge des Lichts auf. Ein Bildsensor
ist eine Vorrichtung, die unterschiedliche Helligkeit und Wellenlängen der
Gegenstände
in einen elektrischen Wert einer signalverarbeitbaren Ebene unter
Verwendung photoreaktiver Eigenschaften von Halbleitern umwandelt.
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Üblicherweise
wird der Bildsensor auf einer pro-Pixel-Ebene verwendet. Eine Vielzahl
Bildsensoren ist auf einer Linie eines bestimmten Standards ausgerichtet, um
eine Pixelzeile zu bilden. Dann werden Bilder von einem bestimmten
Standard durch diese Pixelzeile aufgenommen.
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Der
zuvor genannte Bildsensor weist eine photoreaktive Halbleitervorrichtung
sowie eine Vielzahl von Transistoren auf, um eine elektrische Änderung
der Halbleitervorrichtung als elektrisches Signal eines bestimmten
Pegels auszugeben.
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1 ist ein Schaltungsdiagramm,
welches eine Pixelgruppe eines allgemeinen CMOS-Bildsensors gemäß dem Stand
der Technik darstellt. Unter Bezugnahme auf 1 weist der Bildsensor eine Photodiode
PD zum Ändern
eines Kapazitätswerts als
Reaktion auf Licht, einen Reset-Transistor Q1 zum Rücksetzen
der Photodiode PD, um ein nächstes
Signal zu detektieren, einen Treibertransistor Q2, um als Sourcefolger
durch ein in der Photodiode PD gespeichertes elektrisches Signal
zu dienen, und einen Auswahltransistor Q3 zum Auswählen eines Ausgangs
eines detektierten Wertes auf.
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Das
heißt,
wenn der Reset-Transistor Q1 als Reaktion auf ein Reset-Signal Rx
für eine
vorbestimmte Dauer eingeschaltet bleibt, werden Ladungen, die in
der Photodiode PD verbeiben, freigesetzt und die Photodiode PD wird
geleert, so dass in der Photodiode PD Strom in einer Menge, die
zu dem dem Licht entsprechenden Kapazitätswert proportional ist, gespeichert
wird. Zusätzlich
verstärkt
der Transistor Q2 eine Spannung der Photodiode PD in das elektrische
Signal (Ausgangsspannung) innerhalb eines eingestellten Bereichs.
Die Ausgangsspannung von dem Treibertransistor Q2 wird in der Adressreihenfolge
der Pixelzeile ausgegeben, wenn der Auswahltransistor Q3 eingeschaltet
ist.
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Bei
diesem herkömmlichen
CMOS-Sensor erzeugt die Photodiode PD, selbst wenn sie überhaupt
keinem Licht ausgesetzt ist, einen Dunkelstrom, welcher ein Leckstrom
ist. Das heißt,
dass der Dunkelstrom bewirkt, dass der Treibertransistor Q2 die
Ausgangsspannung erzeugt, selbst wenn kein Licht empfangen wird.
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Ein
derartiger Dunkelstrom wird an den Treibertransistor Q2 geliefert,
wodurch die Sättigungszeit des
Treibertransistors Q2 verkürzt
wird. Anders erklärt,
wird der Dunkelstrom mit einem Strom kombiniert, der erzeugt wird,
wenn die Photodiode PD Licht empfängt, wodurch die Sättigungszeit
verkürzt
wird. Der in der Photodiode PD erzeugte Dunkelstrom reduziert nachteilig
den Treiberbereich des CMOS-Bildsensors.
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Insbesondere
steigt der Dunkelstrom, welcher beachtlich empfindlich gegenüber Temperatur ist,
mit einem Anstieg der Umgebungstemperatur um 10 °C auf das Doppelte oder mehr.
Als Ergebnis reduziert der Dunkelstrom weiter den Treiberbereich des
CMOS-Bildsensors.
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Bei
einem herkömmlichen
Verfahren zum Überwinden
des durch Dunkelstrom verursachten Problems wurde ein mittlerer
Wert des in einem Dunkelpixel erzeugten Dunkelstroms berechnet,
um einen Ausgang eines nicht-Dunkelpixels zu kompensieren. Jedoch
wird gemäß einer
derartigen herkömmlichen
Technologie der in jedem Pixel erzeugte Dunkelstrom nicht gemindert,
sondern es wird extern basierend auf einer Formel eine Subtraktion
durchgeführt,
so dass die Pixeleinheit, wenn gesättigt, unvermeidbar verschlechtert
ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorgenannten Probleme
im Stand der Technik zu lösen,
und somit ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen CMOS-
(Complementary Metal Oxide Semiconductor) Bildsensor mit Dunkelstrom-Kompensationsfunktion,
in welchem ein Dunkelpixel mit einer Dunkel-Photodiode, die vor
Außenlicht
geschützt
ist, mit wenigstens einem CMOS-Bildsensorpixel verbunden ist, um
einen Strom mit einer Größe, die
gleich zu der eines Dunkelstroms ist, der in der Dunkel-Photodiode
auftritt, an eine Photodiode des CMOS-Bildsensorpixels zu liefern,
um Dunkelstrom in der Photodetektordiode zu kompensieren, die Sättigungsgeschwindigkeit
des CMOS-Bildsensorpixels
zu verzögern
und dessen dynamischen Bereich zu verbessern.
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Gemäß einem
Gegenstand der Erfindung wird ein CMOS-Bildsensor vorgesehen, welcher
aufweist: wenigstens ein Photodetektor-Pixel umfassend einen ersten
Reset-Transistor mit einem Drain, der mit einer Versorgungsspannung
verbunden ist, und eine Photodetektor-Diode, die zwischen einer Source
des ersten Reset-Transistors
und einer Erde angeschlossen ist; und wenigstens ein Dunkelpixel umfassend
einen Spiegeltransistor mit einem Drain, der mit der Versorgungsspannung
verbunden ist, und ein Gate und eine Source, die mit einem Gate
des ersten Reset-Transistors verbunden ist, und eine Dunkel-Photodiode, die vor
Außenlicht
geschützt
ist, wobei die Dunkel-Photodiode zwischen der Source der Spiegeldiode
und Masse angeschlossen ist, wobei ein Strom mit einer Größe gleich
zu der eines Dunkelstroms, der durch die Dunkel-Photodiode fließt, an die Photodetektor-Diode
geliefert wird.
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Vorzugsweise
umfasst das Dunkelpixel weiter einen zweiten Reset-Transistor mit
einem Drain, der mit der Source des Spiegeltransistors verbunden ist,
und eine Source, die mit Masse verbunden ist, wobei der zweite Reset-Transistor
ein Reset-Signal über
das Gate empfängt.
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Vorzugsweise
weist sowohl der erste Reset-Transistor als auch der Spiegeltransistor
einen p-Kanal MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
auf.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann der CMOS-Bildsensor eine Vielzahl von Photodetektor-Pixeln
aufweisen, die um ein einzelnes Dunkelpixel angeordnet und mit diesem
verbunden sind, um eine Pixelgruppe zu bilden, bei welcher die Photodetektor-Pixel
vorzugsweise ein Rotlicht-Photodetektorpixel, ein Blaulicht-Photodetektorpixel
und Grünlicht-Photodetektorpixel
in einem Verhältnis
von 1:1:2 aufweisen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden besser
verständlich
anhand der folgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den
Zeichnungen, in welchen:
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1 ein
Schaltungsdiagramm ist, welches eine Pixeleinheit eines herkömmlichen CMOS-Bildsensors
darstellt;
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2 ein
Schaltungsdiagramm ist, welches einen CMOS-Bildsensor gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung darstellt;
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3 ein
Schaltungsdiagramm ist, welches einen CMOS-Bildsensor gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung darstellt; und
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4 ein
Diagramm ist, welches Pixelanordnungen eines CMOS-Bildsensors gemäß unterschiedlichen
Ausführungsformen
der Erfindung darstellt.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
vorliegende Erfindung wird nun nachstehend genauer unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in welchen bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt sind. Die Erfindung kann jedoch in unterschiedlichen
Formen verkörpert
sein und sollte nicht als auf die hier beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt
erachtet werden. Die Ausführungsformen
sind eher vorgesehen, damit die Beschreibung gründlich und vollständig ist,
und erläutern
dem Fachmann vollständig
den Schutzbereich der Erfindung. In den Zeichnungsfiguren können Formen
und Abmessungen aus Gründen
der Klarheit übertrieben
dargestellt sein, und gleiche Bezugsziffern werden durchgehend verwendet,
um gleiche oder ähnliche
Komponenten zu kennzeichnen. Hier wird ein Pixel zum Empfangen und
Detektieren von Licht als "Photodetektor-Pixel" bezeichnet und eine
Diode zum Empfangen und Detektieren von Licht wird als "Photodiode" bezeichnet. Des
Weiteren werden ein Pixel und eine Diode, welche kein Licht empfangen
oder detektieren, jeweils als "Dunkelpixel" und "Dunkeldiode" bezeichnet.
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2 ist
ein Schaltungsdiagramm, welches einen CMOS-Bildsensor gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung darstellt. Wie in 2 dargestellt, umfasst
der CMOS-Bildsensor gemäß dieser
Ausführungsform
ein Photopixel 10 zum Detektieren von Licht und ein Dunkelpixel 20,
das mit dem Photopixel 10 verbunden ist, um Dunkelstrom
einer Photodetektor-Diode PD1 in dem Photopixel 10 zu kompensieren.
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In
dieser Ausführungsform
kann das Photopixel 10 im Wesentlichen die gleiche Konfiguration aufweisen
wie eine Pixeleinheit des herkömmlichen CMOS-Bildsensors wie in 1 dargestellt.
Das heißt,
wie in 2 dargestellt, das Photopixel 10 umfasst
einen ersten Reset-Transistor M1 mit einem mit einer Versorgungsspannung
VDD verbundenen Drain, wobei die Photodetektor-Diode
PD1 zwischen einer Source des ersten Reset-Transistors M1 und Masse angeschlossen
ist, einen Treibertransistor M2, der als Sourcefolger als Reaktion
auf ein in der Photodetektor-Diode PD1 gespeichertes Signal dient,
und einen Auswahltransistor M3 zum Auswählen des Ausgangs eines Detektionswerts.
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In
dieser Ausführungsform
umfasst das Dunkelpixel 20 einen Spiegeltransistor M4 und
eine Dunkel-Photodiode PD2. Der Spiegeltransistor M4 weist einen
mit der Versorgungsspannung VDD verbundenen
Drain und ein Gate und eine mit dem Gate des ersten Reset-Transistors
M1 verbundene Source auf. Die Dunkel-Photodiode PD2 ist zwischen der Source des
Spiegeltransistors M4 und Masse angeschlossen und vor Außenlicht
geschützt.
Das Dunkelpixel 20 weist ebenfalls einen zweiten Reset-Transistor
M5 mit einem mit der Source des Spiegeltransistors M4 verbundenen
Drain, eine mit Erde verbundene Source und ein Gate zum Empfangen
eines Reset-Signals Rx auf.
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Der
Spiegeltransistor M4 ist mit dem Drain an die Versorgungsspannung
VDD angeschlossen und mit dem Gate und der
Source an das Gate des ersten Reset-Transistors M1 des Photopixels 10.
In einer solchen Anschlussstruktur bilden der Spiegeltransistor
M4 und der erste Reset-Transistor M1, sofern dieser aus einem p-Kanal
MOSFET besteht, einen Strom-Spiegelkreis. Das heißt, ein
Strom fließt durch
die Source des ersten Reset-Transistors M1 mit einer Größe, die
gleich zu der ist, die durch die Source des Spiegeltransistors M4
fließt.
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Bei
dieser Spiegelstruktur fließt,
da ein Strom durch die Source des Spiegeltransistors M4 mit einer Größe gleich
der eines Dunkelstroms fließt,
ebenfalls ein solcher Strom mit einer Größe gleich der des Dunkelstroms
durch die Source des ersten Reset-Transistors M1. Als Ergebnis davon
kann ein Strom zum Kompensieren des Dunkelstroms an die Photodetektor-Diode
PD1 geliefert werden.
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Damit
der Strom mit einer Größe gleich
der des Dunkelstroms durch die Source des Spiegeltransistors M4
fließt,
ist die Dunkel-Photodiode PD2 mit der gleichen Polarität wie die
der Photodetektor-Diode PD1 zwischen der Source des Spiegeltransistors M4
und der Erde angeschlossen. Die Dunkel-Photodiode PD2 ist eine Diode,
welche die gleichen charakteristischen Merkmale aufweist wie die
Photodetektor-Diode PD1. Da die Dunkel-Photodiode PD2 vor Außenlicht
geschützt
ist, fließt
durch diese ständig
ein Dunkelstrom iD.
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Demgemäß lässt die
Dunkel-Photodiode PD2 ständig
den Dunkelstrom iD durch die Source des Spiegeltransistors M4 fließen. Bei
der vorgenannten Strom-Spiegelstruktur
fließt
ein Strom iD' mit einer
Größe gleich
der des Dunkelstroms iD durch die Source des Reset-Transistors M1
des Photopixels 10, wodurch der Photodiode ein kompensierender
Strom mit einer Größe entsprechend
der des Dunkelstroms der Photodetektor-Diode PD1 geliefert wird.
Durch Liefern des kompensierenden Stroms an die Photodetektor-Diode
PD1 ist es möglich,
die Sättigungsgeschwindigkeit
des Photopixels 10 zu verzögern sowie dessen dynamischen
Bereich zu verbessern.
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Nun
wird die Arbeitsweise des CMOS-Bildsensors dieser Ausführungsform
unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
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Zuerst
wird, wenn ein Signal mit hohem Pegel in das Gate des zweiten Reset-Transistors M5 für eine vorbestimmte
Zeitspanne eingegeben wird, der zweite Reset-Transistor M5 eingeschaltet,
und die Gates des Spiegeltransistors M4 und des ersten Reset-Transistors
M1 werden niedrigpegelig. Dann werden der Spiegeltransistor M4 und
der erste Reset-Transistor M1 eingeschaltet. Dadurch werden die Photodetektor-Diode
PD1 in dem Photopixel 10 und die Dunkel-Photodiode PD2 in dem Dunkelpixel 20 auf
einen Referenzspannungswert zurückgesetzt.
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Als
Nächstes
erzeugt, wenn die Photodetektor-Diode PD1 anfängt, Licht zu detektieren,
die Dunkel-Photodiode in dem Dunkelpixel 20 ständig einen Dunkelstrom
iD, da sie ständig
vor Licht geschützt
ist. Aufgrund der von dem Spiegeltransistor M4 und dem ersten Reset-Transistor
M1 gebildeten Strom-Spiegelstruktur
fließt
ein Strom iD' mit
einer Größe gleich der
des Dunkelstroms iD durch die Source des Reset-Transistors M1 des
Photodetektor-Pixels 10, wodurch der Photodetektor-Diode
PD1 ein kompensierender Strom geliefert wird, der die gleiche Größe aufweist
wie der Dunkelstrom der Photodetektor-Diode PD1.
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Als
Reaktion auf detektiertes Licht wird eine bestimmte Menge Strom
proportional zur Kapazität
in der Photodetektor-Diode PD1 gespeichert, der Treibertransistor
M2 gibt die Spannung der Photodetektor-Diode PD1 aus, indem mit
einem elektrischen Signal eines vorbestimmten Bereichs (Ausgangsspannung
0) verstärkt
wird, und wenn der Auswahltransistor M3 eingeschaltet ist, wird
die Ausgangsspannung von dem Treibertransistor M2 gemäß der Adressreihenfolge
der Pixelzeile ausgegeben.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung wie oben beschrieben liefert der durch das Dunkelpixel 20 realisierte
Stromspiegel ständig
einen kompensierenden Strom entsprechend einem Dunkelstrom an die
Photodetektor-Diode PD1, um eine schnelle Sättigung des Pixels durch Dunkelstrom
zu verhindern, wodurch der dynamische Bereich des Pixels verbessert
wird. Insbesondere erzeugt die Dunkel-Photodiode PD2 den Dunkelstrom, indem
dessen Größe im gleichen
Verhältnis
geändert
wird wie die Photodetektor-Diode PD1, wodurch perfekt der Dunkelstrom der
Photodetektor-Diode PD1 mit einer sich ändernden Größe entsprechend der Temperatur kompensiert
wird.
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3 ist
ein Schaltungsdiagramm, welches einen CMOS-Bildsensor gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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Wie
in 3 dargestellt, kann der CMOS-Bildsensor gemäß dieser
Ausführungsform eine
Pixelgruppe aufweisen, bei welcher eine Anzahl Photodetektor-Pixel 10R, 10G und 10B mit
einem einzelnen Dunkelpixel 20 verbunden ist. Dann wird eine
Vielzahl derartiger Pixelgruppen vorgesehen, um einen vollständigen CMOS-Bildsensor
zu realisieren.
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Bei
dem in 3 dargestellten CMOS-Bildsensor umfasst jedes
der Photodetektor-Pixel 10R eine Photodiode PD-R mit einem
Rotfilter, jedes der Photodetektor-Pixel 10G umfasst eine Photodiode
PD-G mit einem Grünfilter
und jedes der Photodetektor-Pixel 10B umfasst eine Photodiode PD-B
mit einem Blaufilter. Auf diese Weise können die Photodetektor-Pixel 10R, 10G und 10B drei Hauptarten
von Licht detektieren. Bezüglich
der Ansprechempfindlichkeit gegenüber jeder Lichtfarbe weisen
die Photodioden-Pixel Rotlicht-Photodioden, Blaulicht-Photodioden
und Grünlicht-Photodioden
in einem Verhältnis
1:1:2 auf.
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Weder
die Anzahl der mit einem einzelnen Dunkelpixel verbundenen Photodetektor-Pixel
noch die Position der Dunkelpixel ist eingeschränkt. Jedoch wird aufgrund der
Tatsache, dass Ansprechbedingungen entsprechend der Position des CMOS-Bildsensors
verändert
werden können,
bevorzugt, dass eine geeignete Anzahl Photodetektor-Pixel um ein
einzelnes Dunkelpixel angeordnet ist. 4 zeigt
einige Beispiele einer solchen Pixelanordnungsstruktur.
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4 ist
ein Diagramm, welches Pixelanordnungen eines CMOS-Bildsensors gemäß unterschiedlichen
Ausführungsformen
der Erfindung darstellt.
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Zuerst
werden, wie in 4(a) dargestellt ist, vier
Photodetektor-Pixel L-förmig
um ein rechteckiges, in der Mitte angeordnetes Dunkelpixel angeordnet.
Die Photodetektor-Pixel enthalten ein Rotlicht-Photodioden-Pixel,
ein Blaulicht-Photodioden-Pixel
und zwei Grünlicht-Photodioden.
Alternativ können,
wie in 4(b) dargestellt ist, regelmäßig sechseckige
Photodetektor-Pixel um ein regelmäßig sechseckiges Dunkelpixel
angeordnet sein, so dass ein Paar Photodioden-Pixel für die gleiche
Farbe an gegenüberliegenden
Seiten des Dunkelpixels angeordnet ist.
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Gemäß bestimmten
Ausführungsformen
der Erfindung wie obenstehend beschrieben ist ein Dunkelpixel mit
einer vor Licht geschützten
Dunkel-Photodiode mit wenigstens einem Photodetektor-Pixel verbunden.
Das Dunkelpixel liefert einen Strom in der gleichen Größe wie der
des Dunkelstroms, der in der Dunkel-Photodiode auftritt, an eine Photodiode
des Photodetektor-Pixels, um den Dunkelstrom der Photodetektor-Diode
zu kompensieren.
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Insbesondere
kann die Größe des kompensierenden
Stroms entsprechend einer Temperaturänderung angepasst werden, wodurch
der Dunkelstrom der Photodetektor-Diode, welcher entsprechend Temperaturänderung
variabel ist, perfekt kompensiert wird.
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Durch
Kompensieren des Dunkelstroms ist es möglich, die Sättigungsgeschwindigkeit
des CMOS-Bildsensors zu verzögern
und somit dessen dynamischen Bereich zu verbessern.