KR100984698B1 - Image sensor and its driving method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 포토 다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 확산 노드 영역(FD), 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉티브 트랜지스터(Sx)를 포함하는 픽셀 구조를 갖는 종래의 이미지 센서와는 달리, 확산 노드 영역(FD)과 드라이브 트랜지스터(Dx)의 드레인 단자를 연결하여 선택 스위칭되는 제 1 스위칭 트랜지스터와, 제 2 전원(VDD2)과 드라이브 트랜지스터(Dx)의 게이트 단자를 연결하여 선택 스위칭되는 제 2 스위칭 트랜지스터와, 제 1 전원(VDD1)과 드라이브 트랜지스터(Dx)의 드레인 단자를 연결하여 선택 스위칭되는 제 3 스위칭 트랜지스터를 포함하여 선택 스위칭을 통해 제 1 출력 전압과 제 2 출력 전압을 출력함으로써, 제 1 출력 전압과 제 2 출력 전압의 차이인 다이나믹 레인지(Dynamic Range)를 증가시킬 수 있는 것이다.The present invention relates to an image sensor and a driving method thereof, and for this purpose, the present invention provides a photodiode (PD), a transfer transistor (Tx), a diffusion node region (FD), a reset transistor (Rx), a drive transistor (Dx) and Unlike a conventional image sensor having a pixel structure including a selective transistor Sx, a first switching transistor and a second power supply that are selectively switched by connecting a diffusion node region FD and a drain terminal of a drive transistor Dx A second switching transistor that is selectively switched by connecting the gate terminal of the VDD2 and the drive transistor Dx, and a third switching transistor that is selectively switched by connecting the drain terminal of the first power supply VDD1 and the drive transistor Dx. By outputting the first output voltage and the second output voltage via selective switching, the dynamic being the difference between the first output voltage and the second output voltage. It is possible to increase the dynamic range.
이미지 센서, 포토 다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 확산 노드 영역(FD), 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx), 셀렉티브 트랜지스터(Sx) Image sensor, photodiode (PD), transfer transistor (Tx), diffusion node region (FD), reset transistor (Rx), drive transistor (Dx), selective transistor (Sx)
Description
본 발명은 이미지 센서의 구동 기법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CMOS 이미지 센서의 4-트랜지스터 픽셀 구조를 갖는 이미지 센서를 구동하는데 적합한 이미지 센서 및 그 구동 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a driving technique of an image sensor, and more particularly, to an image sensor and a driving method thereof suitable for driving an image sensor having a four-transistor pixel structure of a CMOS image sensor.
잘 알려진 바와 같이, 이미지 센서는 CCD 센서, CMOS 이미지 센서 등으로 구분할 수 있으며, 기본적으로 실리콘 밴드갭보다 큰 에너지의 빛에 의하여 생성된 전자-홀 쌍(pair)을 이용하는데, 어느 한쪽(전자 또는 홀)을 모음으로써, 조사된 빛의 양을 추정하는 기법을 이용하고 있다.As is well known, an image sensor can be classified into a CCD sensor, a CMOS image sensor, etc., and basically uses an electron-hole pair generated by light of energy larger than the silicon bandgap. Holes are used to estimate the amount of light emitted.
특히, CMOS 이미지 센서는 각각의 감광 픽셀 내부에서 일반적인 CMOS 소자의 경우와 유사하게 포토 다이오드(PD : Photo Diode) 및 트랜지스터를 구현함으로써, 기존의 CMOS 반도체 제조 공정을 거의 그대로 사용하기 때문에, 별도의 칩에서 이미지 신호 처리부를 가져야 하는 CCD 이미지 센서에 비해 픽셀 외부 블록에 이미지 신호 처리 및 검출을 위한 회로를 일체화하여 집적할 수 있고, 저전압 동작이 가능하며 제조 단가가 낮은 장점이 있다.In particular, the CMOS image sensor implements a photo diode (PD) and a transistor similarly to a general CMOS device in each photosensitive pixel, and thus uses a conventional CMOS semiconductor manufacturing process almost as it is. Compared to a CCD image sensor that must have an image signal processor, the integrated circuit for image signal processing and detection can be integrated into an external block of pixels, and low voltage operation is possible and manufacturing cost is low.
이러한 CMOS 이미지 센서는 하나의 감광 픽셀을 이루는 트랜지스터의 수에 의해 4-트랜지스터 픽셀 구조와 3-트랜지스터 픽셀 구조로 나누어지는데, 필 팩터(fill factor)와 제조 단가의 측면에서 3-트랜지스터 픽셀 구조가 장점을 가짐에도 불구하고, 수광부와 검출부를 분리시키고 표면을 제외한 실리콘 벌크로 수광부를 만들어 빛에 대한 응답성, 민감도가 높고, 암전류, 잡음 등에 강한 4-트랜지스터 픽셀 구조가 일반적으로 사용되고 있다.The CMOS image sensor is divided into a 4-transistor pixel structure and a 3-transistor pixel structure by the number of transistors constituting a single photosensitive pixel, and the three-transistor pixel structure has advantages in terms of fill factor and manufacturing cost. In spite of having a light-receiving part and a detecting part, and a light-receiving part made of silicon bulk except for the surface, a 4-transistor pixel structure having high responsiveness to light, high sensitivity, and strong dark current and noise is generally used.
도 1은 종래에 따라 CMOS 이미지 센서의 4-트랜지스터 픽셀 구조를 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a 4-transistor pixel structure of a CMOS image sensor according to the related art.
도 1을 참조하면, 4-트랜지스터 픽셀 구조는 4개의 트랜지스터로 구성된 구조로서, 광 감지 수단이 포토 다이오드(PD, 104))와 4개의 NMOS 트랜지스터가 하나의 단위 감광 픽셀을 구성하는데, 4개의 트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx : Transfer TR, 106)는 포토 다이오드(PD)에서 생성된 광 전하를 확산 노드 영역(FD : Floating Diffusion, 108)으로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx : Reset TR, 110)는 신호 검출을 위해 확산 노드 영역(FD) 또는 포토 다이오드(PD)에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하며, 드라이브 트랜지스터(Dx : Driving TR, 112)는 소스 팔로워(source follower) 트랜지스터로서 역할을 하고, 셀렉티브 트랜지스터(Sx : Selective TR, 114)는 스위칭(switching)/어드레싱(addressing)을 위한 것이다.Referring to FIG. 1, the four-transistor pixel structure is composed of four transistors. The photo-sensing means includes a photodiode (PD, 104) and four NMOS transistors, which constitute one unit photosensitive pixel. The transfer transistor (Tx: Transfer TR, 106) transfers photocharge generated in the photodiode (PD) to the diffusion node region (FD: Floating Diffusion, 108), and reset transistor (Rx: Reset TR, 110). ) Discharges the charge stored in the diffusion node region (FD) or photodiode (PD) for signal detection, and the drive transistor (Dx: Driving TR) 112 serves as a source follower transistor. In addition, the selective transistor Sx (Selective TR) 114 is for switching / addressing.
또한, 포토 다이오드 영역(PD, 104)과 이와 병행적으로 존재하는 커패시턴스(capacitance)는 수광부를 이루고, 수광된 전자를 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx, 106)는 광자(photon)에 의하여 발생된 전자를 확산 노드 영역(FD, 108)으로 전달하는 역할을 수행하며, 2차원의 이미지를 얻기 위해서 하나의 열을 선택하기 위한 셀렉티브 트랜지스터(Sx, 114)의 게이트를 통해 전위를 인가하는 방식을 취한다. 특히, 각 감광 픽셀은 전류원에 의하여 바이어스 되는데, 전류원은 드라이브 트랜지스터(Dx, 112)와 셀렉티브 트랜지스터(Sx, 114)를 동작시켜 확산 노드 영역(FD, 108)의 전위를 출력 노드로 읽어낼 수 있도록 한다. 여기에서, 점선으로 표시된 A 영역은 이미지 센서의 하나의 픽셀 사이즈를 의미한다.In addition, the photodiode region PD and the capacitance present in parallel with each other form a light-receiving portion, and the transfer transistors Tx and 106 which transmit the received electrons may receive electrons generated by photons. It serves to transfer to the diffusion node region (FD) 108, and takes a method of applying a potential through the gate of the selective transistor (Sx, 114) for selecting one column to obtain a two-dimensional image. In particular, each photosensitive pixel is biased by a current source, which operates the drive transistors Dx and 112 and the selective transistors Sx and 114 to read the potential of the diffusion
예를 들면, 셀렉티브 트랜지스터(Sx, 114)가 온(on)되어 특정 픽셀이 선택되고, 포토 다이오드(PD, 104)에 빛이 들어와서 신호 전자들이 생성되며, 이 신호 전자들이 출력 전압(Vout)으로 출력되는데, 빛이 없을 때 리셋 트랜지스터(Rx, 110)를 온시켜 확산 노드 영역(FD, 108)의 리키지 전자들을 모두 VDD(102)로 인가시켜 확산 노드 영역(FD, 108)의 전압이 VDD 전압과 동전위(예컨대 3.0 V 등)가 되고, 리셋 트랜지스터(Rx, 110)가 오프(off)되면 리셋 트랜지스터(Rx, 110)의 채널에 전자들이 랜덤(random)하게 움직여 그 중 확산 노드 영역(FD, 108)으로 돌아오는 전자들에 의해 대략 2.9 V 수준으로 그 확산 노드 영역(FD, 108)의 전압이 감소한다. 여기에서, 감소하는 대략 0.1 V의 전압은 잡음(noise)을 의미한다.For example, the selective transistors Sx and 114 are turned on to select a specific pixel, and light enters the
그리고, 확산 노드 영역(FD, 108)의 전압 2.9 V는 드라이브 트랜지스터(Dx, 112)의 게이트에 인가되면 출력 전압이 드라이브 트랜지스터(Dx, 112)의 문턱 전압(Vth)만큼 대략 0.5 V 정도 감소되어 기준 출력 전압(Vout1)이 대략 2.4 V로 출력된다. 여기에서, 게이트 전압이 대략 2.9 V이므로 드레인에 VDD 전압으로 3 V가 인가되더라도 전부(fully) 소오스 단자로 전달되기 때문에 전달 가능 전압은 문턱 전압(Vth)인 대략 0.5 V정도 감소된 대략 2.4 V가 된다.When the voltage 2.9 V of the diffusion
이후에, 빛이 최대로 들어오면(즉, 포토 다이오드가 신호 전자를 최대로 생성하면) 트랜스퍼 트랜지스터(Tx, 106)를 온시켜 포토 다이오드(PD, 104)에 생성된 대략 1.0 V 용량의 신호 전자들이 확산 노드 영역(FD, 108)으로 이동하게 되고, 그 확산 노드 영역(FD, 108)의 전압은 대략 1.9 V 정도로 감소하게 되며, 감소된 확산 노드 영역(FD, 108)의 전압 1.9 V가 드라이브 트랜지스터(Dx, 112)의 게이트로 인가되면 출력 전압이 드라이브 트랜지스터(Dx, 112)의 문턱 전압(Vth) 만큼 대략 0.5 V 정도 감소되어 빛이 최대로 들어왔을 때의 출력 전압(Vout2)이 대략 1.4 V로 출력된다.Subsequently, when light comes in at maximum (i.e., the photodiode produces the maximum signal electrons), the transistors of the approximately 1.0 V capacitance generated in the photodiode PD, 104 are turned on by the transfer transistors Tx and 106. Are moved to the diffusion
이에 따라, 두 출력 전압의 차이(Vout1-Vout2)는 대략 1.0 V가 되며, 빛이 없을 때의 기준 출력 전압(Vout1)과 빛이 최대일 때의 출력 전압(Vout2)의 전압 차이는 포토 다이오드(PD, 104)의 최대 용량, 즉, 다이나믹 레인지(Dynamic Range)를 의미한다. 여기에서, 상술한 바와 같은 예시는 포토 다이오드(PD, 104)의 다이나믹 레인지가 1.0 V, 드라이브 트랜지스터(Dx, 112)의 문턱 전압(Vth)이 0.5 V, VDD(102)가 3.0 V일 때를 가정하여 설명한 것이다.Accordingly, the difference between the two output voltages (V out 1-V out 2) becomes approximately 1.0 V, and the difference between the reference output voltage Vout1 when there is no light and the output voltage Vout2 when the light is maximum. Denotes a maximum capacity of the photodiode PD, that is, a dynamic range. Here, the example as described above is when the dynamic range of the photodiode PD, 104 is 1.0V, the threshold voltage Vth of the drive transistors Dx, 112 is 0.5V, and the
하지만, 종래의 4-트랜지스터 픽셀 구조에서 다이나믹 레인지인 1.0 V를 8비트(256코드)로 나누면 1코드 당 3.9 mV가 되고, 1코드는 각 컬러의 그레이(gray) 전압(1계조)을 의미하는데, 1코드 당 전압이 높아야 잡음에 강하고, 각 그레이별 명함 차이가 확실하게 나타나게 되어 색감도가 향상되기 때문에, 이러한 다이나믹 레인지를 증가시켜야 하지만 픽셀 사이즈에는 한계가 있어 포토 다이오드(PD, 104)의 면적을 증가시키는데 한계가 있는 실정이다.However, in the conventional 4-transistor pixel structure, dividing the dynamic range of 1.0 V into 8 bits (256 codes) results in 3.9 mV per code, and 1 code means gray voltage (1 gradation) of each color. However, the higher the voltage per code, the better the noise, and the difference in the business cards of each gray appear clearly, which improves the color sensitivity. However, the pixel size is limited and the area of the photodiode (PD, 104) is limited. There is a limit to increase the.
이에 따라, 본 발명은 스위칭 트랜지스터를 이용하여 확산 노드 영역(FD)의 단자와 드라이브 트랜지스터(Dx)의 게이트 단자와 드레인 단자에 선택적으로 연결시켜 다이나믹 레인지를 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 구동 방법을 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention provides an image sensor and a driving method thereof that can increase the dynamic range by selectively connecting to the terminal of the diffusion node region (FD), the gate terminal and the drain terminal of the drive transistor (Dx) using a switching transistor. To provide.
또한, 본 발명은 스위칭 트랜지스터가 연결된 이미지 센서에 추가 VDD를 연결하여 다이나믹 레인지를 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 구동 방법을 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide an image sensor and a driving method thereof that can increase the dynamic range by connecting an additional VDD to the image sensor connected to the switching transistor.
일 관점에서 본 발명은, 포토 다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 확산 노드 영역(FD), 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉티브 트랜지스터(Sx)를 포함하는 픽셀 구조를 갖는 이미지 센서로서, 상기 확산 노드 영역(FD)과 상기 드라이브 트랜지스터(Dx)의 드레인 단자를 연결하여 선택 스위칭되는 제 1 스위칭 트랜지스터와, 제 2 전원(VDD2)과 상기 드라이브 트랜지스터(Dx)의 게이트 단자를 연결하여 선택 스위칭되는 제 2 스위칭 트랜지스터와, 제 1 전원(VDD1)과 상기 드라이브 트랜지스터(Dx)의 상기 드레인 단자를 연결하여 선택 스위칭되는 제 3 스위칭 트랜지스터를 포함하며, 상기 이미지 센서는, 해당 픽셀이 발광하지 않은 경우 상기 제 1 스위칭 트랜지스터 및 제 2 스위칭 트랜지스터를 온시키고, 상기 제 3 스위칭 트랜지스터를 오프시켜 제 1 출력 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.In one aspect, the present invention has a pixel structure including a photodiode (PD), a transfer transistor (Tx), a diffusion node region (FD), a reset transistor (Rx), a drive transistor (Dx) and a selective transistor (Sx). An image sensor comprising: a first switching transistor to be selectively switched by connecting the diffusion node region FD and a drain terminal of the drive transistor Dx, and a gate terminal of the second power supply VDD2 and the drive transistor Dx. And a second switching transistor to be selectively switched by connecting, and a third switching transistor to be selectively switched by connecting the first power supply VDD1 and the drain terminal of the drive transistor Dx. The image sensor may include a corresponding pixel. When not emitting light, when the first switching transistor and the second switching transistor are turned on and the third switching transistor is turned off Claim to provide an image sensor, characterized in that for outputting a first output voltage.
다른 관점에서 본 발명은, 포토 다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 확산 노드 영역(FD), 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉티브 트랜지스터(Sx)를 포함하는 픽셀 구조를 갖는 이미지 센서를 구동하는 방법으로서, 상기 픽셀 구조에 제 1 스위칭 트랜지스터, 제 2 스위칭 트랜지스터 및 제 3 스위칭 트랜지스터를 구성하는 단계와, 상기 제 1 스위칭 트랜지스터, 제 2 스위칭 트랜지스터 및 제 3 스위칭 트랜지스터를 구성한 상기 픽셀 구조에 제 1 전원(VDD1)과 제 2 전원(VDD2)을 공급하는 단계와, 상기 픽셀 구조를 갖는 해당 픽셀이 발광하지 않은 경우 상기 제 1 스위칭 트랜지스터 및 제 2 스위칭 트랜지스터를 온시키고, 상기 제 3 스위칭 트랜지스터를 오프시켜 제 1 출력 전압을 출력하는 단계와, 상기 픽셀의 최대 발광 시 상기 제 3 스위칭 트랜지스터를 온시키고, 상기 제 1 스위칭 트랜지스터 및 제 2 스위칭 트랜지스터를 오프시켜 제 2 출력 전압을 출력하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 구동 방법을 제공한다.In another aspect, the present invention has a pixel structure including a photodiode (PD), a transfer transistor (Tx), a diffusion node region (FD), a reset transistor (Rx), a drive transistor (Dx) and a selective transistor (Sx). A method of driving an image sensor, comprising: configuring a first switching transistor, a second switching transistor, and a third switching transistor in the pixel structure, wherein the first switching transistor, the second switching transistor, and the third switching transistor are configured; Supplying a first power supply VDD1 and a second power supply VDD2 to a pixel structure, turning on the first switching transistor and the second switching transistor when the corresponding pixel having the pixel structure does not emit light; Turning off the third switching transistor to output a first output voltage, and the third switching upon maximum emission of the pixel And turning on the transistor, and turning off the first switching transistor and the second switching transistor to output a second output voltage.
본 발명은, 포토 다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 확산 노드 영역(FD), 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉티브 트랜지스터(Sx)를 포함하는 픽셀 구조를 갖는 종래의 이미지 센서와는 달리, 제 1 스위칭 트랜지스터, 제 2 스위칭 트랜지스터 및 제 3 트랜지스터의 선택 스위칭을 이용하는 것으로, 픽셀의 발광이 없을 경우 제 1 스위칭 트랜지스터 및 제 2 스위칭 트랜지스터를 온시킴과 동시에 제 3 스위칭 트랜지스터를 오프시켜 제 1 출력 전압을 출력시키고, 픽셀의 최대 발광 시 제 1 스위칭 트랜지스터 및 제 2 스위칭 트랜지스터를 오프시킴과 동시에 제 3 스위칭 트랜지스터를 온시켜 제 2 출력 전압을 출력시킴으로써, 제 1 출력 전압과 제 2 출력 전압의 차이값을 증가시킬 수 있어 그에 대응하는 다이나믹 레인지를 증가시킬 수 있다.The present invention is a conventional image having a pixel structure including a photodiode (PD), a transfer transistor (Tx), a diffusion node region (FD), a reset transistor (Rx), a drive transistor (Dx) and a selective transistor (Sx). Unlike the sensor, by using the selective switching of the first switching transistor, the second switching transistor and the third transistor, when there is no light emission of the pixel, the third switching transistor is turned on simultaneously with turning on the first switching transistor and the second switching transistor. By turning off the first output voltage, turning off the first switching transistor and the second switching transistor at the time of maximum light emission of the pixel, and turning on the third switching transistor to output the second output voltage. 2 You can increase the difference between the output voltages and increase the corresponding dynamic range. .
본 발명의 기술요지는, 빛이 없을 경우 제 1 트랜지스터와 제 2 트랜지스터를 온시키고, 제 3 트랜지스터는 오프시켜 제 2 전원을 드라이브 트랜지스터의 게이트 단자로 인가시키며, 확산 노드 영역의 전압을 드라이브 트랜지스터의 드레인 단자로 인가시켜 제 1 출력 전압을 출력하고, 빛이 최대로 들어올 경우 제 1 트랜지스터와 제 2 트랜지스터를 오프시키고, 제 3 트랜지스터는 온시켜 확산 노드 영역의 전압을 드라이브 트랜지스터의 게이트 단자로 인가시켜 제 2 출력 전압을 출력한다는 것이며, 이러한 기술적 수단을 통해 종래 기술에서의 문제점을 해결할 수 있다.The technical idea of the present invention is to turn on the first transistor and the second transistor when there is no light, turn off the third transistor to apply a second power source to the gate terminal of the drive transistor, and apply the voltage of the diffusion node region of the drive transistor. The first output voltage is output by applying to the drain terminal, and when the maximum light comes in, the first transistor and the second transistor are turned off, and the third transistor is turned on to apply the voltage in the diffusion node region to the gate terminal of the drive transistor. It is to output the second output voltage, through the technical means can solve the problems in the prior art.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 CMOS 이미지 센서의 4-트랜지스터 픽셀 구조를 나타낸 도면이다.2 is a diagram illustrating a four-transistor pixel structure of a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment.
도 2를 참조하면, 제 1 전원(VDD1, 202a)은 3.0 V를 공급하고, 제 2 전원(VDD2, 202b)은 3.5 V가 공급되는 상태에서, 빛이 없을 때는 제 3 트랜지스터(M3, 216c)는 오프(off)시키고, 제 1 트랜지스터(M1, 216a)와 제 2 트랜지스터(M2, 216b)는 온(on)시켜서 2.9 V의 확산 노드 영역(FD, 208)의 전압은 드라이브 트랜지스터(Dx, 212)의 드레인 단자에 인가되며, 제 2 전원(VDD2, 202b)인 3.5 V가 드라이브 트랜지스터(Dx, 212)의 게이트 단자에 인가되어 드라이브 트랜지스터(Dx, 212)의 드레인 단자의 2.9 V는 전부 소오스 단자로 전달되어 제 1 출력 전압(Vout1)으로 출력된다.Referring to FIG. 2, when the first power supplies VDD1 and 202a are supplied with 3.0 V and the second power supplies VDD2 and 202b are supplied with 3.5 V, when there is no light, the third transistors M3 and 216c are not present. Is turned off, and the first transistors M1 and 216a and the second transistors M2 and 216b are turned on so that the voltage of the diffusion
이 때, 드라이브 트랜지스터(Dx, 212)의 게이트 전압이 3.5 V이므로 드라이브 트랜지스터(Dx, 212)의 문턱 전압(Vth)인 0.5V의 감소를 고려해도 대략 3.0 V까지 전달할 수 있다. 여기에서, 제 1 트랜지스터(M1, 216a)는 확산 노드 영역(FD)과 드라이브 트랜지스터(Dx, 212)의 드레인 단자를 연결하도록 구성되며, 제 2 트랜지스터(M2, 216b)는 제 2 전원(VDD2, 202b)과 드라이브 트랜지스터(Dx, 212)의 게이트 단자를 연결하도록 구성되고, 제 3 트랜지스터(M3)는 제 1 전원(VDD1, 202a)과 드라이브 트랜지스터(Dx, 212)의 드레인 단자를 연결하도록 구성된다. 이러한 제 1 트랜지스터(M1, 216a), 제 2 트랜지스터(M2, 216b) 및 제 3 트랜지스터(M3, 216c)는 스위칭 트랜지스터로서 동작한다.In this case, since the gate voltage of the drive transistors Dx and 212 is 3.5 V, the gate voltage of the drive transistors Dx and 212 may be transferred to approximately 3.0 V even when a decrease of 0.5 V, which is the threshold voltage Vth of the drive transistors Dx and 212 is considered. Here, the first transistors M1 and 216a are configured to connect the diffusion node region FD and the drain terminal of the drive transistors Dx and 212, and the second transistors M2 and 216b are connected to the second power source VDD2, 202b is configured to connect the gate terminals of the drive transistors Dx and 212, and the third transistor M3 is configured to connect the first power sources VDD1 and 202a to the drain terminals of the drive transistors Dx and 212. . The first transistors M1 and 216a, the second transistors M2 and 216b, and the third transistors M3 and 216c operate as switching transistors.
이 후에, 빛이 최대로 들어와서 포토 다이오드(PD, 204)에 1.0 V용량의 신호 전자가 생성되어 트랜스퍼 트랜지스터(Tx, 206)를 통해 확산 노드 영역(FD, 208)으로 전달되면 확산 노드 영역(FD, 208)의 전압은 대략 1.9 V로 감소한다. 이 때, 제 3 트랜지스터(M3, 216c)를 온시킨 상태이고, 제 1 트랜지스터(M1, 216a)와 제 2 트랜지스터(M2, 216b)는 오프시킨 상태이다.Afterwards, when light enters to the maximum, signal electrons having a 1.0 V capacitance are generated in the photodiodes PD and 204, and are transferred to the diffusion node regions FD and 208 through the transfer transistors Tx and 206. The voltage at
여기에서, 확산 노드 영역(FD, 208)의 전압은 드라이브 트랜지스터(Dx, 212)의 게이트 단자에 인가되고, 문턱 전압(Vth)만큼 감소되어 제 2 출력 전압(Vout2)이 대략 1.4 V로 출력된다.Here, the voltages of the diffusion node regions FD and 208 are applied to the gate terminals of the drive transistors Dx and 212, and are reduced by the threshold voltage Vth so that the second output voltage Vout2 is output at approximately 1.4V. .
이에 따라, 다이나믹 레인지(Dynamic Range)는 제 1 출력 전압(Vout1)과 제 2 출력 전압(Vout2)의 차이(즉, Vout1-Vout2=2.9V-1.4V)로서, 대략 1.5 V가 되어 0.5 V만큼 증가시키게 된다. 여기에서, 제 2 전원(VDD2, 202b)과 제 2 트랜지스터(M2, 216b), 그리고 제 3 트랜지스터(M3, 216c)는 각각의 픽셀에 연결되어 공용으로 이용되기 때문에, 점선으로 표시된 B 영역(즉, 픽셀 사이즈)에는 영향을 주지 않으며, 픽셀 내에는 제 1 트랜지스터(M1, 216a) 1개만 증가하게 된다Accordingly, the dynamic range is the difference between the first output voltage Vout1 and the second output voltage Vout2 (that is, Vout1-Vout2 = 2.9 V-1.4 V), which is approximately 1.5 V and is 0.5 V. Is increased. Here, since the second power sources VDD2 and 202b, the second transistors M2 and 216b, and the third transistors M3 and 216c are commonly used in connection with each pixel, the B region indicated by a dotted line (that is, , Pixel size) is not affected, and only one first transistor M1, 216a is increased in the pixel.
한편, 픽셀 당 트랜지스터의 수가 1개 증가하는 것으로 설명하였으나, 이는 다수의 픽셀들을 묶어서 공용 방식(Shared type)으로 할 경우 단위 픽셀 당 트랜지스터의 수를 더욱 감소시킬 수 있다. 여기에서, 공용 방식으로 이미지 센서의 픽셀을 구성할 경우 하나의 확산 노드 영역(FD)에 다수개의 포토 다이오드(PD)와 다수개의 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 세트로 연결해서 적용할 수 있다.Meanwhile, although the number of transistors per pixel is increased by one, this may reduce the number of transistors per unit pixel when a plurality of pixels are bundled and shared. Here, when the pixels of the image sensor are configured in a common manner, a plurality of photodiodes PD and a plurality of transfer transistors Tx may be connected and applied to one diffusion node region FD.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 픽셀 구조를 통해 빛이 없을 경우 제 1 트랜지스터와 제 2 트랜지스터를 온시키고, 제 3 트랜지스터는 오프시켜 제 2 전 원을 드라이브 트랜지스터의 게이트 단자로 인가시키며, 확산 노드 영역의 전압을 드라이브 트랜지스터의 드레인 단자로 인가시켜 제 1 출력 전압을 출력하고, 빛이 최대로 들어올 경우 제 1 트랜지스터와 제 2 트랜지스터를 오프시키고, 제 3 트랜지스터는 온시켜 확산 노드 영역의 전압을 드라이브 트랜지스터의 게이트 단자로 인가시켜 제 2 출력 전압을 출력하는 과정에 대해 설명한다.Next, through the pixel structure having the above-described configuration, when there is no light, the first transistor and the second transistor are turned on, the third transistor is turned off to apply the second power to the gate terminal of the drive transistor, and diffused. The voltage of the node region is applied to the drain terminal of the drive transistor to output the first output voltage. When the light comes in at maximum, the first transistor and the second transistor are turned off, and the third transistor is turned on to reduce the voltage of the diffusion node region. A process of outputting the second output voltage by applying to the gate terminal of the drive transistor will be described.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 이미지 센서의 픽셀에 스위칭 트랜지스터를 부가하여 다이나믹 레인지를 증가시키도록 출력 전압을 출력하는 과정을 나타낸 플로우차트이다.3 is a flowchart illustrating a process of outputting an output voltage to increase a dynamic range by adding a switching transistor to a pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 제 1 전원(VDD1, 202a)이 3.0 V, 제 2 전원(VDD2, 202b)이 3.5 V가 공급되는 상태에서 픽셀이 발광하지 않을 경우 스위칭 트랜지스터인 제 1 트랜지스터(M1, 216a) 및 제 2 트랜지스터(M2, 216b)를 온(on)시킨다(단계302). 여기에서, 제 1 트랜지스터(M1, 216a)는 확산 노드 영역(FD)과 드라이브 트랜지스터(Dx, 212)의 드레인 단자를 연결하도록 구성되며, 제 2 트랜지스터(M2, 216b)는 제 2 전원(VDD2, 202b)과 드라이브 트랜지스터(Dx, 212)의 게이트 단자를 연결하도록 구성된다.Referring to FIG. 3, when the pixel does not emit light when the first power sources VDD1 and 202a are supplied with 3.0 V and the second power sources VDD2 and 202b are supplied with 3.5 V, the first transistors M1 and 216a which are switching transistors. And the second transistors M2 and 216b are turned on (step 302). Here, the first transistors M1 and 216a are configured to connect the diffusion node region FD and the drain terminal of the drive transistors Dx and 212, and the second transistors M2 and 216b are connected to the second power source VDD2, 202b and the gate terminal of the drive transistors Dx and 212.
이와 동시에, 제 1 전원(VDD1, 202a)과 드라이브 트랜지스터(Dx, 212)의 드레인 단자를 연결하도록 구성된 스위칭 트랜지스터인 제 3 트랜지스터(M3, 216c)는 오프(off)시킨다(단계304).At the same time, the third transistors M3 and 216c, which are switching transistors configured to connect the first power supplies VDD1 and 202a and the drain terminals of the drive transistors Dx and 212, are turned off (step 304).
이에 따라, 2.9 V의 확산 노드 영역(FD, 208)의 전압은 드라이브 트랜지스터(Dx, 212)의 드레인 단자에 인가되며, 제 2 전원(VDD2, 202b)인 3.5 V가 드라이 브 트랜지스터(Dx, 212)의 게이트 단자에 인가됨으로써, 드라이브 트랜지스터(Dx, 212)의 드레인 단자의 2.9 V는 전부 소오스 단자로 전달되어 제 1 출력 전압(Vout1)으로 출력된다(단계306).Accordingly, the voltage of the diffusion node regions FD and 208 of 2.9 V is applied to the drain terminals of the drive transistors Dx and 212, and 3.5 V as the second power sources VDD2 and 202b is the drive transistors Dx and 212. Is applied to the gate terminal of the drive transistors Dx and 212, and all of the 2.9 Vs of the drain terminals of the drive transistors Dx and 212 are transferred to the source terminal and output as the first output voltage V out 1 (step 306).
한편, 픽셀이 최대로 발광할 경우 스위칭 트랜지스터인 제 1 트랜지스터(M1, 216a) 및 제 2 트랜지스터(M2, 216b)를 오프시킴과 동시에, 스위칭 트랜지스터인 제 3 트랜지스터(M3, 216c)는 온시킨다(단계308, 310).On the other hand, when the pixel emits maximum light, the first transistors M1 and 216a which are switching transistors and the second transistors M2 and 216b are turned off and the third transistors M3 and 216c which are switching transistors are turned on (
이에 따라, 확산 노드 영역(FD, 208)의 전압은 드라이브 트랜지스터(Dx, 212)의 게이트 단자에 인가되고, 문턱 전압(Vth)만큼 감소되어 제 2 출력 전압(Vout2)이 대략 1.4 V로 출력된다(단계312).Accordingly, the voltages of the diffusion node regions FD and 208 are applied to the gate terminals of the drive transistors Dx and 212, and are reduced by the threshold voltage Vth to output the second output voltage Vout2 at approximately 1.4 V. (Step 312).
따라서, 스위칭 트랜지스터를 이용하여 드레인 트랜지스터에 제 1 전원 또는 제 2 전원과 확산 노드 영역의 전압을 선택적으로 게이트 단자와 드레인 단자에 인가시켜 각각의 출력 전압을 출력함으로써, 다이나믹 레인지를 증가시킬 수 있다.Accordingly, the dynamic range can be increased by selectively applying the voltages of the first power source or the second power source and the diffusion node region to the gate terminal and the drain terminal using the switching transistor to output respective output voltages.
한편, 상술한 본 발명의 일 실시 예에서는 도 2에 도시한 바와 같은 B 영역으로 표시된 단위 픽셀 당 제 3 트랜지스터만을 포함시켜 구성하는 것으로 하여 설명하였으나, 이는 여러 픽셀들을 묶어서 공용 방식으로 할 경우 단위 픽셀 당 트랜지스터의 수를 더욱 감소시킬 수 있다.Meanwhile, in the above-described exemplary embodiment of the present invention, only the third transistor is included per unit pixel indicated by the region B as illustrated in FIG. 2, but the third transistor is included in the unit pixel. The number of transistors per sugar can be further reduced.
이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여 러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.In the above description, the present invention has been described with reference to preferred embodiments, but the present invention is not necessarily limited thereto, and a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains may have various limitations without departing from the technical spirit of the present invention. It will be readily appreciated that various substitutions, modifications and variations are possible.
도 1은 종래에 따라 CMOS 이미지 센서의 4-트랜지스터 픽셀 구조를 나타낸 도면,1 is a diagram illustrating a 4-transistor pixel structure of a CMOS image sensor according to the related art;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 CMOS 이미지 센서의 4-트랜지스터 픽셀 구조를 나타낸 도면,2 illustrates a 4-transistor pixel structure of a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 이미지 센서의 픽셀에 스위칭 트랜지스터를 부가하여 다이나믹 레인지를 증가시키도록 출력 전압을 출력하는 과정을 나타낸 플로우차트.3 is a flowchart illustrating a process of outputting an output voltage to increase a dynamic range by adding a switching transistor to a pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
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