KR100977834B1 - 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)의 픽셀 아웃 노드에 형성되는 NMOS, PMOS의 ON-OFF 특성을 이용하여 넓은 범위의 빛의 세기를 구분할 수 있도록 한 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로, 입사되는 빛에 의해 신호 전하를 생성하는 포토다이오드;상기 포토다이오드에서 생성된 신호 전하에 의해 포텐셜 레벨이 변화되는 픽셀 아웃 노드;상기 픽셀 아웃 노드의 포텐셜 변화에 의해 소오스단의 바이어스가 변화되는 셀렉트 트랜지스터;로우 선택 신호에 의해 포텐셜 레벨을 컬럼 선택 라인으로 출력하는 액세스 트랜지스터;상기 픽셀 아웃 노드와 VDD 단자 사이에 서로 직렬 연결 구성되어 입사되는 빛의 세기에 따라 신호 전하의 오버플로우를 제어하는 제 1,2 동적 범위 제어 소자를 포함하고, 단위 픽셀이 구성된다.
포토전류, OFD Node 전압, APS, CIS, 동적 범위, 광감도

Description

넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서{ＣＭＯＳ Image Sensor with Wide Dynamic Range}
본 발명은 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)에 관한 것으로, 픽셀 아웃 노드에 형성되는 NMOS, PMOS의 ON-OFF 특성을 이용하여 넓은 범위의 빛의 세기를 구분할 수 있도록 한 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.
최근 디지털 영상 기기 시장의 확대로 인해 CCD(Charge-coupled device)와 CIS(CMOS Image Sensor)와 같은 이미지 센서에 대한 관심이 높아지고 있다.
이미지 센서는 디지털 카메라, 휴대전화 카메라나 DSC(Digital Still Camera)등에서 영상을 생성해 내는 영상 촬영 소자 부품을 일컫는 것이며, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)는 현재 메모리와 컴퓨터 CPU등 반도체 칩에서 구현에 사용되며, 전 반도체 칩 구현 방식 중 가장 많이 사용되는 방식이다.
CMOS는 PMOS와 NMOS 트랜지스터를 가지고 구현하며, 이를 통해 저전력을 실현할 수 있다. CMOS 이미지 센서는 이러한 CMOS 기술을 이용한 화상 정보 감지기이 다.
CMOS 이미지 센서는 인식한 광자에 비례하여 광전류를 생성하는 포토다이오드(Photodiode) 또는 광검출기(Photodetector) 그리고 잡음 제거, 증폭, 단위 픽셀 선택 등의 역할을 수행하는 적어도 하나 이상의 트랜지스터로 구성되는 단위 픽셀을 2차원으로 배열하여 상기 단위 픽셀에서 생성되는 각각의 출력값을 통해 이미지를 인식한다.
CCD 방식은 각 전하의 양을 읽기 위해 각 수광소광에 저장된 전하를 이동시키는데 반해, CMOS 이미지 센서는 각 수광소자에 CMOS 트랜지스터가 집적되어 있어 각 수광소자가 받는 빛의 양을 직접 전하로 변환 시켜 직접 그 양을 측정한다.
즉, CMOS 이미지 센서는 광자를 전자로 변환시킨후 하나의 수광소자에 하나의 트랜지스터가 있어, 개개의 수광소자가 받은 광자를 전자로 변환하고, 이를 다시 전압으로 변환하는 과정을 거쳐 아날로그 데이터를 디지털로 변환시킴으로써 화상 데이터를 저장한다.
이하에서 3TR 구조의 CMOS 이미지 센서의 구조 및 센싱 동작을 설명한다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 3TR 구조의 픽셀 구성도이다.
먼저, 게이트에 리셋 신호 입력 단자(2)를 통하여 리셋 신호가 인가되고 한쪽 전극은 플로팅 노드(5)에 연결되고 다른쪽 전극은 VDD 단자(3)에 연결되는 리셋 트랜지스터(1)와, 게이트가 플로팅 노드(5)에 연결되고 한쪽 전극은 VDD 단자(3)에 연결되는 셀렉트 트랜지스터(4)와, 게이트에는 Row 선택 신호 입력 단자(8)를 통하여 Row 선택 신호가 입력되고 상기 셀렉트 트랜지스터(4)에 직렬 연결되어 한쪽 전 극이 칼럼 선택 라인(9)에 연결되는 액세스 트랜지스터(7)와, 상기 플로팅 노드(5)와 접지 단자(10)사이에 구성되는 포토다이오드(6)를 포함하여 구성된다.
여기서, 플로팅 노드(5)는 픽셀 아웃 노드이다.
이와 같은 3TR 픽셀 구조의 CMOS 이미지 센서의 센싱 동작은 다음과 같다.
포토다이오드(6)에 외부에서 입사되는 빛에 의하여 전하들이 축적된다.
축적된 신호 전하는 리셋 트랜지스터(1)의 소오스단인 플로팅 노드(5)의 전위를 변화시키며 이는 픽셀 레벨 소오스 팔로워(pixel level source follower)의 드라이버인 셀렉트 트랜지스터(4)의 게이트 포텐셜을 변화시키게 된다.
셀렉트 트랜지스터(4)의 게이트 포텐셜 변화는 셀렉트 트랜지스터(4)의 소오스단 또는 액세스 트랜지스터(7)의 드레인 노드의 바이어스를 변화시킨다.
이와 같이 신호 전하들이 축적되는 동안 리셋 트랜지스터(1)의 소오스단과 셀렉트 트랜지스터(4)의 소오스단의 포텐셜이 변화하게 되며, 이때 액세스 트랜지스터(7)의 게이트에 로우 선택 신호 입력 단자(8)를 통하여 로우 선택 신호가 입력되면 포토다이오드(6)에서 생성된 신호 전하에 의한 전위차를 칼럼 선택 라인(9)쪽으로 출력하게 된다.
이와 같이 포토다이오드(6)의 전하 생성에 의한 신호 레벨을 검출한 후에 리셋 신호 입력 단자(2)를 통한 리셋 신호에 의해 리셋 트랜지스터(1)가 온(ON) 상태로 바뀌게 되면서 포토다이오드(6)에 축적된 신호 전하는 전부 리셋된다.
이와 같은 CMOS 이미지 센서의 성능은 발생되는 잡음을 제어하는 기술 정도에 따라 결정되는데, CMOS 이미지 센서에서 발생되는 잡음은 크게 랜덤 잡 음(Random Noise)과 패턴 잡음(Pattern Noise)으로 구분될 수 있다.
이와 같은 CMOS 이미지 센서의 잡음 발생은 센서의 동적 범위에 의해 주로 영향을 받는다.
이에 따라, 이미지 센서(Image Sensor)의 관련 기술분야에서 현재 이슈화 되고 있는 것은 광검출기의 동적 범위(dynamic range)와 광감도이다. 상기 이미지 센서가 사용되는 분야는 광범위하기 때문에, 어떠한 조건하에서도 좋은 이미지를 추출하기 위해서는 광검출기의 넓은 동적 범위 및 높은 광감도가 필수적이다.
그러나 현재까지의 기술로는 CMOS 이미지 센서의 잡음 발생을 억제할 수 있는 정도의 동적 범위를 갖는 구조를 구현하지 못하고 있다.
본 발명은 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)의 픽셀 아웃 노드에 형성되는 NMOS, PMOS의 ON-OFF 특성을 이용하여 넓은 범위의 빛의 세기를 구분할 수 있도록 한 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 저전력, 저전압 환경에서 개선된 동작범위를 가지면서, 이전의 픽셀 구조보다 넓은 동적 범위(Wide Dynamic Range)을 갖는 CMOS 이미지 센서 픽셀 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 PMOS와 NMOS의 On-Off 상보적 특성을 이용하여 4TR 또는 3TR의 능동 화소 구조(APS)의 저 전압에 따른 출력 동작범위 감소 및 신호대 잡음비(S/N) 저하, 잡음 전류에 따른 출력전압 변동증가 등의 문제를 해결하기 위한 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서는 픽셀 아웃 노드와 접지 단자 사이에 구성되어 입사되는 빛에 의해 신호 전하를 생성하는 포토다이오드;상기 포토다이오드에서 생성된 신호 전하에 의해 포텐셜 레벨이 변화되는 픽셀 아웃 노드;상기 픽셀 아웃 노드에 게이트가 연결되고 한쪽 전극은 VDD 단자에 연결되어 상기 픽셀 아웃 노드의 포텐셜 변화에 의해 소오스단의 바이어스가 변화되는 셀렉트 트랜지스터;상기 셀렉트 트랜지스터에 직렬 연결되고 한쪽 전극이 칼럼 선택 라인에 연결되어, 게이트에 Row 선택 신호 입력 단자를 통하여 로우 선택 신호(Row_Selection)가 입력되면 상기 픽셀 아웃 노드의 포텐셜 레벨 변화에 따른 전위값을 컬럼 선택 라인으로 출력하는 액세스 트랜지스터;상기 픽셀 아웃 노드와 VDD 단자 사이에 서로 직렬 연결 구성되어 입사되는 빛의 세기에 따라 신호 전하의 오버플로우를 제어하는 제 1,2 동적 범위 제어 소자를 포함하고, 단위 픽셀이 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, CMOS 이미지 센서 픽셀에서 OFD 부분의 NMOS, PMOS의 ON-OFF 특징을 반영하여, 출력 전압이 최소 전압 값의 차이에 의해 넓은 범위의 빛의 세기를 구분할 수 있다.
둘째, 넓은 동적 범위를 구현하여 저조도에서 출력 전압의 기울기를 크게 하여 감도 특성을 향상시킬 수 있다.
셋째, 넓은 동적 범위를 구현하여 고조도에서 그 기울기가 작으나 광범위한 광의 세기에 걸쳐 변별을 가능하게 한다.
넷째, 센싱 가능한 광 세기의 범위을 decade 당 0.1V 이상의 Vout기울기로 규정할 경우 현재 구동 조건에서 1e-7 W/cm2 에서1e1 W/cm2 범위이므로 동적 범위를 160 dB(=20log(max/min))까지 확대할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서의 바람직 한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 CMOS 이미지 센서의 회로 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 CMOS 이미지 센서의 단면 구성도이다.
먼저, 게이트에 리셋 신호 입력 단자(21)를 통하여 리셋 신호가 인가되고 한쪽 전극은 픽셀 아웃 노드(25)에 연결되고 다른 쪽 전극은 VDD 단자(23)에 연결되는 리셋 트랜지스터(22)와, 게이트가 픽셀 아웃 노드(25)에 연결되고 한쪽 전극은 VDD 단자(23)에 연결되는 셀렉트 트랜지스터(24)와, 게이트에는 Row 선택 신호 입력 단자를 통하여 로우 선택 신호(Row_Selection)가 입력되고 상기 셀렉트 트랜지스터(24)에 직렬 연결되어 한쪽 전극이 칼럼 선택 라인에 연결되는 액세스 트랜지스터(27)와, 상기 픽셀 아웃 노드(25)와 접지 단자 사이에 구성되는 포토다이오드(26) 그리고 상기 픽셀 아웃 노드(25)와 VDD 단자(23) 사이에 서로 직렬 연결 구성되는 제 1,2 동적 범위 제어 소자(28)(29)를 포함하고 구성된다.
여기서, 제 1 동적 범위 제어 소자(28)는 PMOS 트랜지스터로 구성되고, 제 2 동적 범위 제어 소자(29)는 NMOS 트랜지스터로 구성된다.
상기와 같이 CMOS 이미지 센서의 픽셀 영역이 구성되고, 상기 픽셀 영역에 대응하여 센싱 영역이 구성된다.
도 2에서와 같은 CMOS 이미지 센서의 픽셀 구조는 이전의 3TR 픽셀 동작과 크게 다르지 않으나, 픽셀 아웃 노드 상단에 PMOS 트랜지스터, NMOS 트랜지스터로 각각 구성된 제 1,2 동적 범위 제어 소자(28)(29)에 의해 넓은 동적 범위를 갖게 된다.
이와 같은 CMOS 이미지 센서의 픽셀 단면 구성은 도 3에서와 같다.
그리고 이하에서 제 1,2 동적 범위 제어 소자(28)(29)가 연결되는 노드는 VDD로 광전류를 오버플로우(overflow)시켜 넓은 광 세기 범위을 관측할 수 있게 하는 부분으로 'OFD 노드'라 일컫는다.
이와 같은 본 발명에 따른 넓은 동적 범위를 갖는 CMOS 이미지 센서의 동작 특성을 살펴보면 다음과 같다.
리셋 동작 후에 포토다이오드(26)에는 전원 전압(VDD)이 인가되므로, 오버플로우 회로인 제 1,2 동적 범위 제어 소자(28)(29)로 전류가 흐르지 않는다.
즉, OFD 단자는 VDD 전압이다. 그리고 입사된 광에 의해 포토다이오드(26)에 전자가 축적되면서 포토다이오드(26)의 전압은 VDD로부터 낮아진다.
여기서, 제 2 동적 범위 제어 소자(29) 쪽을 살펴보면 OFD 노드가 드레인으로 게이트와 같은 전압으로 연결되고, 포토다이오드(26)는 제 2 동적 범위 제어 소자(29)의 소스이다. 그러므로 소스의 전압이 낮아지는 것이다.
이하의 설명에서 "Vth(NMOS)"는 NMOS 트랜지스터 문턱전압이고, "Vth(PMOS)"는 PMOS 트랜지스터 문턱전압을 의미한다.
제 2 동적 범위 제어 소자(29)인 NMOS 트랜지스터의 채널 전압은 OFD 노드의 전압에서 Vth(NMOS)를 뺀 값이다.
여기서, Vth(NMOS)는 포토다이오드(26)와 기판 사이의 전위차이 때문에 그에 따른 body effect가 고려된 문턱 전압이다. 결국 포토다이오드(26)에서 축적되는 전자가 OFD 노드로 넘어가기 위해서는 V(OFD)-Vth(NMOS) 만큼 포토다이오드(26)의 전압이 낮아져야 한다.
포토다이오드(26)의 전압이 VDD-Vth(NMOS) 이상으로 낮아지면 포토다이오드(26)의 전자가 OFD 노드로 오버플로우하여 OFD 노드의 전압을 낮춘다.
그 이후로 OFD 노드의 전압은 V(Photodiode)-Vth(NMOS)로 축적되는 전자량에 의해 변화한다. 즉, OFD 전압이 낮아지면 게이트 전압이 낮아지고 채널 전압이 낮아져 오버플로우 할 수 있는 전위장벽을 높여 오버플로우를 억제한다.
제 2 동적 범위 제어 소자(29)는 소스와 게이트 사이의 전압이 Vth(NMOS) 이하로 유지시킴으로써 지속적으로 인버전(inversion) 상태로 넘어가지 않고 문턱 전압 이하(sub-threshold) 범위 안에서 작동하게 됨을 의미하기도 한다.
다른 한편, OFD 전압이 낮아지면 OFD 노드에 드레인과 게이트로 연결하고 있는 제 1 동적 범위 제어 소자(28)인 PMOS 트랜지스터는 OFD 전압이 VDD-Vth(PMOS)보다 낮아지기 전까지, 즉, 포토다이오드(26) 전압이 VDD-Vth(NMOS)로부터 VDD-Vth(NMOS)-Vth(PMOS) 만큼 낮아지기 전까지는 제 1 동적 범위 제어 소자(28)의 문턱 전압 이하(sub-threshold) 범위에서 동작하게 된다.
따라서, OFD 노드로 넘어온 전자가 OFD 전압을 낮추면 제 1 동적 범위 제어 소자(28)의 subthreshold 전류가 흘러 전자를 VDD 노드로 빼 내주어 OFD 전압을 증가시킨다.
그러므로 이때 OFD 전압은 포토다이오드(26) 전류가 제 1 동적 범위 제어 소자(28)의 subthreshold 전류와 동일하게 되는 전압으로 결정된다.
만약, 광의 세기가 아주 세지면 제 1 동적 범위 제어 소자(28)의 인버전(inversion) 전류 범위에서 오버플로우 하여 작동하게 된다.
이와 같은 본 발명에 따른 넓은 동적 범위를 갖는 CMOS 이미지 센서의 동작을 축적 단계, 로우 오버플로우 단계, 하이 오버플로우 단계로 나누어 설명하면 다음과 같다.
도 4는 포토다이오드 전압에 따른 OFD 노드의 전압 및 전류 특성 시뮬레이션 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 CMOS 이미지 센서의 픽셀 아웃(Pixelout) 시뮬레이션 출력 파형도이다.
그리고 도 6은 Sensing 영역에서 재조정되어 출력된 wide-dynamic Pixel Vout 시뮬레이션 파형도이고, 도 7은 Reset 5ms 에서 0.1 uW/cm2 ~ 10 W/cm2 범위에서Reset V값과 출력 V 값 시뮬레이션 결과 그래프이다.
그리고 도 8은 X 축 입력광 세기에 따른 Y축 V(reset 후) - V(reset 전)값에 따른 전압 그래프이다.
먼저, 축적 단계에서는 포토다이오드 전압이 VDD 전압에서 VDD-Vth(NMOS)까지는 광전류를 오버플로우 하지 않고 포토다이오드에 축적하여 광의 세기를 관측할 수 있음으로 감도의 손실이 없다. 이것은 저조도에서 감도의 손실 없이 넓은 동적 범위 특성을 구현할 수 있음을 의미한다.
그리고 로우 오버플로우(Low-overflow) 단계에서는 포토다이오드 전압이 VDD-Vth(NMOS)에서 VDD-Vth(NMOS)-Vth(PMOS)까지의 범위이며, 이 단계는 광전류가 제 1 동적 범위 제어 소자의 subthreshold 범위의 전류만큼 오버플로우 하여 포토다이오드의 전압이 결정된다.
그리고 하이 오버플로우(High-overflow) 단계에서는 포토다이오드 전압이 VDD-Vth(NMOS)-Vth(PMOS)로부터 0까지의 범위이며, 이 단계는 광전류가 제 1 동적 범위 제어 소자의 인버전(inversion) 범위의 전류만큼 오버플로우하여 포토다이오드의 전압이 결정된다.
이러한 포토다이오드 전압에 따른 OFD의 전압 및 전류 특성은 도 4에서와 같다.
본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서의 시뮬레이션 결과는 0.5㎛ 프로세서 파라미터를 이용하였으며, VDD 전압은 5V 환경하에 구동한 것이다.
여기서, 본 발명에 따른 넓은 동적 범위를 갖는 CMOS 이미지 센서의 구동 전압이 5V한정되는 것이 아님은 당연하다. 저전압화에 따라 3.3V 또는 1.8V의 구동 전압으로 구동되는 CMOS 이미지 센서에 본 발명의 기술이 적용될 수 있다.
그리고 픽셀의 적절한 출력 특성을 보기 위해 리셋 시간은 20ms을 주기로 하며, 외부의 빛의 세기는 1uV ~ 1V (1 uW/cm2~ 1000000 uW/cm2) 까지 로그 스케일로 포토다이오드에 인가하여 얻은 출력 파형은 도 5에서와 같다.
넓은 동적 범위 픽셀의 출력을 살펴보면, 외부에서 인가되는 빛(전압)에 따라 출력되는 전압의 스윙의 최소값이 틀린 것을 알 수 있다. 이러한 특징은 상기한 내용에서와 같이 OFD 부분의 NMOS, PMOS의 ON-OFF 특징이 반영된 것을 나타낸다.
이러한 최소 전압 값의 차이에 의해 넓은 범위의 빛의 세기를 구분하는 것이 가능하다.
그리고 픽셀아웃에서 출력된 전압 파형은 센싱 범위내에서 적절한 전압 레벨로 재조정 되어진다.
도 6은 픽셀아웃에서 출력된 전압 파형을 센싱 범위에서 재조정하여 출력된 넓은 동적 범위의 픽셀 아웃(Wide-dynamic Pixel Vout) 시뮬레이션 출력 파형을 나타낸 것이다.
도 5와 도 6의 그래프를 비교하면, 픽셀아웃 전압 파형과 큰 차이가 없어 보이지만, 전압 스윙의 범위가 바뀐 것을 알 수 있다.
픽셀구조에서 입력광의 세기에 따른 감도가 어느 정도인지 알아보기 위하여 Reset 타임을 5ms로 하며, 빛의 세기 0.1 uW/cm2 ~ 10 W/cm2 범위에서 Reset V값과 출력 V값 시뮬레이션 결과값은 도 7에서와 같다.
즉, 이 시뮬레이션 결과 파형에서는 표 1에서와 같이 V(reset 후)과 V(reset 전)값이 중요한 의미를 갖는다.
기호 명칭 V값
A Reset 후 5.2
B 1 uW/cm2 5.028
C 10uW/cm2 5.018
D 100uW/cm2 4.885
E 1000uW/cm2 3.49
F 10000uW/cm2 3.343
G 100000uW/cm2 3.192
H 1000000uW/cm2 3.028
I 10000000uW/cm2 2.836
J 100000000uW/cm2 2.593
도 8은 출력 파형의 결과값을 계산하여 입력 광의 세기에 따른 출력 전압[V(reset 후) - V(reset 전)] 특성을 보여주고 있다.
저조도에서 출력 전압의 기울기가 크고 감도가 좋음을 보여주며, 고조도에서는 그 기울기가 작으나 광범위한 광의 세기에 걸쳐 변별이 가능함을 보여준다.
센싱 가능한 광 세기의 범위을 decade 당 0.1V 이상의 Vout기울기로 규정할 경우 현재 구동 조건에서 1e-7 W/cm2 에서1e1 W/cm2 범위이므로 dynamic range는 160 dB(=20log(max/min))까지 가능함을 보여주고 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 넓은 동적 범위를 갖는 CMOS 이미지 센서는 픽셀 아웃 노드에 형성되는 NMOS, PMOS로 이루어진 제 1,2 동적 범위 제어 소자의 ON-OFF 특성을 이용하여 넓은 범위의 빛의 세기를 구분할 수 있게 한다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 3TR 구조의 픽셀 구성도
도 2는 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 CMOS 이미지 센서의 회로 구성도
도 3은 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 CMOS 이미지 센서의 단면 구성도
도 4는 포토다이오드 전압에 따른 OFD 노드의 전압 및 전류 특성 시뮬레이션 분석 결과를 나타낸 그래프
도 5는 본 발명에 따른 넓은 동적 범위을 갖는 CMOS 이미지 센서의 픽셀 아웃(Pixelout) 시뮬레이션 출력 파형도
도 6은 Sensing 영역에서 재조정되어 출력된 wide-dynamic Pixel Vout 시뮬레이션 파형도
도 7은 Reset 5ms 에서 0.1 uW/cm2 ~ 10 W/cm2 범위에서Reset V값과 출력 V 값 시뮬레이션 결과 그래프
도 8은 X 축 입력광 세기에 따른 Y축 V(reset 후) - V(reset 전)값에 따른 전압 그래프
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
21. 리셋 신호 입력 단자 22. 리셋 트랜지스터
23. VDD 단자 24. 셀렉트 트랜지스터
25. 픽셀 아웃 노드 26. 포토다이오드
27. 액세스 트랜지스터 28. 제 1 동적 범위 제어 소자
29. 제 2 동적 범위 제어 소자

Claims (6)

  1. 픽셀 아웃 노드와 접지 단자 사이에 구성되어 입사되는 빛에 의해 신호 전하를 생성하는 포토다이오드;
    상기 포토다이오드에서 생성된 신호 전하에 의해 포텐셜 레벨이 변화되는 픽셀 아웃 노드;
    상기 픽셀 아웃 노드에 게이트가 연결되고 한쪽 전극은 VDD 단자에 연결되어 상기 픽셀 아웃 노드의 포텐셜 변화에 의해 소오스단의 바이어스가 변화되는 셀렉트 트랜지스터;
    상기 셀렉트 트랜지스터에 직렬 연결되고 한쪽 전극이 칼럼 선택 라인에 연결되어, 게이트에 Row 선택 신호 입력 단자를 통하여 로우 선택 신호(Row_Selection)가 입력되면 상기 픽셀 아웃 노드의 포텐셜 레벨 변화에 따른 전위값을 컬럼 선택 라인으로 출력하는 액세스 트랜지스터;
    상기 픽셀 아웃 노드와 VDD 단자 사이에 서로 직렬 연결 구성되어 입사되는 빛의 세기에 따라 신호 전하의 오버플로우를 제어하는 제 1,2 동적 범위 제어 소자를 포함하고, 단위 픽셀이 구성되는 것을 특징으로 하는 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 동적 범위 제어 소자는 PMOS 트랜지스터이고,
    제 2 동적 범위 제어 소자는 소오스가 상기 픽셀 아웃 노드에 연결되는 NMOS 트랜지스터이고,
    상기 트랜지스터들은 오버플로우 드레인(OFD) 노드를 통하여 직렬 연결되고, 각각의 트랜지스터의 게이트는 상기 오버플로우 드레인(OFD) 노드에 공통으로 연결되고,
    상기 오버플로우 드레인(OFD) 노드는 상기 제 1,2 동적 범위 제어 소자의 동작에 따라 포토다이오드에서 생성된 신호 전하를 오버플로우 시키는 노드인 것을 특징으로 하는 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 단위 픽셀에,
    게이트에 리셋 신호 입력 단자를 통하여 리셋 신호가 인가되고 한쪽 전극은 픽셀 아웃 노드에 연결되고 다른 쪽 전극은 VDD 단자에 연결되어 상기 전위값의 검출 후에 픽셀 아웃 노드에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 리셋 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제 1,2 동적 범위 제어 소자에 의해,
    신호 전하의 축적 단계에서 포토다이오드 전압이 VDD 전압에서 VDD-(Vth(NMOS);NMOS 트랜지스터 문턱전압)까지의 구간에서는 광전류를 오버플로우 하지 않고 포토다이오드에 축적하는 것을 특징으로 하는 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제 1,2 동적 범위 제어 소자에 의해,
    로우 오버플로우(Low-overflow) 단계에서의 포토다이오드 전압은 VDD-(Vth(NMOS);NMOS 트랜지스터 문턱전압)에서 VDD-(Vth(NMOS);NMOS 트랜지스터 문턱전압)-(Vth(PMOS);PMOS 트랜지스터 문턱전압)까지의 범위가 되고, 광전류가 제 1 동적 범위 제어 소자의 subthreshold 범위의 전류만큼 오버플로우 하여 포토다이오드의 전압이 결정되는 것을 특징으로 하는 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제 1,2 동적 범위 제어 소자에 의해,
    하이 오버플로우(High-overflow) 단계에서의 포토다이오드 전압은 VDD-(Vth(NMOS);NMOS 트랜지스터 문턱전압)-(Vth(PMOS);PMOS 트랜지스터 문턱전압)로부터 0까지의 범위가 되고, 광전류가 제 1 동적 범위 제어 소자의 인버전(inversion) 범위의 전류만큼 오버플로우하여 포토다이오드의 전압이 결정되는 것을 특징으로 하는 넓은 동적 범위을 갖는 씨모스 이미지 센서.
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