KR101064495B1 - Wide Dynamic-Range Image Sensor and Operating Method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이미지 센서의 다이나믹 레인지 특성을 향상시킬 수 있는 화소 구조 및 그 동작방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 이미지 센서용 화소는 입력 광에 대응하여 전하를 생성하는 포토 다이오드; 서로 다른 신호에 응답하여 상기 전하를 저장하고 플로팅 확산 영역으로 전달하는 저장전달부; 리셋 신호에 응답하여 상기 플로팅 확산 영역을 리셋하는 리셋부; 및 상기 플로팅 확산 영역의 전압을 증폭하여 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention is to provide a pixel structure and an operation method thereof that can improve the dynamic range characteristics of an image sensor. According to an exemplary embodiment of the present invention, a pixel for an image sensor includes: a photodiode generating charge in response to input light; A storage transfer unit storing the charge in response to different signals and transferring the charge to a floating diffusion region; A reset unit for resetting the floating diffusion region in response to a reset signal; And an output unit configured to amplify and output the voltage of the floating diffusion region.

다이나믹레인지, 이미지센서, CMOS Dynamic Range, Image Sensor, CMOS

Description

광다이나믹 레인지 이미지 센서 및 그 동작방법{Wide Dynamic-Range Image Sensor and Operating Method thereof}Wide dynamic range image sensor and its operation method {Wide Dynamic-Range Image Sensor and Operating Method}

본 발명은 이미지 센서의 화소구조 및 동작방법에 관한 것으로, 특히 CMOS 이미지 센서에 있어서 다이나믹레인지(Dynamic Range)를 향상하기 위한 화소구조 및 동작방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention relates to a pixel structure and an operation method of an image sensor, and more particularly, to provide a pixel structure and an operation method for improving a dynamic range in a CMOS image sensor.

최근에 CMOS 이미지 센서는 CMOS 공정기술의 발달 및 신호처리 알고리즘의 개선 등으로 인해 기존의 CMOS 이미지 센서가 가지고 있던 단점들이 극복되어 지고 있다. CMOS 이미지 센서는 CCD 에 비해 소비전력이 적고, 저 전압 동작이 가능하며, 시스템-온-칩(System-on-chip)과 저가로 만들 수 있다는 점 등 많은 장점을 무기로 디지털 카메라나 휴대전화 등의 용도로 수요가 확대되고 있으며, 무선 내시경, 광 마우스, 머신 비전(machine vision) 등 다양한 응용 분야에도 폭 넓은 시장을 구축하고 있다. 이러한 CMOS 이미지 센서는 현재 감응도(Sensitivity), 잡음(Noise), 다이나믹레인지(Dynamic Range) 등의 측면에서 성능을 보다 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. Recently, the disadvantages of the CMOS image sensor have been overcome due to the development of the CMOS process technology and the improvement of the signal processing algorithm. CMOS image sensors offer many advantages over CCDs, such as lower power consumption, lower voltage operation, system-on-chip, and lower cost. The market is expanding in demand and is building a broad market for a variety of applications such as wireless endoscopes, optical mice, and machine vision. Such CMOS image sensors are currently being actively researched to improve performance in terms of sensitivity, noise, and dynamic range.

이 중에서 다이나믹레인지(DR)는 이미지 센서가 외부의 광에 대해서 유효한 출력을 발생할 수 있는 동작 범위를 나타내는 것으로서, 이미지의 품질과 깊은 관련이 있는 성능 지수이다. 다이나믹레인지는 신호 잡음 레벨에 대한 픽셀의 포화 레벨의 비율로서, 보통 다음의 수식으로 정의된다. The dynamic range DR indicates an operating range in which the image sensor can generate an effective output for external light, and is a performance index that is closely related to the quality of the image. Dynamic range is the ratio of the saturation level of a pixel to the signal noise level, usually defined by the following equation.

DR(dB) = 20 log10 ( 신호 포화 레벨 / 신호 잡음 레벨)DR (dB) = 20 log 10 (Signal Saturation Level / Signal Noise Level)

종래에 이용되고 있는 이미지 센서의 다이나믹 레인지는, 60∼80dB 정도로 머물러 있고, 육안 또는 은염 필름의 100∼120dB 에는 훨씬 못 미치는 상황이다. 이러한 상황에서, 육안 또는 은염 필름과 동등한 수준인 100∼120dB의 광 다이나믹 레인지를 가지는 고화질 이미지 센서의 개발이 절실하게 요구되고 있다. 이처럼 광 다이나믹 레인지를 가지는 이미지 센서는, 디지털 카메라나 휴대전화의 고품질의 화상 입력 장치 이외에, 자동차용 화상 입력 카메라, PDA (Personal Digital Assistant)용 화상 입력 카메라, 고도 교통 관리 시스템용 카메라, 감시 카메라, FA(Factory Automation) 용 카메라 또는 의료용 카메라 등의 용도로의 응용이 매우 기대되고 있다.The dynamic range of the image sensor conventionally used is about 60 to 80 dB, which is far below 100 to 120 dB of the naked eye or silver salt film. In such a situation, there is an urgent need for the development of a high quality image sensor having an optical dynamic range of 100 to 120 dB, which is equivalent to that of the naked eye or silver salt film. The image sensor having such a wide dynamic range is not only a high quality image input device of a digital camera or a mobile phone, but also an image input camera for a car, an image input camera for a PDA (Personal Digital Assistant), a camera for an advanced traffic management system, a surveillance camera, Applications for applications such as factory automation (FA) cameras or medical cameras are very expected.

도 1은 종래기술에 의한 CMOS형 이미지 센서의 화소 회로를 나타내는 도면으로, 4-Tr 구조(4개의 트랜지스터로 구성됨)를 기본으로 하고 있다. 포토다이오드(PD)는 입력되는 광에 대응하는 전하를 생성하는 기능을 수행한다. 전달 트랜지스터(M1)는 포토다이오드(PD)와 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 연결되어 있으며, 전달 신호(전달 트랜지스터(M1)의 게이트에 인가되는 신호, φT)에 따라 동작한다. 플로팅 확산 영역(FD)은 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하를 저장하는 기능을 수행한다. 전달 신호(φT)에 의하여 전달 트랜지스터(M1)가 오프(off) 상태가 되면 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하는 플로팅 확산 영역(FD)로 전달되지 아니하고 포토다이오드(PD) 내에 축적된다. 또한, 전달 신호(φT)에 의하여 전달 트랜지스터(M1)가 온(on) 상태가 되면 포토다이오드(PD)에 축적된 전하는 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달된다. 리셋 트랜지스터(M2)는 전원전압과 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 연결되어 있으며, 리셋 신호(리셋 트랜지스터(M2)의 게이트에 인가되는 신호, φR)에 따라 플로팅 확산 영역(FD)을 리셋시키는 기능을 수행한다. 드라이브 트랜지스터(M3)와 선택 트랜지스터(M4)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 수행하여 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 증폭하여 출력한다. 이때 선택 트랜지스터(M4)는 선택 신호(선택 트랜지스터(M4)의 게이트에 인가되는 신호, φX)에 따라 동작하며, 드라이브 트랜지스터(M3)에서 출력되는 전압 즉, 증폭된 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 출력한다.1 is a diagram showing a pixel circuit of a CMOS image sensor according to the prior art, and is based on a 4-Tr structure (consisting of four transistors). The photodiode PD performs a function of generating a charge corresponding to the input light. The transfer transistor M1 is connected between the photodiode PD and the floating diffusion region FD and operates according to a transfer signal (a signal applied to the gate of the transfer transistor M1, φT). The floating diffusion region FD stores a charge generated in the photodiode PD. When the transfer transistor M1 is turned off by the transfer signal φT, charges generated in the photodiode PD are not transferred to the floating diffusion region FD but are accumulated in the photodiode PD. In addition, when the transfer transistor M1 is turned on by the transfer signal φT, the charge accumulated in the photodiode PD is transferred to the floating diffusion region FD. The reset transistor M2 is connected between the power supply voltage and the floating diffusion region FD, and resets the floating diffusion region FD according to a reset signal (a signal applied to the gate of the reset transistor M2, φR). Do this. The drive transistor M3 and the selection transistor M4 act as a source follower buffer amplifier to amplify and output the voltage of the floating diffusion region FD. At this time, the selection transistor M4 operates according to the selection signal (a signal applied to the gate of the selection transistor M4, φX), and is a voltage output from the drive transistor M3, that is, a voltage of the amplified floating diffusion region FD. Outputs

도 2는 도 1의 화소 회로(10)의 동작을 설명하기 위한 신호도이다. 도 2를 참조하면, 한 주기 중에서 제1 기간(P1)에는 리셋 트랜지스터(M2)가 온이고, 선택 트랜지스터(M4)가 오프인 상태에서, 전달 트랜지스터(M1)가 온 상태가 되도록 전달 신호(φT)를 인가하여, 플로팅 확산영역(FD) 및 포토다이오드(PD)를 리셋한다. 제2 기간(P2)에는 전달 트랜지스터(M1)가 오프 상태가 되도록 전달 신호(φT)가 인가된다. 전달 트랜지스터(M1)가 오프 상태이므로, 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하는 포토다이오드(PD)에 축적된다. 제3 기간(P3)에는 전달 트랜지스터(M1)가 온 상태가 되도록 전달 신호(φT)가 인가되어, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하가 플로팅 확산 영역(FD)로 이동한다. 이 기간에 리셋 트랜지스터(M2)가 오프 상태가 되도록 리셋 신호(φR)가 인가되어, 플로팅 확산 영역(FD)이 리셋되지 아니하도록 한다. 또한, 제3 기간(P3)에 선택 트랜지스터(M4)가 온 상태가 되도록 선택 신호(φX)가 인가되어, 화소 회로(10)는 플로팅 확산 영역(FD)에 위치한 전하에 대응하는 전압을 출력한다. 종래기술에 의한 화소 회로는 이와 같이 동작하여, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하에 대응하는 전압을 출력한다. FIG. 2 is a signal diagram for describing an operation of the pixel circuit 10 of FIG. 1. Referring to FIG. 2, the transfer signal φ T so that the transfer transistor M1 is turned on while the reset transistor M2 is on and the selection transistor M4 is off in the first period P1 during one period. ) Is applied to reset the floating diffusion region FD and the photodiode PD. In the second period P2, the transfer signal φ T is applied such that the transfer transistor M1 is turned off. Since the transfer transistor M1 is in the off state, charge generated in the photodiode PD is accumulated in the photodiode PD. In the third period P3, the transfer signal φT is applied so that the transfer transistor M1 is turned on, and the charge accumulated in the photodiode PD moves to the floating diffusion region FD. In this period, the reset signal? R is applied so that the reset transistor M2 is turned off, so that the floating diffusion region FD is not reset. In addition, the selection signal φX is applied in the third period P3 so that the selection transistor M4 is turned on so that the pixel circuit 10 outputs a voltage corresponding to the charge located in the floating diffusion region FD. . The pixel circuit according to the prior art operates as described above, and outputs a voltage corresponding to the charge accumulated in the photodiode PD.

도 3은 도 1의 화소 회로(10)의 출력 특성을 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 빛의 세기(lux)가 소정 값 이하인 경우에는 빛의 세기가 증가함에 따라 출력도 변경된다. 이와 같이 빛의 세기가 증가함에 따라 출력이 변경되는 영역을 다이나믹레인지 또는 동작범위라고 한다. 빛의 세기가 소정 값 이상인 경우에는 빛의 세기가 증가하여도 출력이 변경되지 아니한다. 이와 같이 빛의 세기가 증가하여도 출력값이 증가하지 아니하는 이유는 일반적으로 오버플로우(overflow)의 발생 때문이다. 오버플로우란 포토다이오드(PD)에 소정 전하 이상이 충전되면, 전달 트랜지스터(M1)가 오프 상태인 경우에도 포토다이오드(PD)의 전하가 플로팅 확산 영역(FD)으로 이동하는 현상을 의미한다. 이와 같이 화소 회로(10)는 오버플로우에 의하여 동작 범위가 제한되어, 동작 범위를 넘는 세기의 빛이 입력되는 경우에 측정을 하지 못하는 문제점이 있다.3 is a diagram illustrating output characteristics of the pixel circuit 10 of FIG. 1. Referring to FIG. 3, when the light intensity lux is less than or equal to a predetermined value, the output is also changed as the light intensity increases. The area where the output changes as the light intensity increases is called a dynamic range or an operation range. If the light intensity is more than a predetermined value, the output does not change even if the light intensity increases. The reason why the output value does not increase even when the light intensity is increased is generally due to the occurrence of overflow. Overflow refers to a phenomenon in which, when the photodiode PD is charged with a predetermined charge or more, even when the transfer transistor M1 is in an off state, the charge of the photodiode PD moves to the floating diffusion region FD. As described above, the pixel circuit 10 has a problem in that an operation range is limited by overflow, and thus measurement cannot be performed when light with intensity exceeding the operation range is input.

본 발명은 넓은 동작 범위를 가지는 CMOS형 이미지 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a CMOS image sensor having a wide operating range.

또한, 본 발명은 픽셀의 구조의 복잡화를 최대한 방지하는 동시에, 육안 또는 은염 필름과 동등한 수준인 100∼120dB의 광 다이나믹 레인지(Wide Dynamic Range)를 가지는 고화질 이미지 센서를 제공한다.In addition, the present invention provides a high quality image sensor having a wide dynamic range of 100 to 120 dB, which is equivalent to that of the naked eye or silver salt film, while preventing complexity of the pixel structure to the maximum.

본 발명은 포토 다이오드에 축적되는 광전하를 두 단계로 나누어 출력함으로써 광 다이나믹 레인지를 가지는 이미지 센서를 제공하는 것에 것으로, 본 발명에 따른 이미지 센서는 입력 광에 대응하여 전하를 생성하는 포토 다이오드; 서로 다른 신호에 응답하여 상기 전하를 저장하고 플로팅 확산 영역으로 전달하는 저장전달부; 리셋 신호에 응답하여 상기 플로팅 확산 영역을 리셋하는 리셋부; 및 상기 플로팅 확산 영역의 전압을 증폭하여 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention provides an image sensor having an optical dynamic range by dividing and outputting photocharges accumulated in a photodiode in two stages. The image sensor according to the present invention includes: a photodiode generating charge in response to input light; A storage transfer unit storing the charge in response to different signals and transferring the charge to a floating diffusion region; A reset unit for resetting the floating diffusion region in response to a reset signal; And an output unit configured to amplify and output the voltage of the floating diffusion region.

또한, 본 발명에 따른 이미지 센서는 반도체 기판상에 형성된 제 1 내지 제 3 게이트; 상기 제 1 게이트의 일측의 상기 반도체 기판 내에 형성된 포토 다이오드 영역; 상기 제 3 게이트의 일측의 상기 반도체 기판 내에 형성된 플로팅 확산 영역; 및 상기 플로팅 확산 영역의 일측에 형성된 리셋 게이트; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the image sensor according to the present invention comprises: first to third gates formed on a semiconductor substrate; A photodiode region formed in the semiconductor substrate on one side of the first gate; A floating diffusion region formed in the semiconductor substrate on one side of the third gate; And a reset gate formed at one side of the floating diffusion region. Characterized in that it comprises a.

또한, 상기의 이미지 센서는 따른 화소의 동작 방법은 제 1 축적기간 동안 포토 다이오드에 제1 광전하를 생성 및 축적하는 단계; 상기 축적된 제 1 광전하를 저장 게이트로 전달한 후, 제 2 축적기간이 시작되고, 상기 제 2 축적기간 동안 상기 포토 다이오드에 제2 광전하를 생성 및 축적하는 단계; 상기 저장 게이트에 저장된 상기 제1 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전달하여, 제1 신호 전압으로 독출하는 단계; 및 상기 제2 광전하를 저장 게이트로 전달하고, 상기 저장 게이트에 저장된 제2 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전달하여 제2 신호전압으로 독출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. The image sensor may further include generating and accumulating a first photocharge in a photodiode during a first accumulation period; After transferring the accumulated first photocharge to a storage gate, a second accumulation period begins, and generating and accumulating a second photocharge on the photodiode during the second accumulation period; Transferring the first photocharge stored in the storage gate to a floating diffusion region, and reading the first photo voltage with a first signal voltage; And transferring the second photocharge to a storage gate, transferring the second photocharge to the floating diffusion region, and reading the second photocharge as a second signal voltage.

본 발명에 의하면 간단한 회로의 추가로 종래의 이미지 센서에 비해 동작범위가 배 이상 넓어지는 효과가 있다. According to the present invention, the operation range is more than twice as wide as that of the conventional image sensor by the addition of a simple circuit.

또한, 본 발명에 의하면, 포토 다이오드와 출력을 위한 플로팅 확산 영역 사이에 전하를 저장할 수 있는 저장 게이트를 배치하는 단순한 화소 구성으로, 육안 또는 은염 필름과 동등한 100∼120dB의 광 다이나믹 레인지를 가지는 고화질 CMOS 이미지 센서의 구현이 가능하다.In addition, according to the present invention, a high-resolution CMOS having a simple pixel configuration in which a storage gate capable of storing charge is arranged between a photodiode and a floating diffusion region for output, having an optical dynamic range of 100 to 120 dB equivalent to that of the naked eye or silver salt film. Image sensors can be implemented.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광다이나믹 레인지 CMOS 이미지 센서는 포토 다이오드(PD)와 출력을 위한 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 전하를 저장할 수 있는 저장 게이트를 포함하는 것에 특징이 있다. 이하에서는 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 광다이나믹 레인지 CMOS 이미지 센서의 화소 및 이미지 센서의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 비록 한정 된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.The wide dynamic range CMOS image sensor according to the present invention for achieving the above object is characterized in that it comprises a storage gate capable of storing charge between the photodiode (PD) and the floating diffusion region (FD) for output. Hereinafter, exemplary embodiments of a pixel and an image sensor of a wide dynamic range CMOS image sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Although the present invention has been described below by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is described below by the person skilled in the art and the present invention. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalent claims.

도 4는 본 발명에 이미지 센서의 일 실시예로서, 하나의 화소에 대한 등가 회로도를 나타낸 것이다. 4 illustrates an equivalent circuit diagram of one pixel as an embodiment of the image sensor according to the present invention.

도 4를 참조하면, 이미지 센서 회로는 빛을 수광하여 광전하를 생성하는 포토 다이오드(PD), 다수의 트랜지스터를 포함하는 저장전달부(30), 리셋 신호에 응답하여 상기 플로팅 확산 영역을 리셋하는 리셋부(T1), 및 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 증폭하여 출력하는 출력부(40)를 포함한다. Referring to FIG. 4, the image sensor circuit resets the floating diffusion region in response to a reset signal, a photodiode PD for receiving light to generate photocharges, a storage transfer unit 30 including a plurality of transistors, and a reset signal. A reset unit T1 and an output unit 40 for amplifying and outputting the voltage of the floating diffusion region FD.

상기 포토 다이오드(PD)는 앞서 설명된 바와 같이 외부로부터 빛을 수광하여 광전하를 생성하는 소자이고 종래의 다양한 광전하가 사용될 수 있다. The photodiode PD is a device for generating photocharges by receiving light from the outside as described above, and various conventional photocharges may be used.

상기 저장전달부(30)는 주변회로에서 인가되는 제 1 내지 제 3 제어신호(φF, φS, φT) 신호에 응답하여 상기 포토 다이오드(FD)에 축적된 광전하를 소정 시간 저정한 후 플로팅 확산 영역(FD)에 전달하는 역할을 한다. 저장전달부(30)는 3개의 MOS 트랜지스터(T4, T5, T6)으로 구성될 수 있는데, 이에 한정될 필요는 없다. 즉, 제어신호(φF, φS, φT)에 따라 스위칭 기능과 저장기능을 수행하여 광전하를 저장 및 전달할 수 있는 소자이면 모두 가능하다 할 것이다. The storage transmitter 30 stores the photocharges accumulated in the photodiode FD for a predetermined time in response to the first to third control signals φF, φS, and φT applied from the peripheral circuit, and then floats the floating diffusion. It serves to deliver to the area (FD). The storage transfer unit 30 may be configured of three MOS transistors T4, T5, and T6, but is not limited thereto. That is, any device capable of storing and transferring photocharges by performing a switching function and a storage function according to the control signals φF, φS, and φT will be possible.

상기 트랜지스터(T4)는 상기 제 1 제어신호(φF)가 하이 레벨로 인에이블 되는 경우에 턴온 되어 포토 다이오드(PD)에 축적되어 있는 광전하를 트랜지스터(T5)로 전달한다. 이때 제 2 제어신호(φS)는 인에이블되어 있는 상태이다. 제 1 제어신호(φF)는 상기 광전하를 전달한 후 다시 디스에이블되고 트랜지스터(T4)는 다시 턴오프된다. 그리고 소정 시간이 경과한 후 다시 제 1 제어신호가 인에이블되고 광전하를 전달하게 된다. The transistor T4 is turned on when the first control signal φF is enabled at a high level to transfer photocharges accumulated in the photodiode PD to the transistor T5. At this time, the second control signal φS is in an enabled state. The first control signal φF is disabled again after transferring the photocharge and the transistor T4 is turned off again. After a predetermined time elapses, the first control signal is again enabled and transmits the photocharge.

광전하는 트랜지스터(T5)에 저장되어 있다가 트랜지스터(T6)이 턴온 되는 경우에 플로팅 확산 영역(FD)로 전달되고 출력부(40)를 통해 출력된다. 광전하를 두번에 걸쳐 나누어 저장하고 출력함으로써 종래에 비해 동작 범위가 넓어지는 특징이 있다. The photoelectric charge is stored in the transistor T5 and is transferred to the floating diffusion region FD when the transistor T6 is turned on and output through the output unit 40. By storing and outputting the photocharge twice, the operating range is wider than in the related art.

상기 플로팅 확산 영역(FD)는 광전하가 전달되기 전에 리셋신호(φR)에 의해 리셋되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 리셋 신호가 인에이블되면 트랜지스터(T1)이 턴온되어 Vdd 레벨로 리셋된다. The floating diffusion region FD is preferably reset by the reset signal φ R before the photocharge is transferred. That is, when the reset signal is enabled, the transistor T1 is turned on to reset to the Vdd level.

그리고 출력부(40)는 드라이버 트랜지스터(T2)와 선택 트랜지스터(T3)으로 구성되어 있으며, 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 증폭하여 출력한다. The output unit 40 includes a driver transistor T2 and a selection transistor T3 and amplifies and outputs a voltage of the floating diffusion region FD.

도 5는 본 발명에 따른 제어신호들의 타이밍도를 도시한 것이다. 5 is a timing diagram of control signals according to the present invention.

도 5를 참조하면, 제 1 축적기간이 경과 한 후 제 1 제어신호(φF)가 하이 레벨로 인에이블 된 후, 제 1 광전하(C1)이 저장되고 제 2 축적시간이 시작되는 것을 확인할 수 있다. 이때 제 1 축적시간과 제 2 축적시간은 제어신호를 조절하여 시간의 장단을 조절할 수 있을 것이다. 따라서 상기 제 1 축적시간과 제 2 축적시간이 동일하게 설정할 수도 있고 상이하게 설정할 수도 있다. Referring to FIG. 5, after the first accumulation period elapses, after the first control signal φF is enabled to a high level, it can be confirmed that the first photocharge C1 is stored and the second accumulation time starts. have. In this case, the first accumulation time and the second accumulation time may be controlled by controlling a control signal. Therefore, the first accumulation time and the second accumulation time may be set identically or differently.

제 2 제어신호(φS)는 하이레벨로 인에이블 되어 있다가 제 1 축적시간이 경과한 후 소정 시간 전과 제 2 축적시간이 시작되기 전에 잠깐 동안 디스레이블 될 수 있다. The second control signal φS may be enabled at a high level and then deactivated for a short time before a predetermined time after the first accumulation time elapses and before the second accumulation time starts.

그리고 리셋 신호(φR)은 플로팅 확산 영역에 광전하가 전달되기 전에 인에이블되어 플로팅 확산 영역을 리셋한다. The reset signal φR is enabled before the photocharge is transferred to the floating diffusion region to reset the floating diffusion region.

리셋 후, 상기 제 3 제어신호(φT)는 인에이블되어 광전하가 플로팅 확산 영역으로 전달될 수 있도록 한다. After reset, the third control signal φT is enabled to allow photocharge to be transferred to the floating diffusion region.

도 6 (a)는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서용 화소의 단면 일부의 개략적인 구조를 보인 도면이고, 도 6 (b)는 본 발명에 따른 광다이나믹 레인지 이미지 센서용 화소의 동작 단계에 따른 전위 및 전하의 분포를 보인 것이다. 6 (a) is a diagram showing a schematic structure of a part of a cross section of a pixel for a CMOS image sensor according to the present invention, Figure 6 (b) is a potential according to the operation step of the pixel for a wide dynamic range image sensor according to the present invention And charge distribution.

먼저, 도 6의 (a)를 참조하여 설명하면, P형 반도체 기판위에 3개의 트랜지스터(T4, T5, T6)이 형성되어 있고, 상기 트랜지스터의 좌우에 포토 다이오드(PD) 와 플로팅 활성 영역(FD)가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 상기 포토 다이오드(PD)는 PN 접합으로 구성되어 있고, 상기 플로팅 활성 영역은 N형 불순물 영역(n++)이다. 여기서 중간의 저장 트랜지스터(T5)를 CMOS 공정으로 가능하도록 중첩되지 않는 버킷 브리게이디드 디바이스(Bucket Brigaded Device)형태로 구성한 특징이 있다. First, referring to FIG. 6A, three transistors T4, T5, and T6 are formed on a P-type semiconductor substrate, and the photodiode PD and the floating active region FD are disposed on the left and right sides of the transistor. ) Is formed. The photodiode PD is formed of a PN junction, and the floating active region is an N-type impurity region n ++. In this case, the intermediate storage transistor T5 is configured in the form of a bucket brigaded device that does not overlap to enable the CMOS process.

트랜지스터(T4, T6)은 스위칭 소자로서 광전하를 전달하는 역할을 함에 반해, 트랜지스터(T5)는 광전하를 소정시간 동안 저장하는 역할을 하므로 저장 게이트 또는 저장 트랜지스터란 용어를 사용하기도 한다. 즉, 저장 게이트와 저장 트랜지스터는 동일한 의미이다. 본 발명에 따른 광다이나믹 레인지 이미지 센서용의 화소는 도 1에서 설명한 종래의 4-Tr 구조의 이미지 센서 화소의 전달 트랜지스터부(M1)에 상기한 필드 트랜지스터(T4)와 저장 트랜지스터(T5)를 추가하는 구성이지만, 상기한 트랜지스터(T4), 트랜지스터(T5), 트랜지스터(T6)가 동일층의 동일 재료를 사용하여 형성되므로, 종래 기술에 비하여 제조공정이 그다지 복잡해지는 문제는 없다. Transistors T4 and T6 serve to transfer photocharges as switching elements, whereas transistor T5 plays a role of storing photocharges for a predetermined time, so that the term storage gate or storage transistor is also used. In other words, the storage gate and the storage transistor have the same meaning. In the pixel for the wide dynamic range image sensor according to the present invention, the field transistor T4 and the storage transistor T5 are added to the transfer transistor unit M1 of the conventional 4-Tr image sensor pixel described with reference to FIG. 1. Although the transistor T4, the transistor T5, and the transistor T6 are formed using the same material of the same layer, the manufacturing process is not so complicated as compared with the prior art.

본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서용 화소는 1 프레임(Frame) 시간 동안에 제1 축적시간과 제2 축적시간의 2회에 걸쳐서 포토 다이오드(PD)에서 빛을 수광하여 광전하를 생성 및 축적한다. 제1 축적시간과 제2 축적시간은 각각 1/2 프레임 시간으로 지정할 수도 있고, 서로 다른 시간으로 나누어 지정할 수도 있다. 여기서, 1 프레임 시간을 제1 축적시간과 제2 축적시간으로 나누는 비율은 이미지 센서가 노출되는 환경의 조도 수준에 따라서 변경되어 질 수도 있다. The pixel for a CMOS image sensor according to the present invention receives and emits light from the photodiode PD for two times of a first accumulation time and a second accumulation time during one frame time to generate and accumulate photocharges. The first accumulation time and the second accumulation time may each be designated as 1/2 frame time, or may be designated by being divided into different times. Here, the ratio of dividing one frame time into a first accumulation time and a second accumulation time may be changed according to the illuminance level of the environment in which the image sensor is exposed.

도 6의 (b)는 상기 도 6 (a)의 각 구성요소의 위치에 따라, 동작 단계에 따른 전위(포텐셜) 및 전하의 분포를 나타내고 있다. 이하에서는 도 6의 (b)을 참조하여 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서용 화소의 동작방법을 자세히 설명한다. FIG. 6 (b) shows the distribution of potentials (potentials) and charges according to the operation steps according to the positions of the respective components of FIG. 6 (a). Hereinafter, a method of operating a pixel for a CMOS image sensor according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 6B.

첫번째 단계는, 제1 축적기간 동안 제1 광전하(C1)가 포토 다이오드(PD)에 서 생성 및 축적되는 단계이다. 제 1 제어신호(φF)에 의해 필드 트랜지스터(T4)가 오프 상태를 유지하므로, 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하가 저장 게이트(T5)로 전달되지 아니하고, 포토 다이오드(PD) 내에 축적된다. The first step is a step in which the first photocharge C1 is generated and accumulated in the photodiode PD during the first accumulation period. Since the field transistor T4 is kept off by the first control signal φF, the charge generated in the photodiode PD is not transferred to the storage gate T5, but is accumulated in the photodiode PD.

두번째 단계로서, 제 2 제어신호(φS)에 의해서 미리 저장 게이트(T5)를 온 상태가 되게하여 전하 저장층(CSL)이 형성된 상태에서, 필드 신호(φF)에 의해서 필드 트랜지스터(T4)를 온/오프함으로써 상기 축적된 제1 광전하(C1)를 저장 게이트(T5)로 전달한다. 상기한 제1 광전하(C1)의 전달 직후, 포토 다이오드(PD)에는 제2 광전하(C2)의 생성 및 축적이 시작된다. 여기서, 상기 축적된 제1 광전하(C1)를 저장 게이트(T5)로 전달하기 위해, 상기 필드 트랜지스터(T4)를 1회 또는 그 이상으로 온/오프할 수도 있다. 또한, 이 단계에서 필드 트랜지스터(T4)는 최종적으로 오프 상태가 되므로 상기 제1 광전하(C1)의 전달 이후로, 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하가 저장 게이트(T5)로 전달되지 아니하고, 포토 다이오드(PD)내에 축적되어 진다.In a second step, the field transistor T4 is turned on by the field signal φF while the storage gate T5 is turned on in advance by the second control signal φS to form the charge storage layer CSL. The accumulated first photocharge C1 is transferred to the storage gate T5 by turning on / off. Immediately after the first photocharge C1 is transferred, generation and accumulation of the second photocharge C2 starts in the photodiode PD. Here, in order to transfer the accumulated first photocharge C1 to the storage gate T5, the field transistor T4 may be turned on or off one or more times. In addition, since the field transistor T4 is finally turned off in this step, since the transfer of the first photocharge C1, the charge generated in the photodiode PD is not transferred to the storage gate T5. Accumulated in the photodiode PD.

세 번째 단계는 저장 게이트(T4)에 저장되어 있는 제1 광전하(C1)을 플로팅 확산 영역(FD)로 전달시켜서, 제1 광전하에 해당하는 첫 번째 신호를 독출하는 단계이다. 먼저, 리셋 신호(φR)에 의하여 리셋 트랜지스터(T6)를 온/오프하여 플로팅 확산 영역(FD)의 전하를 미리 초기화 한다. 또한, 이 때 선택 신호(φx)에 의하여 선택 트랜지스터(T6)를 온 상태로 전환한다. 다음으로, 전달 신호(φT)에 의하여 전달 트랜지스터(T6)를 온/오프하여 저장 게이트(T4)에 저장된 제1 광전하(C1)를 플로팅 확산 영역(FD)로 전달하여 제1 축적시간에 해당하는 제1 신호 전압을 독출한다. 이와 같은 단계가 진행되는 동안, 동시에 포토 다이오드(PD)에는 제2 광전하(C2)의 축적이 계속 진행된다. The third step is to transfer the first photocharge C1 stored in the storage gate T4 to the floating diffusion region FD to read the first signal corresponding to the first photocharge. First, the reset transistor T6 is turned on / off by the reset signal φR to initialize the charge in the floating diffusion region FD in advance. At this time, the selection transistor T6 is turned on by the selection signal .phi.x. Next, the transfer transistor T6 is turned on / off by the transfer signal φT to transfer the first photocharge C1 stored in the storage gate T4 to the floating diffusion region FD to correspond to the first accumulation time. The first signal voltage is read. During this step, the accumulation of the second photocharge C2 continues on the photodiode PD at the same time.

네 번째 단계는, 포토 다이오드(PD)에 축적된 제2 광전하(C2)를 독출하는 단계이다. 먼저, 저장 신호(φS)에 의해서 저장 게이트(T5)가 온(ON) 상태가 되어 전하 저장층(CSL)이 형성된 상태에서, 필드 신호(φF)에 의해서 필드 트랜지스터(T4) 를 온/오프함으로써 상기 축적된 제2 광전하(C2)를 저장 게이트(T5)로 전달한다. 다음으로, 리셋 신호(φR)에 의하여 리셋 트랜지스터(T6)를 온/오프하여 플로팅 확산 영역(FD)의 전하를 초기화 한다. 다음으로, 전달 신호(φT)에 의하여 전달 트랜지스터(T6)를 온/오프하여 저장 게이트(T4)에 저장된 제2 광전하(C2)를 플로팅 확산 영역(FD)로 전달하여 제2 축적시간에 포토 다이오드(PD)에 생성 및 축적된 제2 광전하(C2)에 해당하는 제2 신호전압을 독출한다. 상기 네 번째 단계의 세부 단계에서 제2 광전하(C2)를 저장 게이트(T5)로 전달하는 세부 단계와 플로팅 확산영역(FD)의 전하를 초기화 하는 단계의 순서를 바꾸어도 동일한 결과를 가져올 수 있다. The fourth step is to read out the second photocharge C2 accumulated in the photodiode PD. First, when the storage gate T5 is turned on by the storage signal φS and the charge storage layer CSL is formed, the field transistor T4 is turned on / off by the field signal φF. The accumulated second photocharge C2 is transferred to the storage gate T5. Next, the reset transistor T6 is turned on / off by the reset signal φR to initialize the charge in the floating diffusion region FD. Next, the transfer transistor T6 is turned on / off by the transfer signal φT, and the second photocharge C2 stored in the storage gate T4 is transferred to the floating diffusion region FD, thereby transferring the photo at the second accumulation time. The second signal voltage corresponding to the second photocharge C2 generated and accumulated in the diode PD is read. The same result may be obtained even if the order of transferring the second photocharge C2 to the storage gate T5 and initializing the charge of the floating diffusion region FD in the detailed step of the fourth step are reversed.

도 7 및 도 8은 도 4에 보인 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서용 화소(20)의 출력 특성을 도 1의 종래 기술에 의한 화소(10)의 출력 특성과 비교하여 설명한 도면이다. 설명의 편의를 위하여 본 발명과 종래기술의 포토 다이오드(PD)의 면적 등의 모든 조건을 같다고 가정한다. 도 7은 본 발명에 따른 이미지 센서용 화소를 동작시 제1 및 제2 축적시간을 동등하게 하였을 때의 출력 특성을 종래 기술과 비교한 것이다. 이 경우, 제1 및 제2 축적시간은 도1의 종래 기술에 의한 화소(10)의 축적시간의 대략 절반에 해당한다. 포토 다이오드(PD)가 축적할 수 있는 전하의 용량은 종래기술의 포토 다이오드와 동등하므로 본 발명에 따른 이미지 센서용 화소의 포토 다이오드는 종래보다 두 배의 빛의 세기를 받아 들여 신호를 출력할 수 있게 된다. 그러므로, 본 발명에 따른 이미지 센서용 화소(20)는 종래기술에 의한 화소(10)보다 넓은 다이나믹레인지(동작범위)를 가진다. 도 8은 본 발명에 따른 이미 지 센서용 화소를 동작시 제1 축적시간을 1 프레임 시간의 대략 2/3로, 제2 축적시간을 1 프레임 시간의 대략 1/3로 한 경우의 출력 특성을 종래 기술과 비교한 것이다. 포토 다이오드(PD)가 축적할 수 있는 전하의 용량은 종래기술의 포토 다이오드와 동등하므로 제1 축적시간에 해당하는 제1 신호출력은 종래보다 높아진 Sat1 지점에서 포화되어지고, 제2 축적시간에 해당하는 제2 신호출력은 Sat1 보다 더 높은 Sat2 지점에서 포화되어진다. 결국, 이 경우의 총 신호출력은 제1 신호출력과 제2 신호출력의 합으로 종래기술보다 훨씬 높아진 Sat2 지점에서 포화되므로, 본 발명에 따른 이미지 센서용 화소(20)는 종래기술에 의한 화소(10)보다 넓은 다이나믹레인지(동작범위)를 가진다. 7 and 8 illustrate the output characteristics of the pixel 20 for a CMOS image sensor according to the present invention shown in FIG. 4 in comparison with the output characteristics of the pixel 10 according to the related art of FIG. 1. For convenience of explanation, it is assumed that all conditions such as the area of the photodiode PD of the present invention and the prior art are the same. 7 compares the output characteristics when the first and second accumulation times are equal when the pixel for an image sensor according to the present invention is operated. In this case, the first and second accumulation times correspond to approximately half of the accumulation time of the pixel 10 according to the prior art of FIG. Since the amount of charge that can be accumulated in the photodiode PD is equal to that of the conventional photodiode, the photodiode of the pixel for an image sensor according to the present invention can output a signal by receiving twice the intensity of light as compared to the conventional art. Will be. Therefore, the pixel 20 for an image sensor according to the present invention has a wider dynamic range (operation range) than the pixel 10 according to the prior art. 8 illustrates output characteristics when the first accumulation time is approximately 2/3 of one frame time and the second accumulation time is approximately 1/3 of one frame time when the pixel for an image sensor according to the present invention is operated. Compared with the prior art. Since the amount of charge that the photodiode PD can accumulate is equivalent to that of the conventional photodiode, the first signal output corresponding to the first accumulation time is saturated at the point Sat1 higher than the conventional one, and corresponds to the second accumulation time. The second signal output is saturated at the point Sat2 which is higher than Sat1. As a result, since the total signal output in this case is saturated at the point Sat2, which is much higher than the prior art by the sum of the first signal output and the second signal output, the pixel 20 for an image sensor according to the present invention is a pixel according to the prior art. It has a wider dynamic range (operation range) than 10).

본 발명은 이미지 센서에 한정한 것이 아니라, 픽셀을 직선 형상으로 배치한 라인 센서나 복수의 픽셀을 가지지 않는 광센서로도 응용될 수 있다. The present invention is not limited to the image sensor, but may be applied to a line sensor in which pixels are arranged in a straight line, or an optical sensor having no plurality of pixels.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As mentioned above, although this invention was demonstrated by the limited embodiment and drawing, this invention is not limited by this, The person of ordinary skill in the art to which this invention belongs, Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalent claims.

도 1은 종래기술에 의한 CMOS형 이미지 센서용 화소의 등가 회로도이다.1 is an equivalent circuit diagram of a pixel for a CMOS image sensor according to the prior art.

도 2는 도 1의 화소 회로(10)의 동작을 설명하기 위한 신호도이다.FIG. 2 is a signal diagram for describing an operation of the pixel circuit 10 of FIG. 1.

도 3은 도 1의 화소 회로(10)의 출력 특성을 나타내는 도면이다. 3 is a diagram illustrating output characteristics of the pixel circuit 10 of FIG. 1.

도 4는 본 발명에 따른 CMOS형 이미지 센서용 화소의 등가 회로도이다.4 is an equivalent circuit diagram of a pixel for a CMOS image sensor according to the present invention.

도 5는 도 4의 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서용 화소의 동작을 설명하기 위한 신호도이다.5 is a signal diagram illustrating an operation of a pixel for a CMOS image sensor according to the present invention of FIG. 4.

도 6(a)는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서용 화소의 단면 일부의 개략도이다.Fig. 6A is a schematic diagram of a part of a cross section of a pixel for a CMOS image sensor according to the present invention.

도 6(b)는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서용 화소의 동작 단계에 따른 전위 및 전하의 분포를 보인 도면이다. 6 (b) is a diagram showing the distribution of potentials and charges according to the operation steps of the pixel for a CMOS image sensor according to the present invention.

도 7 및 도 8은 도 4에 보인 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서용 화소의 출력특성을 종래 기술과 비교하기 위한 도면이다.7 and 8 are diagrams for comparing the output characteristics of the pixel for a CMOS image sensor according to the present invention shown in Figure 4 with the prior art.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >Description of the Related Art

PD: 포토 다이오드, FD: 플로팅 확산 영역PD: photodiode, FD: floating diffusion region

M1: 전달 트랜지스터, M2: 리셋 트랜지스터, M3: 드라이브 트랜지스터M1: transfer transistor, M2: reset transistor, M3: drive transistor

M4: 선택 트랜지스터M4: select transistor

T1: 리셋 트랜지스터, T2: 드라이브 트랜지스터, T3: 선택 트랜지스터T1: reset transistor, T2: drive transistor, T3: select transistor

T4: 필드 트랜지스터, T5: 저장 트랜지스터, T6: 전달 트랜지스터T4: field transistor, T5: storage transistor, T6: transfer transistor

φR: 리셋 신호, φF: 필드 신호, φS: 저장 신호φR: reset signal, φF: field signal, φS: storage signal

φT: 전달 신호, φx: 선택 신호φT: transmission signal, φx: selection signal

C1: 제1 광전하, C2: 제2 광전하C1: first photocharge, C2: second photocharge

30: 저장전달부, 40 : 출력부30: storage transmission unit, 40: output unit

Claims (11)

입력 광에 대응하여 전하를 생성하는 포토 다이오드; 및 A photodiode generating charge in response to input light; And 상기 전하를 저장하고 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 각기 서로 다른 신호에 응답하는 제 1 내지 제 3 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서용 화소의 동작 방법에 있어서, 1. A method of operating a pixel for an image sensor comprising first to third transistors responsive to different signals for storing and transferring the charge to a floating diffusion region. 제 1 축적기간 동안 상기 포토 다이오드에 제 1 광전하를 생성 및 축적하는 단계;Generating and accumulating a first photocharge in the photodiode for a first accumulation period; 상기 축적된 제 1 광전하를 저장 게이트로 전달한 후, 제 2 축적기간이 시작되고, 상기 제 2 축적기간 동안 상기 포토 다이오드에 제2 광전하를 생성 및 축적하는 단계;After transferring the accumulated first photocharge to a storage gate, a second accumulation period begins, and generating and accumulating a second photocharge on the photodiode during the second accumulation period; 상기 저장 게이트에 저장된 상기 제1 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전달하여, 제1 신호전압으로 독출하는 단계;Transferring the first photocharge stored in the storage gate to a floating diffusion region, and reading the first photovoltage with a first signal voltage; 상기 제2 광전하를 상기 저장 게이트로 전달하고, 상기 저장 게이트에 저장된 제2 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전달하여 제2 신호전압으로 독출하는 단계; 및 Transferring the second photocharges to the storage gate, transferring the second photocharges stored in the storage gate to the floating diffusion region, and reading a second signal voltage; And 상기 제1 신호전압과 제2 신호전압을 합성하여 다이나믹 레인지가 넓은 신호를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작방법.And synthesizing the first signal voltage and the second signal voltage to generate a signal having a wide dynamic range. 제 1항에 있어서,  The method of claim 1, 상기 제 1 트랜지스터가 턴온 될 때 상기 제 1 광전하를 전달하고, 상기 제 2 트랜지스터가 턴오프 될 때 상기 포토 다이오드에 제 2 광전하를 축적하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작방법. And transmitting the first photocharge when the first transistor is turned on and accumulating a second photocharge in the photodiode when the second transistor is turned off. 제 2항에 있어서, 3. The method of claim 2, 상기 제1 신호전압으로 독출하는 단계에서는 상기 제 2 트랜지스터가 턴오프되고 상기 제 3 트랜지스터가 턴온 되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작방법. And in the reading of the first signal voltage, the second transistor is turned off and the third transistor is turned on. 제 3항에 있어서, The method of claim 3, 상기 제1 신호전압 독출 후 제 2 트랜지스터와 제 3 트랜지스터는 각각 턴온 및 턴오프되고, 소정 시간 경과 후 제 2 트랜지스터는 턴오프되고 제 3 트랜지스터는 턴온되어 상기 제2 신호전압을 독출하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작방법. After reading the first signal voltage, the second transistor and the third transistor are turned on and turned off, respectively, after a predetermined time elapses, the second transistor is turned off and the third transistor is turned on to read the second signal voltage. Operation method of the image sensor. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 축적기간과 상기 제2 축적기간은 서로 다른 기간인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작방법.And the first accumulation period and the second accumulation period are different periods. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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