KR102107192B1 - Image sensing apparatus - Google Patents

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Abstract

본 기술의 일 실시 예에 따른 이미지 센싱 장치는 그라운드와 제 1 노드 사이에 연결된 포토 다이오드, 전원전압 공급라인과 제 2 노드 사이에 연결되며, 리셋 모드시 게이트에 인가되는 리셋신호에 따라 상기 제 2 노드를 상기 전원전압으로 리셋시키는 리셋 트랜지스터, 상기 제 2 노드와 플로팅 디퓨전 영역 사이에 연결되며, 게이트에 인가되는 전달제어신호에 따라 턴온 또는 턴오프되는 전달 트랜지스터 및 상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드 사이에 연결되며, 게이트가 전원전압 공급라인과 연결되는 아이솔레이션 트랜지스터를 포함하며, 상기 전달 트랜지스터는 상기 리셋 구간에서 상기 플로팅 디퓨전을 리셋시키고 노출 구간에서 상기 제 2 노드의 전하를 상기 플로팅 디퓨전으로 전달하며, 상기 아이솔레이션 트랜지스터는 상기 노출 구간 시작 후 일정 시간이 경과한 후에 상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드가 같은 전압 레벨이 되도록 해줄 수 있다.An image sensing device according to an embodiment of the present technology is connected between a ground and a first node, a photodiode, a power supply voltage supply line, and a second node, and in response to a reset signal applied to a gate in a reset mode, the second A reset transistor that resets a node to the power voltage, a transfer transistor connected between the second node and the floating diffusion region, and turned on or off according to a transfer control signal applied to the gate, and the first node and the second node And an isolation transistor having a gate connected to a power voltage supply line, wherein the transfer transistor resets the floating diffusion in the reset period and transfers the charge of the second node to the floating diffusion in the exposure period. , The isolation transistor after the exposure period starts After a certain period of time, the first node and the second node may be set to have the same voltage level.

Description

이미지 센싱 장치{IMAGE SENSING APPARATUS}Image sensing device {IMAGE SENSING APPARATUS}

본 발명은 이미지 센싱 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensing device.

이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.An image sensor is a device that converts optical images into electrical signals. Recently, with the development of the computer industry and the communication industry, the demand for image sensors with improved performance in various fields such as digital cameras, camcorders, personal communication systems (PCS), game devices, security cameras, medical micro cameras, and robots has increased. have.

또한 이미지 센서는 지문을 인식하는 용도로도 사용되고 있다.In addition, the image sensor is also used for fingerprint recognition.

본 발명은 광원으로부터의 빛이 피사체의 표면에 균일하게 조사되지 못하여 피사체로부터 반사되는 광량이 피사체 내의 위치에 따라 달라지더라도 피사체를 보다 정확하게 센싱할 수 있는 이미지 센싱 장치를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide an image sensing device capable of sensing a subject more accurately even if the amount of light reflected from the subject varies depending on the position in the subject because the light from the light source is not uniformly irradiated to the surface of the subject.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following descriptions.

본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센싱 장치는 그라운드와 제 1 노드 사이에 연결된 포토 다이오드, 전원전압 공급라인과 제 2 노드 사이에 연결되며, 리셋 모드시 게이트에 인가되는 리셋신호에 따라 상기 제 2 노드를 상기 전원전압으로 리셋시키는 리셋 트랜지스터, 상기 제 2 노드와 플로팅 디퓨전 영역 사이에 연결되며, 게이트에 인가되는 전달제어신호에 따라 턴온 또는 턴오프되는 전달 트랜지스터 및 상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드 사이에 연결되며, 게이트가 전원전압 공급라인과 연결되는 아이솔레이션 트랜지스터를 포함하며, 상기 전달 트랜지스터는 상기 리셋 구간에서 상기 플로팅 디퓨전을 리셋시키고 노출 구간에서 상기 제 2 노드의 전하를 상기 플로팅 디퓨전으로 전달하며, 상기 아이솔레이션 트랜지스터는 상기 노출 구간 시작 후 일정 시간이 경과한 후에 상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드가 같은 전압 레벨이 되도록 해줄 수 있다.An image sensing device according to an embodiment of the present invention is connected between a ground and a first node, a photodiode, a power supply voltage supply line, and a second node, and according to a reset signal applied to a gate in a reset mode, the second A reset transistor that resets a node to the power voltage, a transfer transistor connected between the second node and the floating diffusion region, and turned on or off according to a transfer control signal applied to the gate, and the first node and the second node And an isolation transistor having a gate connected to a power voltage supply line, wherein the transfer transistor resets the floating diffusion in the reset period and transfers the charge of the second node to the floating diffusion in the exposure period. , The isolation transistor after the exposure period starts After a certain period of time, the first node and the second node may be set to have the same voltage level.

본 발명은 광원으로부터의 빛이 피사체의 표면에 균일하게 조사되지 못하여 피사체로부터 반사되는 광량이 피사체 내의 위치에 따라 달라지더라도 피사체를 보다 정확하게 센싱할 수 있다.According to the present invention, the light from the light source is not uniformly irradiated to the surface of the subject, and thus, even if the amount of light reflected from the subject varies depending on the position in the subject, the subject can be more accurately sensed.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치에 구성을 간략하게 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 이미지 센싱 장치가 디스플레이 장치에 적용된 경우에 있어서, 이미지 센서의 설치 위치를 예시적으로 보여주는 도면.
도 3은 고노출 프레임과 저노출 프레임에서 광원으로부터의 거리에 따른 광량(픽셀값)의 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 4는 프레임 보정을 위한 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 도 1의 이미지 센서의 일 실시예에 따른 픽셀의 구조를 나타내는 회로도.
도 6은 도 5의 구동 신호들에 대한 타이밍도를 예시적으로 보여주는 도면.
도 7은 도 5의 구동 신호들에 대한 타이밍도를 예시적으로 보여주는 도면.
도 8은 도 5의 구동 신호들에 대한 타이밍도를 예시적으로 보여주는 도면.
도 9는 도 5의 구동 신호들에 대한 타이밍도를 예시적으로 보여주는 도면.
도 10은 도 1의 이미지 센서의 다른 실시예에 따른 픽셀의 구조를 나타내는 회로도.
도 11은 도 10의 아이솔레이션 트랜지스터의 동작을 설명하기 위한 타이밍도.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 포토 다이오드의 구조 및 동작을 나타내는 도면.
도 13은 도 12의 포토 다이오드의 구조에서 축적 시간과 출력 전압의 관계를 나타내는 그래프.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 메탈 월 및 메탈 쉴딩 구조를 보여주는 도면.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치에 구성을 간략하게 나타낸 구성도.
1 is a configuration diagram briefly showing a configuration in an image sensing device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a view showing an installation position of the image sensor in the case where the image sensing device of the present invention is applied to a display device.
3 is a view showing an example of a state of light amount (pixel value) according to a distance from a light source in a high exposure frame and a low exposure frame.
4 is a view for explaining a method for frame correction.
5 is a circuit diagram illustrating a structure of a pixel according to an embodiment of the image sensor of FIG. 1.
6 exemplarily shows a timing diagram for the driving signals of FIG. 5.
7 exemplarily shows a timing diagram for the driving signals of FIG. 5.
8 exemplarily shows a timing diagram for the driving signals of FIG. 5.
9 exemplarily shows a timing diagram for the driving signals of FIG. 5.
10 is a circuit diagram illustrating a structure of a pixel according to another embodiment of the image sensor of FIG. 1.
11 is a timing diagram for explaining the operation of the isolation transistor of FIG. 10.
12 is a view showing the structure and operation of a photodiode according to an embodiment of the present invention.
13 is a graph showing the relationship between accumulation time and output voltage in the structure of the photodiode of FIG. 12;
14 is a view showing a metal wall and a metal shielding structure according to an embodiment of the present invention.
15 is a configuration diagram briefly showing a configuration in an image sensing device according to another embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through exemplary drawings. It should be noted that in adding reference numerals to the components of each drawing, the same components have the same reference numerals as possible even though they are displayed on different drawings. In addition, in describing embodiments of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related well-known configurations or functions interfere with understanding of the embodiments of the present invention, detailed descriptions thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치에 구성을 간략하게 나타낸 구성도이다.1 is a configuration diagram briefly showing a configuration in an image sensing device according to an embodiment of the present invention.

도 1의 이미지 센싱 장치는 이미지 센서(100) 및 광편차 보상부(200)를 포함할 수 있다.The image sensing device of FIG. 1 may include an image sensor 100 and an optical deviation compensation unit 200.

이미지 센서(100)는 피사체로부터 반사된 광학 영상의 강약을 감지하고, 이를 디지털 영상 데이터로 변환한 이미지 프레임을 생성 및 출력한다. 특히, 본 실시예의 이미지 센서(100)는 피사체(예컨대, 손가락 지문)에 빛을 조사하는 광원(예컨대, 적외선 LED 광원)의 위치에 의한 그라데이션효과를 제거하기 위해, 동일한 피사체에 대해 노출 시간(integration time)을 달리하여 촬영함으로써 고노출(Long Integration)의 원시 입력 신호{고노출 프레임(FRAME_L)}와 저노출(Short Integration)의 원시 입력 신호{저노출 프레임(FRAME_S)}를 생성하여 출력한다. 예컨대, 이미지 센서(100)는 광원이 피사체를 조사하는 동안에, 먼저 노출 시간을 길게 하여 피사체를 촬영함으로써 고노출 프레임(FRAME_L)을 생성하고, 이어서 노출 시간을 짧게 하여 피사체를 다시 촬영함으로써 저노출 프레임(FRAME_S)을 생성한다. 이러한 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이 상에 컬러 필터가 형성되지 않은 지문 센싱용 흑백 이미지 센서일 수 있다. 또한, 본 실시예의 이미지 센서(100)는 특정 기기(예컨대, 스마트폰)의 디스플레이용 패널(예컨대, 휴대폰의 OLED 패널)과 중첩되게 해당 디스플레이용 패널의 하측에 설치될 수 있다.The image sensor 100 detects the strength and weakness of the optical image reflected from the subject, and generates and outputs an image frame converted to digital image data. In particular, the image sensor 100 of the present embodiment is to remove the gradation effect due to the position of the light source (eg, infrared LED light source) that irradiates light on the subject (eg, finger fingerprint), the exposure time (integration) for the same subject By photographing at different times, a high-input raw input signal (high exposure frame (FRAME_L)) and a low-exposure raw input signal (low exposure frame (FRAME_S)) are generated and output. For example, while the light source irradiates the subject, the image sensor 100 first generates a high exposure frame FRAME_L by photographing the subject with a longer exposure time, and then shortens the exposure time, and then photographs the subject again, resulting in a low exposure frame. Create (FRAME_S). The image sensor 100 may be a black and white image sensor for fingerprint sensing in which a color filter is not formed on the pixel array. In addition, the image sensor 100 of this embodiment may be installed on the lower side of the display panel to overlap with a display panel of a specific device (eg, a smartphone) (eg, an OLED panel of a mobile phone).

광편차 보상부(200)는 이미지 센서(100)에서 출력되는 고노출 프레임(FRAME_L) 및 저노출 프레임(FRAME_S)을 보정 및 결합하여 최종 이미지 프레임(FRAME_COM)을 생성한다. 예컨대, 광편차 보상부(200)는 고노출 프레임(FRAME_L)과 저노출 프레임(FRAME_S) 각각에서 픽셀값(광량)이 최고값 또는 최저값으로 포화(saturation)된 영역의 값이 제거되도록 고노출 프레임(FRAME_L) 및 저노출 프레임(FRAME_S)을 보정하고, 보정된 고노출 프레임과 저노출 프레임을 결합하여 광편차가 보상된 하나의 이미지 프레임(FRAME_COM)을 생성한다.The optical deviation compensation unit 200 corrects and combines the high exposure frame FRAME_L and the low exposure frame FRAME_S output from the image sensor 100 to generate a final image frame FRAME_COM. For example, the optical deviation compensation unit 200 may be configured to remove a value of a region in which the pixel value (light amount) saturated with the highest value or the lowest value in each of the high exposure frame FRAME_L and the low exposure frame FRAME_S is removed. (FRAME_L) and the low exposure frame (FRAME_S) are corrected, and a corrected high exposure frame and a low exposure frame are combined to generate one image frame (FRAME_COM) with optical deviation compensation.

도 2는 본 발명의 이미지 센싱 장치가 디스플레이 장치에 적용된 경우에 있어서, 이미지 센서의 설치 위치를 예시적으로 보여주는 도면이다. 여기에서, (a)는 디스플레이 장치의 단면 모습을 보여주는 도면이며, (b)는 디스플레이 장치의 평면 모습을 보여주는 도면이다. 또한, 도 3은 고노출 프레임과 저노출 프레임에서 광원으로부터의 거리에 따른 광량(픽셀값)의 모습을 예시적으로 보여주는 도면이다.2 is a view showing an example of the installation position of the image sensor when the image sensing device of the present invention is applied to a display device. Here, (a) is a view showing a cross-sectional view of the display device, (b) is a view showing a plane view of the display device. In addition, FIG. 3 is a view showing an example of the amount of light (pixel value) according to the distance from the light source in the high exposure frame and the low exposure frame.

도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치에서 광편차를 보상하는 방법을 보다 구체적으로 설명한다.2 and 3, a method of compensating for optical deviation in an image sensing device according to an embodiment of the present invention will be described in more detail.

도 2의 디스플레이 장치는 예컨대 스마트폰일 수 있다. 디스플레이 장치는 본체(10), 디스플레이 패널(20), 유리 기판(30) 및 이미지 센서(100)를 포함할 수 있다.The display device of FIG. 2 may be, for example, a smartphone. The display device may include a main body 10, a display panel 20, a glass substrate 30 and an image sensor 100.

본체(10)는 디스플레이 장치를 지지하는 구조체이다. 디스플레이 패널(20)은 디스플레이 장치의 구동에 따라 생성된 이미지 영상을 표시해주며, 미세한 구멍이 형성되어 있다. 이러한 디스플레이 패널(20)은 OLED 패널을 포함할 수 있다. 유리기판(30)은 디스플레이 패널(20)의 상측에 위치하여 디스플레이 패널(20)을 보호한다.The main body 10 is a structure supporting a display device. The display panel 20 displays an image image generated according to the driving of the display device, and a fine hole is formed. The display panel 20 may include an OLED panel. The glass substrate 30 is positioned above the display panel 20 to protect the display panel 20.

이미지 센서(100)는 지문(Fingerprint)을 센싱하기 위한 용도로 사용되며, 디스플레이 패널(20)의 일부 영역과 중첩되게 디스플레이 패널(20)의 하측에 배치된다. 이미지 센서(100)는 광원(미도시)으로부터 조사된 후 지문에서 반사된 빛을 고노출 및 저노출로 감지하고, 그 각각을 디지털 영상 데이터로 변환한 고노출 프레임 및 저노출 프레임을 생성하여 출력한다.The image sensor 100 is used for sensing a fingerprint, and is disposed under the display panel 20 to overlap with a portion of the display panel 20. The image sensor 100 detects light reflected from a fingerprint as high exposure and low exposure after being irradiated from a light source (not shown), and generates and outputs a high exposure frame and a low exposure frame each converted to digital image data. do.

일반적으로, 지문 인식을 위한 센싱 장치의 경우, 광원이 이미지 센서의 후측에 위치함으로써 광원으로부터의 빛이 지문에 고르게 조사되도록 한다.In general, in the case of a sensing device for fingerprint recognition, the light source is located on the rear side of the image sensor so that light from the light source is evenly irradiated onto the fingerprint.

그런데 본 실시예에서와 같이, 이미지 센서(100)를 디스플레이 패널(20)과 중첩되게 디스플레이 패널(20)의 후측에 배치시키는 경우에는, 디스플레이 패널(20) 때문에 종래와 같이 지문 인식을 위한 광원을 이미지 센서(100)의 후측에 배치시키는 것이 곤란하다. 따라서, 지문 인식을 위한 광원은 예컨대 디스플레이 패널(20)의 바깥쪽에 배치될 수 있다.However, as in the present embodiment, when the image sensor 100 is disposed on the rear side of the display panel 20 so as to overlap with the display panel 20, the display panel 20 causes a light source for fingerprint recognition as in the prior art. It is difficult to arrange it on the rear side of the image sensor 100. Accordingly, the light source for fingerprint recognition may be disposed outside the display panel 20, for example.

이러한 경우, 피사체(지문)는 디스플레이 패널(20)의 상측에서 이미지 센서(100)가 설치된 곳에 위치하는데, 광원은 디스플레이 패널(20)의 바깥쪽에 위치하므로, 광원으로부터 빛은 지문에 비스듬하게 조사된다. 이로 인해, 지문에서 광원과 가까운 영역에는 많은 빛이 조사되는 반면에 그 반대편 영역에는 빛이 적게 조사되며 그러한 빛의 편차로 인해 그림자까지 발생할 수 있다.In this case, the subject (fingerprint) is located in the image sensor 100 is installed on the upper side of the display panel 20. Since the light source is located outside the display panel 20, light from the light source is irradiated obliquely to the fingerprint. . Due to this, in the fingerprint, a lot of light is irradiated to an area close to the light source, while less light is irradiated to the opposite area and shadows may be generated due to the deviation of the light.

이러한 빛의 편차가 크게 되면, 빛이 너무 많은 조사되는 영역과 빛이 너무 적게 조사되는 영역의 이미지를 제대로 센싱할 수 없게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 동일한 피사체를 고노출 및 저노출로 2번 촬영한 후, 빛이 너무 많이 조사되는 영역에 대해서는 저노출의 영상을 이용하여 이미지를 센싱하고 빛이 너무 적게 조사되는 영역에 대해서는 고노출의 영상을 이용하여 이미지를 센싱하는 방법을 사용한다.When the deviation of the light is large, it is impossible to properly sense an image of an area that is irradiated with too much light and an area that is irradiated with too little light. Therefore, in this embodiment, after the same subject is photographed twice with high exposure and low exposure, an image is sensed by using a low-exposure image for an area that is exposed to too much light, and an area that is irradiated with too little light. A method of sensing an image using a high-exposure image is used.

이를 위해, 이미지 센서(100)는 센싱 명령이 인가되면, 동일한 피사체(지문)에 대해 노출 시간(integration time)을 달리하여 촬영함으로써 고노출(Long Integration)의 원시 입력 신호인 고노출 프레임(FRAME_L)과 저노출(Short Integration)의 원시 입력 신호인 저노출 프레임(FRAME_S)을 생성한다. 즉, 이미지 센서(100)는 동일한 피사체를 고노출 및 저노출로 연속적으로 2번 촬영한다.To this end, when a sensing command is applied, the image sensor 100 photographs the same subject (fingerprint) with different exposure time (integration time), thereby photographing a high exposure frame (FRAME_L), which is a raw input signal of high integration. And a low exposure frame (FRAME_S) which is a raw input signal of short exposure (Short Integration). That is, the image sensor 100 continuously photographs the same subject twice with high exposure and low exposure.

이러한 경우, 고노출시에는 이미지 센서(100)에 유입되는 빛의 양이 전체적으로 더 많아지면서 광원으로부터 가까운 영역은 너무 많이 빛이 유입된다. 반면에, 저노출시에는 이미지 센서(100)에 유입되는 빛의 양이 전체적으로 더 적어지면서 광원으로부터 멀리 있는 영역은 너무 적은 빛이 유입된다.In this case, during high exposure, the amount of light flowing into the image sensor 100 increases as a whole, and too much light enters the region close to the light source. On the other hand, when the light is exposed, the amount of light that flows into the image sensor 100 decreases as a whole, and too little light enters the area far from the light source.

이에 따라, 도 3에서와 같이, 고노출 프레임에서 광원으로부터 가까운 영역에 대응되는 픽셀들은 광량이 너무 많아 픽셀값들이 기 설정된 최고값으로 포화(saturation)된다. 또한, 저노출 프레임에서는 광원으로부터 멀리 있는 영역에 대응되는 픽셀들은 광량이 너무 적어 픽셀값들이 최저값으로 포화된다.Accordingly, as shown in FIG. 3, in a high-exposure frame, pixels corresponding to a region close to a light source have too much light, so that pixel values are saturated to a preset maximum value. In addition, in the low-exposure frame, pixels corresponding to an area far from the light source have too little light, so the pixel values are saturated to the lowest value.

이러한 포화 영역을 제거하기 위해, 광편차 보상부(200)는 고노출 프레임(FRAME_L) 및 저노출 프레임(FRAME_S)의 각 픽셀값들을 보정한다. 이를 위해, 광편차 보상부(200)는 고노출 프레임(FRAME_L) 및 저노출 프레임(FRAME_S)의 각 픽셀값을 해당 픽셀값에서 해당 픽셀을 포함하는 일정 범위 내에 있는 픽셀들의 평균값(평균 픽셀값)을 뺀 값으로 보정한다.To remove the saturation region, the optical deviation compensation unit 200 corrects each pixel value of the high exposure frame FRAME_L and the low exposure frame FRAME_S. To this end, the optical deviation compensation unit 200 averages each pixel value of the high-exposure frame FRAME_L and the low-exposure frame FRAME_S from the corresponding pixel value to the average value of pixels within a predetermined range including the pixel (average pixel value) Correct by subtracting.

예컨대, 고노출 프레임(FRAME_L)에서 (i,j)번째 픽셀에 대한 보정된 픽셀값{(Long_AC)i,j}은, 아래의 수학식 1과 같이, 해당 픽셀(i,j)의 픽셀값{(Long)i,j}에서 해당 픽셀(i,j)을 중심으로 하는 n×n (n은 자연수) 픽셀들의 평균값{Average(Long)i,j}을 뺀 값이 될 수 있다. 이때, n은 도 4의 (a)에서와 같이 “5”가 될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.For example, the corrected pixel value {(Long_AC) i, j} for the (i, j) th pixel in the high exposure frame FRAME_L is the pixel value of the corresponding pixel (i, j) as shown in Equation 1 below. It may be a value obtained by subtracting the average value {Average (Long) i, j} of n × n (n is a natural number) pixels centered on the corresponding pixel (i, j) from {(Long) i, j}. In this case, n may be “5” as in FIG. 4 (a), but is not limited thereto.

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광편차 보상부(200)는 이러한 방법으로 고노출 프레임(FRAME_L)의 전체 픽셀값들을 보정한다. 이때, 보정 대상 픽셀이 픽셀 어레이에서 외곽에 있는 픽셀인 경우, 예컨대 도 4의 (b)에서와 같이, 최외곽에 있는 픽셀인 경우에는, 유효 픽셀들이 존재하는 방향으로만 해당 범위만큼의 픽셀들의 평균을 계산할 수 있다. 즉, 도 4의 (b)에서, 최외곽 픽셀(i,j)을 보정하기 위한 평균값{Average(Long)i,j}은 3×5 픽셀들의 평균값이 될 수 있다.The optical deviation compensation unit 200 corrects all pixel values of the high exposure frame FRAME_L in this way. At this time, when the pixel to be corrected is an outer pixel in the pixel array, for example, as shown in FIG. 4 (b), in the case of the outermost pixel, the pixels of the corresponding range only in the direction in which the effective pixels exist The average can be calculated. That is, in FIG. 4B, an average value {Average (Long) i, j} for correcting the outermost pixel (i, j) may be an average value of 3 × 5 pixels.

이러한 경우, 고노출 프레임(FRAME_L)에서 최고값으로 포화(saturation)된 픽셀들만이 모여있는 영역의 픽셀값들은“0”으로 보정된다. 예컨대, (i,j)번째 픽셀이 포화된 상태이며 그 주변의 5×5 픽셀들도 모두 포화된 경우, (i,j)번째 픽셀의 값{(Long)i,j}과 그 주변의 5×5 픽셀들의 평균값{Average(Long)i,j}이 동일하므로, 보정된 픽셀값{(Long_AC)i,j}은“0”이 된다.In this case, pixel values in a region in which only pixels saturated with the highest value in the high exposure frame FRAME_L are collected are corrected to “0”. For example, if the (i, j) th pixel is saturated and all 5 × 5 pixels around it are saturated, the value of the (i, j) th pixel {(Long) i, j} and the surrounding 5 Since the average values of the × 5 pixels {Average (Long) i, j} are the same, the corrected pixel value {(Long_AC) i, j} becomes “0”.

포화된 픽셀들이 많이 포함된 영역의 경우에는, 해당 영역에 있는 각 픽셀들은 매우 작은 값으로 보정된다. In the case of an area containing many saturated pixels, each pixel in the area is corrected to a very small value.

광편차 보상부(200)은 저노출 프레임(FRAME_S)에 대해서도 각 픽셀들에 대해 같은 방법으로 보정을 수행한다. 즉, 저노출 프레임(FRAME_S)에서 (i,j)번째 픽셀에 대한 보정된 픽셀값{(Short_AC)i,j}은, 아래의 수학식 2와 같이, 해당 픽셀(i,j)의 픽셀값{(Short)i,j}에서 해당 픽셀(i,j)을 중심으로 하는 5×5 픽셀들의 평균값{Average(Short)i,j}을 뺀 값이 될 수 있다.The optical deviation compensation unit 200 corrects the low exposure frame FRAME_S in the same way for each pixel. That is, the corrected pixel value {(Short_AC) i, j} for the (i, j) th pixel in the low exposure frame FRAME_S is a pixel value of the corresponding pixel (i, j) as shown in Equation 2 below. It may be a value obtained by subtracting the average value {Average (Short) i, j} of 5 × 5 pixels centered on the corresponding pixel (i, j) from {(Short) i, j}.

Figure 112019098617825-pat00002
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이를 통해, 저노출 프레임(FRAME_S)의 경우에는, 최저값으로 포화(saturation)된 픽셀들이 모여있는 영역의 픽셀값들이“0”으로 보정된다.Through this, in the case of the low-exposure frame FRAME_S, pixel values of a region in which pixels saturated with the lowest value are collected are corrected to “0”.

그런데, 도 3에서와 같이, 고노출 프레임(FRAME_L)에서“0”으로 보정되는 영역은 저노출 프레임(FRAME_S)에서는 값을 가지며, 저노출 프레임(FRAME_S)에서 “0”으로 보정되는 영역은 고노출 프레임(FRAME_L)에서는 값을 갖는다.However, as shown in FIG. 3, the region corrected to “0” in the high exposure frame FRAME_L has a value in the low exposure frame FRAME_S, and the region corrected to “0” in the low exposure frame FRAME_S is high. It has a value in the exposure frame (FRAME_L).

따라서, 광편차 보상부(200)은 보정된 고노출 프레임과 저노출 프레임을 결합하여 하나의 이미지 프레임(FRAME_COM)을 생성한다. 이때, 광편차 보상부(200)은 보정된 고노출 프레임과 저노출 프레임을 결합한 후 일정 크기의 오프셋(offset) 값을 더해줄 수도 있다.Therefore, the optical deviation compensation unit 200 combines the corrected high exposure frame and the low exposure frame to generate one image frame (FRAME_COM). In this case, the optical deviation compensator 200 may add an offset value of a predetermined size after combining the corrected high exposure frame and the low exposure frame.

즉, 최종적으로 결합된 출력값{(Combined output)i,j}은 수학식 3과 같이 될 수 있다. That is, the finally combined output value {(Combined output) i, j} may be expressed as Equation (3).

Figure 112019098617825-pat00003
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고노출 프레임과 저노출 프레임을 결합하는 방법으로는 고노출 이미지 프레임과 저노출 이미지 프레임을 결합하여 HDR(High Dynamic Range) 이미지를 생성하는 방법과 같은 방법이 사용될 수 있다.As a method of combining a high exposure frame and a low exposure frame, a method such as a method of generating a high dynamic range (HDR) image by combining a high exposure image frame and a low exposure image frame may be used.

상술한 실시예에서는, 보정 방법으로서, 보정 대상 픽셀의 값에서 해당 픽셀을 중심으로 일정 범위 내에 있는 픽셀들의 평균값을 빼는 방법이 사용되었으나 다른 방법이 사용될 수도 있다. 예컨대, (i,j)번째 픽셀에 대한 보정된 픽셀값{(Long_AC)i,j 또는 (Short_AC)i,j}은, 아래의 수학식 4와 같이, 보정 대상 픽셀(i,j)의 값{(Long)i,j 또는 (Short)i,j}에서 해당 픽셀을 중심으로 일정 범위 내에 있는 픽셀들의 값들 중 가장 작은 값{Min(Long)i,j 또는 Min(Short)i,j}을 뺀 값이 될 수 있다. In the above-described embodiment, a method of subtracting an average value of pixels within a predetermined range around a corresponding pixel from a value of a pixel to be corrected was used as a correction method, but other methods may be used. For example, the corrected pixel value {(Long_AC) i, j or (Short_AC) i, j} for the (i, j) th pixel is the value of the pixel (i, j) to be corrected as shown in Equation 4 below. In {(Long) i, j or (Short) i, j}, the smallest value {Min (Long) i, j or Min (Short) i, j} among the values of pixels within a certain range centering on the corresponding pixel It can be subtracted.

Figure 112019098617825-pat00004
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즉, 일정 영역에 있는 픽셀들이 모두 포화된 경우, 해당 영역에 있는 픽셀들의 값이 동일하므로 최소값을 빼도 보정된 픽셀값{(Long_AC)i,j 또는 (Short_AC)i,j}은“0”이 된다. 그러나, 최소값을 빼는 경우에는 평균값을 빼는 경우와 비교하여, 보정값이“0”이 되지 않는 영역에 대해 보다 큰 값을 얻을 수 있어 지문의 융선(ridge)과 골(valley)의 값을 최대로 활용할 수 있는 잇점이 있다.That is, when all pixels in a certain region are saturated, the values of the pixels in the region are the same, so the corrected pixel value {(Long_AC) i, j or (Short_AC) i, j} is “0” even if the minimum value is subtracted. do. However, when the minimum value is subtracted, a larger value can be obtained for an area where the correction value does not become “0” compared to the case where the average value is subtracted, thereby maximizing the ridge and valley values of the fingerprint. There is an advantage that can be utilized.

최소값을 이용한 보정의 경우에도, 보정된 고노출 프레임과 저노출 프레임을 결합하여 하나의 이미지 프레임을 생성하는 방법은 상술한 평균값을 이용하는 경우와 동일하게 수행될 수 있다.Even in the case of correction using a minimum value, a method of generating a single image frame by combining a corrected high exposure frame and a low exposure frame can be performed in the same way as using the above-described average value.

상술한 실시예에서의 평균값 또는 최소값을 이용한 광편차 보상 방법은 하나의 고노출 프레임과 하나의 저노출 프레임을 보정 및 결합하여 하나의 최종 이미지 프레임을 생성하는 경우를 설명하였으나, 복수개의 고노출 프레임들과 복수개의 저노출 프레임들을 이용하여 하나의 최종 이미지 프레임을 생성할 수도 있다.In the above-described embodiment, the method for compensating for optical deviation using an average value or a minimum value has been described when a single high-exposure frame and one low-exposure frame are corrected and combined to generate one final image frame. One final image frame may be generated using a field and a plurality of low-exposure frames.

사람에 따라 지문의 상태가 서로 다를 수 있는데, 지문이 많이 닳아 지문의 상태가 좋지 않은 사람들도 있다. 이러한 경우, 동일한 지문에 대해 연속적으로 촬영한 후 그 값들을 합산함으로써 지문의 융선과 골의 광량차를 보다 크게 하여 보다 정확한 센싱을 도모할 수 있다.Depending on the person, the state of the fingerprint may be different, but there are some people who have worn out a lot of fingerprints. In this case, by continuously photographing the same fingerprint and summing the values, the difference in the amount of light between the ridge and the bone of the fingerprint can be increased to achieve more accurate sensing.

예컨대, 상술한 하나의 고노출 프레임과 하나의 저노출 프레임을 이용하여 하나의 이미지 프레임을 형성하는 방법을 복수회 반복 수행한 후 그 결과를 합산하여 하나의 최종 이미지 프레임을 생성할 수 있다. 이러한 경우, 이미지 센서(100)는 하나의 고노출 프레임과 하나의 저노출 프레임을 한 쌍으로 하는 프레임 쌍을 연속적으로 복수개 생성하여 출력할 수 있다. 광편차 보상부(200)는 각 프레임 쌍별로 고노출 프레임과 저노출 프레임을 상술한 방법에 따라 보정 및 결합한 후, 결합된 복수개의 이미지 프레임들을 합산하여 하나의 최종 이미지 프레임을 생성할 수 있다.For example, a method of forming a single image frame using one of the high-exposure frames and one low-exposure frame described above may be repeated multiple times, and the results may be summed to generate one final image frame. In this case, the image sensor 100 may continuously generate and output a plurality of frame pairs in which one high exposure frame and one low exposure frame are paired. The optical deviation compensation unit 200 may correct and combine the high exposure frame and the low exposure frame for each frame pair according to the above-described method, and then sum the combined image frames to generate one final image frame.

또는, 복수개의 고노출 프레임들 및 저노출 프레임들을 생성 및 보정한 후 이들을 함께 결합할 수 있다. 이러한 경우, 이미지 센서(100)는 복수개의 고노출 프레임들 및 저노출 프레임들을 연속적으로 생성한다. 광편차 보상부(200)는 복수개의 고노출 프레임들과 저노출 프레임들 각각을 상술한 평균값 또는 최소값을 이용한 보정 방법에 따라 보정한 후, 픽셀값들이 보정된 복수개의 고노출 프레임들 및 저노출 프레임들을 합산하여 하나의 최종 이미지 프레임을 생성할 수 있다.Alternatively, a plurality of high-exposure frames and low-exposure frames may be generated and corrected and then combined together. In this case, the image sensor 100 continuously generates a plurality of high exposure frames and low exposure frames. The optical deviation compensator 200 corrects each of the plurality of high-exposure frames and the low-exposure frames according to the above-described correction method using an average value or a minimum value, and then a plurality of high-exposure frames and low-exposure frames with corrected pixel values The frames can be added to create one final image frame.

도 5는 도 1의 이미지 센서의 일 실시예에 따른 픽셀의 구조를 나타내는 회로도이다.5 is a circuit diagram illustrating the structure of a pixel according to an embodiment of the image sensor of FIG. 1.

도 5를 참조하면, 이미지 센서(100)는 포토 다이오드(PD), 리셋 트랜지스터(P1), 전달 트랜지스터(P2), 플로팅 확산 영역(FD), 선택 트랜지스터(P3), 변환 트랜지스터(N1) 및 전류원(Is)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, the image sensor 100 includes a photodiode PD, a reset transistor P1, a transfer transistor P2, a floating diffusion region FD, a selection transistor P3, a conversion transistor N1, and a current source (Is).

포토 다이오드(PD)는 그라운드와 노드 ND1의 사이에 연결되고, 리셋 트랜지스터(P1)는 전원전압 공급라인(VDD)과 노드 ND1의 사이에 연결되고, 전달 트랜지스터(P2)는 노드 ND1와 노드 ND2의 사이에 연결되고, 플로팅 확산 영역(FD)은 노드 ND2와 그라운드 사이에 연결된다. 선택 트랜지스터(P3), 변환 트랜지스터(N1) 및 전류원(Is)는 전원전압 공급라인(VDD)와 그라운드의 사이에 직렬로 연결되고, 변환 트랜지스터(N1)의 게이트는 노드 ND2에 연결된다. 변환 트랜지스터(N1)와 전류원(Is)이 연결되는 노드 ND3의 전압이 출력 전압 Vout이 된다.The photodiode PD is connected between ground and the node ND1, the reset transistor P1 is connected between the power voltage supply line VDD and the node ND1, and the transfer transistor P2 is connected to the node ND1 and the node ND2. The floating diffusion region FD is connected between the node ND2 and the ground. The selection transistor P3, the conversion transistor N1, and the current source Is are connected in series between the power supply voltage supply line VDD and ground, and the gate of the conversion transistor N1 is connected to the node ND2. The voltage of the node ND3 to which the conversion transistor N1 and the current source Is are connected becomes the output voltage Vout.

포토 다이오드(PD)는 광 신호를 전기 신호로 변환함으로써 영상 신호를 검출한다. 포토 다이오드(PD)는 광전 변환 소자의 예시이며, 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate) 및 핀드 포토다이오드(pinned photo diode(PPD) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.The photodiode PD detects an image signal by converting an optical signal into an electrical signal. The photodiode PD is an example of a photoelectric conversion element, and may be formed of at least one of a photo transistor, a photo gate, and a pinned photo diode (PPD).

플로팅 확산 영역(FD)은 포토 다이오드(PD)에서 발생한 전하를 축적한다. 플로팅 확산 영역(FD)는 도 5에 도시된 바와 같이, 정션(junction) 캐패시터(Cj)와 추가 캐패시터(Cm)를 포함할 수 있다. 정션 캐패시터(Cj)는 PN 정션 구조를 갖는 캐패시터를 나타낸다. 추가 캐패시터(Cm)는 정션 캐패시터(Cj) 외에 추가적으로 연결하는 캐패시터로서, 예를 들어 MIM(Metal-Insulator-Metal) 또는 MOS 캐패시터일 수 있다.The floating diffusion region FD accumulates charge generated in the photodiode PD. The floating diffusion region FD may include a junction capacitor Cj and an additional capacitor Cm, as shown in FIG. 5. The junction capacitor Cj represents a capacitor having a PN junction structure. The additional capacitor Cm is a capacitor that is additionally connected in addition to the junction capacitor Cj, and may be, for example, a MIM (Metal-Insulator-Metal) or a MOS capacitor.

글로벌 셔터 방식의 경우, 나중에 리드아웃되는 로우, 예를 들어 아래쪽 로우에 해당하는 픽셀일수록 플로팅 확산 영역(FD)에 오랫동안 전하를 저장해야 하기 때문에, 전하 누설이 발생할 가능성이 커진다. 이에 따라, 아래쪽 로우에 해당하는 픽셀의 출력 전압이 떨어져 이미지에 그라데이션이 발생하거나 FPN(Fixed Pattern Noise)이 발생할 수 있다. MIM 캐패시터는 전하 누설이 적기 때문에 그라데이션 또는 FPN을 감소시킬 수 있다. 또한, MIM 캐패시터는 전하 누설이 적기 때문에 프레임 버퍼로서 이용될 수 있다.In the case of the global shutter method, since a pixel corresponding to a row that is read out later, for example, a lower row, needs to store electric charges in the floating diffusion region FD for a long time, the possibility of charge leakage increases. Accordingly, the output voltage of the pixel corresponding to the lower row may drop, resulting in gradation in the image or fixed pattern noise (FPN). MIM capacitors can reduce gradation or FPN due to low charge leakage. In addition, the MIM capacitor can be used as a frame buffer because of low charge leakage.

리셋 트랜지스터(P1)는 리셋 신호(RX/)에 기초하여 포토 다이오드(PD)의 전압, 즉 노드 ND1의 전압을 초기화하며, 후술하는 전달 트랜지스터(P2)와 함께 플로팅 확산 영역(FD)의 전압, 즉 노드 ND2의 전압을 초기화한다. 본 실시예에서 리셋 트랜지스터(P1)는 PMOS 트랜지스터일 수 있으며, 리셋 신호(RX/)가 로우 레벨일 때 턴온되어 포토 다이오드(PD)의 전압을 전원전압 VDD으로 리셋할 수 있다. 이에 따라, 리셋 트랜지스터(P1)의 게이트-소스 간 전압 강하가 발생하지 않기 때문에, 노드 ND1을 전원전압 VDD로 리셋할 수 있어 FPN을 감소시킬 수 있다.The reset transistor P1 initializes the voltage of the photodiode PD, that is, the node ND1 based on the reset signal RX /, and the voltage of the floating diffusion region FD together with the transfer transistor P2 described later, That is, the voltage of the node ND2 is initialized. In this embodiment, the reset transistor P1 may be a PMOS transistor, and is turned on when the reset signal RX / is at a low level to reset the voltage of the photodiode PD to the power supply voltage VDD. Accordingly, since the voltage drop between the gate and the source of the reset transistor P1 does not occur, the node ND1 can be reset to the power supply voltage VDD, thereby reducing FPN.

전달 트랜지스터(P2)는 전달제어신호(TX/)에 기초하여 포토 다이오드(PD)와 플로팅 확산 영역(FD)을 연결한다. 이에 따라, 리셋 동작 시에는 노드 ND2의 전압이, 전원전압 VDD로 리셋된 노드 ND1의 전압과 동일해진다. 또한, 포토 다이오드(PD)에서 전하 축적이 진행되는 동안 또는 전하 축적이 종료한 후에는, 포토 다이오드(PD)와 플로팅 확산 영역(FD) 간에 전하 셰어링(sharing)이 발생한다. 본 실시예에서 전달 트랜지스터(P2)는 PMOS 트랜지스터일 수 있으며, 전달제어신호(TX/)가 로우 레벨일 때 턴온되어 포토 다이오드(PD)에 축적된 전하를 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달할 수 있다. 본 실시예에서는 전달 트랜지스터(P2)의 게이트-소스 간 전압 강하가 발생하지 않기 때문에, 노드 ND1의 전압을 노드 ND2의 전압과 동일하게 할 수 있어, FPN을 감소시킬 수 있다.The transfer transistor P2 connects the photodiode PD and the floating diffusion region FD based on the transfer control signal TX /. Accordingly, in the reset operation, the voltage of the node ND2 becomes equal to the voltage of the node ND1 reset to the power supply voltage VDD. In addition, during charge accumulation in the photodiode PD or after charge accumulation has ended, charge sharing occurs between the photodiode PD and the floating diffusion region FD. In this embodiment, the transfer transistor P2 may be a PMOS transistor, and is turned on when the transfer control signal TX / is at a low level to transfer charge accumulated in the photodiode PD to the floating diffusion region FD. . In this embodiment, since the voltage drop between the gate and the source of the transfer transistor P2 does not occur, the voltage of the node ND1 can be made equal to the voltage of the node ND2, thereby reducing FPN.

선택 트랜지스터(P3)는 선택제어신호(LS/)에 기초하여 변환 트랜지스터(N1)를 구동한다. 본 실시예에서 선택 트랜지스터(P3)는 PMOS 트랜지스터일 수 있으며, 리셋 트랜지스터(P1), 전달 트랜지스터(P2)와 마찬가지로 FPN을 감소시킬 수 있다.The selection transistor P3 drives the conversion transistor N1 based on the selection control signal LS /. In this embodiment, the selection transistor P3 may be a PMOS transistor, and like the reset transistor P1 and the transfer transistor P2, FPN may be reduced.

변환 트랜지스터(N1)는 노드 ND2의 전하량에 따라 노드 ND3에서 출력 전압 Vout을 생성한다. 출력 전압 Vout은 CDS(Correlated Double Sampling) 유닛에서 영상 신호로서 출력될 수 있다.The conversion transistor N1 generates the output voltage Vout at the node ND3 according to the amount of charge at the node ND2. The output voltage Vout may be output as a video signal from a Correlated Double Sampling (CDS) unit.

도 6은 도 5의 구동 신호들에 대한 타이밍도를 예시적으로 보여주는 도면이다.FIG. 6 is a diagram exemplarily showing a timing diagram for the driving signals of FIG. 5.

도 6에서 구동신호들(RX/, TX/, LS/)의 오른쪽 괄호 안의 값은 구동신호들(RX/, TX/, LS/)이 인가되는 픽셀의 로우를 나타낸다. 예를 들어, RX/(n)은 n번째 로우에 해당하는 픽셀에 인가되는 리셋 신호(RX/)를 나타내고, RX/(n+1)은 n+1번째 로우에 해당하는 픽셀에 인가되는 리셋 신호(RX/)를 나타낸다. 또한, 본 실시예에 따른 리셋 신호(RX/), 전달제어신호(TX/), 선택 신호(LS/)는 로우 레벨일 때 인에이블되는 로우 인에이블 신호인 것으로 가정한다.In FIG. 6, the value in the right parenthesis of the driving signals RX /, TX /, LS / represents the row of the pixel to which the driving signals RX /, TX /, LS / are applied. For example, RX / (n) represents the reset signal RX / applied to the pixel corresponding to the n-th row, and RX / (n + 1) is reset applied to the pixel corresponding to the n + 1-th row. Signal RX /. In addition, it is assumed that the reset signal RX /, the transfer control signal TX /, and the selection signal LS / according to the present embodiment are low enable signals that are enabled when they are at a low level.

먼저 n번째 로우에 해당하는 픽셀에 인가되는 구동신호들에 대해 설명한다.First, driving signals applied to the pixel corresponding to the n-th row will be described.

도 5 및 도 6을 참조하면, T0 ~ T1 동안 n번째 로우의 리셋 신호{RX/(n)} 및 n번째 로우의 전달제어신호{TX/(n)}가 로우 레벨이 된다. 이에 따라, 리셋 트랜지스터(P1) 및 전달 트랜지스터(P2)가 턴온되어, 노드 ND1 및 노드 ND2의 전압이 전원전압(VDD)으로 리셋된다.5 and 6, the reset signal {RX / (n)} of the n-th row and the transfer control signal {TX / (n)} of the n-th row become low levels during T0 to T1. Accordingly, the reset transistor P1 and the transfer transistor P2 are turned on, and the voltages of the nodes ND1 and ND2 are reset to the power supply voltage VDD.

T2 ~ T3에서 n번째 로우의 리셋 신호{RX/(n)} 및 n번째 로우의 전달제어신호{TX/(n)}가 다시 로우 레벨이 된다. T1 이후, 포토 다이오드(PD)에서 전하의 축적이 발생하는 T3까지 시간 간격이 있기 때문에, 노드 ND1 또는 노드 ND2의 전압에 변동이 발생할 수 있다. 노출 시간 T3 이전에 리셋 동작을 한번 더 수행함으로써 노드 ND1 및 노드 ND2의 전압이 전원전압 VDD가 되도록 보장할 수 있다.In T2 to T3, the reset signal {RX / (n)} of the n-th row and the transfer control signal {TX / (n)} of the n-th row become low again. After T1, since there is a time interval from the photodiode PD to T3 where the accumulation of charge occurs, a voltage may change in the node ND1 or the node ND2. By performing the reset operation once more before the exposure time T3, it is possible to ensure that the voltages of the nodes ND1 and ND2 become the power supply voltage VDD.

T3 ~ T5는 포토 다이오드(PD)의 노출 시간(노출 구간)(integration time)이다. 이에 따라, 포토 다이오드(PD)에서 광전 변환에 따른 전하가 발생하여 포토 다이오드(PD) 내부에 축적된다.T3 to T5 are exposure times (integration time) of the photodiode PD. Accordingly, charges generated by photoelectric conversion are generated in the photodiode PD and accumulate inside the photodiode PD.

본 실시예에서 이미지 센서(100)는 T3 또는 T3와 T2를 조절하여 노출 시간을 제어함으로써 고노출 프레임과 저노출 프레임을 획득할 수 있다. In this embodiment, the image sensor 100 may obtain a high exposure frame and a low exposure frame by controlling the exposure time by adjusting T3 or T3 and T2.

T5에서 포토 다이오드(PD)의 노출이 종료되고, T4 ~ T5 동안 전달제어신호{TX/(n)}가 로우 레벨이 된다. 이에 따라, 전달 트랜지스터(P2)가 턴온되어, 포토 다이오드(PD)에 축적된 전하가 플로팅 확산 영역(FD)와 셰어링된다.The exposure of the photodiode PD is terminated at T5, and the transfer control signal {TX / (n)} becomes low level during T4 to T5. Accordingly, the transfer transistor P2 is turned on, and the charge accumulated in the photodiode PD is shared with the floating diffusion region FD.

T5에서 전달제어신호(TX/(n))가 하이 레벨로 천이하여 전하 셰어링이 종료된다.At T5, the transfer control signal TX / (n) transitions to a high level, and charge sharing is ended.

T6에서 선택 신호{LS/(n)}가 로우 레벨이 되고, 이에 따라, 선택 트랜지스터(P3) 및 변환 트랜지스터(N1)가 구동되어 출력 전압 Vout이 출력된다. 이때의 출력 전압 Vout을 신호 전압 Vsig 이라고 표시한다.At T6, the selection signal {LS / (n)} becomes low level, and accordingly, the selection transistor P3 and the conversion transistor N1 are driven to output the output voltage Vout. The output voltage Vout at this time is indicated as the signal voltage Vsig.

T7에서 CDS에 의해 출력 전압 Vout이 리드아웃되며, 이때 리드아웃된 출력 전압 Vout을 신호 전압 Vsig(n)이라고 표시한다.At T7, the output voltage Vout is read out by the CDS, and at this time, the readout output voltage Vout is indicated as the signal voltage Vsig (n).

T8 ~ T9 동안 리셋 신호{RX/(n)} 및 전달제어신호{TX/(n)}가 로우 레벨이 되어 노드 ND1 및 노드 ND2의 전압을 전원전압 VDD으로 리셋한다.During T8 to T9, the reset signal {RX / (n)} and the transfer control signal {TX / (n)} become low level to reset the voltages of the nodes ND1 and ND2 to the power supply voltage VDD.

T9에서 리셋 신호(RX/(n)) 및 전달제어신호{TX/(n)}를 하이 레벨로 천이시켜 리셋 트랜지스터(P1) 및 전달 트랜지스터(P2)을 턴 오프한다.In T9, the reset signal RX / (n) and the transfer control signal {TX / (n)} are shifted to a high level to turn off the reset transistor P1 and the transfer transistor P2.

T10에서 CDS에 의해 출력 전압 Vout이 리드아웃되며, 이때 리드아웃된 출력 전압 Vout을 기준 전압 Vref(n)이라고 표시한다.At T10, the output voltage Vout is read out by the CDS, and at this time, the readout output voltage Vout is indicated as the reference voltage Vref (n).

*도시하지는 않았지만, CDS는 신호 전압 Vsig(n) 및 기준 전압 Vref(n)의 차이에 기초하여 n번째 로우에 대한 영상 신호를 생성한다.* Although not shown, the CDS generates an image signal for the n-th row based on the difference between the signal voltage Vsig (n) and the reference voltage Vref (n).

다음으로 n+1번째 로우에 해당하는 픽셀에 인가되는 구동신호들에 대해 설명한다.Next, driving signals applied to the pixel corresponding to the n + 1th row will be described.

T0 ~ T5 동안 인가되는 n+1번째 로우에 해당하는 픽셀에 인가되는 구동신호들의 타이밍도는, n번째 로우에 해당하는 픽셀에 인가되는 구동신호들의 타이밍도와 동일하다.The timing diagram of the driving signals applied to the pixel corresponding to the n + 1th row applied during T0 to T5 is the same as the timing diagram of the driving signals applied to the pixel corresponding to the nth row.

도 5 및 도 6을 참조하면, T0 ~ T1 및 T2 ~ T3 동안 n+1번째 로우의 리셋 신호{RX/(n+1)} 및 n+1번째 로우의 전달제어신호{TX/(n+1)}가 로우 레벨이 되어 리셋 동작이 수행되고, T4 ~ T5 동안 전달제어신호{TX/(n+1)}가 로우 레벨이 되어 전하 셰어링 동작이 수행된다.5 and 6, the reset signal {RX / (n + 1)} of the n + 1 th row and the transfer control signal {TX / (n +) of the n + 1 th row during T0 to T1 and T2 to T3 1)} becomes a low level, and a reset operation is performed. During T4 to T5, a transfer control signal {TX / (n + 1)} becomes a low level, and a charge sharing operation is performed.

T6 ~ T11 동안 n번째 로우에 대한 리드 동작이 종료한 후에, T12에서 선택 신호{LS/(n+1)}가 로우 레벨이 되고, 이에 따라, n+1번째 로우에 해당하는 픽셀의 선택 트랜지스터(P3) 및 변환 트랜지스터(N1)가 구동되어 출력 전압 Vout이 출력된다.After the read operation for the n-th row is ended during T6 to T11, the selection signal {LS / (n + 1)} at T12 becomes a low level, and accordingly, the selection transistor of the pixel corresponding to the n + 1th row (P3) and the conversion transistor N1 are driven to output the output voltage Vout.

T13에서 CDS에 의해 n+1번째 로우에 해당하는 픽셀의 출력 전압 Vout이 리드아웃되며, 이때의 출력 전압 Vout을 Vsig(n+1)이라고 표시한다.At T13, the output voltage Vout of the pixel corresponding to the n + 1th row is read out by the CDS, and the output voltage Vout at this time is expressed as Vsig (n + 1).

T14 ~ T15 동안 n+1번째 로우에 해당하는 픽셀의 리셋 신호{RX/(n+1)} 및 전달제어신호{TX/(n+1)}가 로우 레벨이 되어 노드 ND1 및 노드 ND2의 전압이 전원전압 VDD으로 리셋된다.During T14 to T15, the reset signal {RX / (n + 1)} and the transfer control signal {TX / (n + 1)} of the pixel corresponding to the n + 1th row become low level and the voltages of the nodes ND1 and ND2 The power supply voltage is reset to VDD.

T15에서 리셋 신호{RX/(n+1)} 및 전달제어신호{TX/(n+1)}를 하이 레벨로 천이시켜 n+1번째 로우에 해당하는 픽셀의 리셋 트랜지스터(P1) 및 전달 트랜지스터(P2)을 턴 오프한다.In T15, the reset signal {RX / (n + 1)} and the transfer control signal {TX / (n + 1)} transition to a high level, and the reset transistor P1 and transfer transistor of the pixel corresponding to the n + 1th row are shifted. Turn (P2) off.

T16에서 CDS에 의해 출력 전압 Vout이 리드아웃되며, 이때의 출력 전압을 기준 전압 Vref(n+1)이라고 표시한다.At T16, the output voltage Vout is read out by the CDS, and the output voltage at this time is referred to as a reference voltage Vref (n + 1).

T17에서 선택신호{LS/(n+1)}을 하이 레벨로 천이함으로써, n+1번째 로우에 해당하는 픽셀에 대한 리드 동작을 종료한다.By shifting the selection signal {LS / (n + 1)} to a high level in T17, the read operation for the pixel corresponding to the n + 1th row is ended.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서(100)에서, T0 ~ T5 동안의 동작, 즉 포토 다이오드(PD)의 리셋 동작, 포토 다이오드의 노출 동작 및 전하 셰어링 동작은 모든 로우에 대해 동시에 수행된다. 그리고, 각 로우에 대한 리드 동작은 순차적으로 수행된다. 즉, T6 ~ T11 동안 n번째 로우에 대한 리드 동작이 수행되고, T12 ~ T17 동안 n+1번째 로우에 대한 리드 동작이 수행된다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 이미지 센서는 글로벌 셔터 방식으로 동작한다.Referring to FIG. 6, in the image sensor 100 according to an embodiment of the present invention, operations during T0 to T5, that is, reset operation of the photodiode PD, exposure operation of the photodiode, and charge sharing operation are all low Against. Then, read operations for each row are sequentially performed. That is, a read operation is performed for the nth row during T6 to T11, and a read operation is performed for the n + 1th row for T12 to T17. In other words, the image sensor according to the present embodiment operates in a global shutter method.

글로벌 셔터 방식의 경우, 동시에 노출 동작이 수행된 후에, 리드 동작이 앞의 로우부터 뒤의 로우로 순차적으로 수행되기 때문에, 뒤의 로우에 해당하는 픽셀에서는 전하의 누설(leakage)이 발생하여 FPN 및 그라데이션이 발생할 수 있다. 본 발명의 실시예에 의하면, 전하의 누설이 적은 MIM 캐패시터를 사용하기 때문에, 글로벌 셔터 방식을 이용하더라도 FPN을 감소시킬 수 있다.In the case of the global shutter method, after the exposure operation is simultaneously performed, since the read operation is sequentially performed from the front row to the rear row, leakage of charge occurs in the pixel corresponding to the rear row, resulting in FPN and Gradients may occur. According to the exemplary embodiment of the present invention, since the MIM capacitor having less leakage of charge is used, FPN can be reduced even if the global shutter method is used.

도 7은 도 5의 구동 신호들에 대한 타이밍도를 예시적으로 보여주는 도면이다.FIG. 7 is a diagram exemplarily showing a timing diagram for the driving signals of FIG. 5.

도 7을 참조하면, T0 ~ T1 동안 리셋 신호{RX/(n), RX/(n+1)}와 전달제어신호{TX/(n), TX/(n+1)}가 로우 레벨로 되었다가, T1에서 하이 레벨로 천이한 후 리셋 구간 동안 하이 레벨을 유지한다. 본 실시예에서 T2 ~ T3 동안의 동작은 T1 ~ T4 동안의 동작가 동일하므로 T2 ~ T3 동안의 동작이 생략되었다.Referring to FIG. 7, the reset signals {RX / (n), RX / (n + 1)} and the transmission control signals {TX / (n), TX / (n + 1)} during T0 to T1 are set to a low level. Then, after transitioning from T1 to a high level, the high level is maintained during the reset period. In this embodiment, the operation during T2 to T3 is the same during T1 to T4, so the operation during T2 to T3 is omitted.

본 실시예에서 이미지 센서(100)는 T1을 조절하여 노출 시간을 제어함으로써 고노출 프레임과 저노출 프레임을 획득할 수 있다.In this embodiment, the image sensor 100 may obtain a high exposure frame and a low exposure frame by controlling the exposure time by adjusting T1.

도 8은 도 5의 구동 신호들에 대한 타이밍도를 예시적으로 보여주는 도면이다.8 is a diagram illustrating a timing diagram for the driving signals of FIG. 5 by way of example.

도 8을 참조하면, T0 ~ T3 동안 n번째 로우에 해당하는 픽셀에 인가되는 리셋 신호{RX/(n)}, 전달제어신호{TX/(n)} 및 n+1번째 로우에 해당하는 픽셀에 인가되는 리셋 신호{RX/(n)}, 전달제어신호{TX/(n)}가 로우 레벨이 된다. 즉, 도 7에서 리셋 시간이 T0 ~ T1 이었던 것에 비해 본 실시예에서는 리셋 시간이 T0 ~ T3으로 증가한다. 이때, 이미지 센서(100)는 T3를 조절하여 노출 시간을 제어함으로써 고노출 프레임과 저노출 프레임을 획득할 수 있다.Referring to FIG. 8, a reset signal {RX / (n)}, a transfer control signal {TX / (n)} applied to a pixel corresponding to an n-th row during T0 to T3, and a pixel corresponding to an n + 1-th row The reset signal {RX / (n)} applied to and the transfer control signal {TX / (n)} become low level. That is, in FIG. 7, the reset time is increased from T0 to T3 in this embodiment, compared to the reset time from T0 to T1. At this time, the image sensor 100 may obtain a high exposure frame and a low exposure frame by controlling the exposure time by adjusting T3.

도 9는 도 5의 구동 신호들에 대한 타이밍도를 예시적으로 보여주는 도면이다.9 is a diagram illustrating a timing diagram for the driving signals of FIG. 5 by way of example.

도 9를 참조하면, T0 ~ T3의 동작은 도 9와 동일하다.Referring to FIG. 9, operations of T0 to T3 are the same as in FIG. 9.

T3에서 리셋 신호{RX/(n), RX/(n+1)}가 하이 레벨로 천이하고, 전달제어신호{TX/(n), TX/(n+1)}는 로우 레벨을 유지한다. 이에 따라, T3 ~ T4의 노출 시간 동안, n번째 로우와 n+1번째 로우의 전달 트랜지스터(P2)가 턴온되고, 포토다이오드(PD)와 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 전하 셰어링이 발생한다. 이는 도 9에서 T3 ~ T4 동안 포토 다이오드(PD)의 노출 동작을 수행하고, 그 이후인 T4 ~ T5 동안 전하 셰어링을 수행한 것과 상이하다. 도 10에는 도 9의 리셋 동작을 수행하는 경우에 전달제어신호{TX/(n), TX/(n+1)}를 상이하게 하는 것으로 도시하였으나, 도 7 및 도 8의 리셋 동작을 수행하는 경우에도 적용될 수 있다.At T3, the reset signals {RX / (n), RX / (n + 1)} transition to a high level, and the transfer control signals {TX / (n), TX / (n + 1)} maintain a low level. . Accordingly, during the exposure time of T3 to T4, the transfer transistor P2 of the n-th row and the n + 1-th row is turned on, and charge sharing occurs between the photodiode PD and the floating diffusion region FD. . This is different from performing the exposure operation of the photodiode PD during T3 to T4 in FIG. 9, and then performing charge sharing during T4 to T5 thereafter. FIG. 10 shows that the transfer control signals {TX / (n), TX / (n + 1)} are different when performing the reset operation of FIG. 9, but performing the reset operation of FIGS. 7 and 8 It can also be applied.

도 10은 도 1의 이미지 센서의 다른 실시예에 따른 픽셀의 구조를 나타내는 회로도이다.10 is a circuit diagram illustrating the structure of a pixel according to another embodiment of the image sensor of FIG. 1.

도 10을 참조하면, 픽셀은 도 5의 픽셀에 비해 노드 ND1와 포토 다이오드(PD)가 연결된 노드 ND4의 사이에 아이솔레이션 트랜지스터(N2)를 더 포함한다.Referring to FIG. 10, the pixel further includes an isolation transistor N2 between the node ND1 and the node ND4 to which the photodiode PD is connected compared to the pixel of FIG. 5.

아이솔레이션 트랜지스터(N2)의 게이트는 전원전압 공급라인 VDD이 연결된다. 아이솔레이션 트랜지스터(N2)가 포토 다이오드(PD)와 노드 ND1의 사이에 연결되어 있기 때문에, 예를 들어 포토 다이오드(PD)와 노드 ND1가 메탈라인으로 연결되어 있는 경우와 같이 포토 다이오드(PD)와 노드 ND1 사이의 기생 캐패시턴스를 감소시킬 수 있다.The gate of the isolation transistor N2 is connected to the power supply voltage supply line VDD. Since the isolation transistor N2 is connected between the photodiode PD and the node ND1, the photodiode PD and the node are connected, for example, when the photodiode PD and the node ND1 are connected by a metal line. The parasitic capacitance between ND1 can be reduced.

도 11은 도 10의 아이솔레이션 트랜지스터(N2)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.11 is a timing diagram for explaining the operation of the isolation transistor N2 of FIG. 10.

도 11에서 리셋 신호(RX/) 및 전달제어신호(TX/)는 도 9의 실시예에 따라 인가된다. 도 11에서 V1은 노드 ND1의 전압을 나타내고, V4는 노드 ND4의 전압을 나타낸다.In FIG. 11, the reset signal RX / and the transfer control signal TX / are applied according to the embodiment of FIG. 9. In FIG. 11, V1 represents the voltage of the node ND1, and V4 represents the voltage of the node ND4.

도 10 및 도 11을 참조하면, T3 이전에 로우 레벨의 리셋 신호(RX/)와 전달제어신호(TX/)가 인가된다. 이에 따라, 리셋 트랜지스터(P1)가 턴온되어 노드 ND1의 전압 V1이 전원전압 VDD으로 리셋된다. 아이솔레이션 트랜지스터(N2)의 게이트-소스간 전압차를 Vth라 할 때, 노드 ND4의 전압 V4은 VDD-Vth가 된다.10 and 11, before T3, a low level reset signal RX / and a transfer control signal TX / are applied. Accordingly, the reset transistor P1 is turned on, and the voltage V1 of the node ND1 is reset to the power supply voltage VDD. When the voltage difference between the gate and the source of the isolation transistor N2 is Vth, the voltage V4 of the node ND4 becomes VDD-Vth.

T3에서 포토 다이오드(PD)의 노출이 시작됨에 따라 노드 ND4에 전하가 축적된다. 이때, 아이솔레이션 트랜지스터(N2)는 포화 모드로 동작한다. 따라서, 아이솔레이션 트랜지스터(N2)의 소스에 축적된 전하는 아이솔레이션 트랜지스터(N2)의 드레인으로 이동하여 노드 ND1의 전압 V1을 감소시킨다.As T3 starts to expose the photodiode PD, charges accumulate on the node ND4. At this time, the isolation transistor N2 operates in a saturation mode. Therefore, the charge accumulated in the source of the isolation transistor N2 moves to the drain of the isolation transistor N2, thereby reducing the voltage V1 of the node ND1.

Ta에서 노드 ND1의 전압 V1이 VDD-Vth가 되어 노드 ND4의 전압 V4과 동일해지면, 아이솔레이션 트랜지스터(N2)는 리니어 모드로 동작하기 시작한다. 따라서, 노드 ND4에 축적되는 전하에 의해 노드 ND4 및 노드 ND1의 전위가 함께 감소한다.When the voltage V1 of the node ND1 in Ta becomes VDD-Vth and becomes equal to the voltage V4 of the node ND4, the isolation transistor N2 starts operating in the linear mode. Therefore, the potentials of the node ND4 and the node ND1 are reduced together by the charge accumulated in the node ND4.

이후의 리드아웃 동작은 도 9에서와 동일하므로 생략한다.Subsequent readout operations are the same as in FIG. 9 and will be omitted.

이와 같이, 아이솔레이션 트랜지스터(N2)가 삽입되더라도, 노출 시간이 어느 정도 경과하면(즉 Ta 이후) 노드 ND1의 전압 V1은 포토 다이오드(PD)의 전압, 즉 노드 ND4의 전압 V4를 반영한다. 한편, 포토 다이오드(PD)가 연결되는 노드 ND4와, 노드 ND1의 사이가 메탈 라인으로 연결되는 이유 등으로 인하여, 기생 캐패시턴스가 발생할 수 있다. 본 실시예에 의하면, 노드 ND4와 노드 ND1의 사이에 아이솔레이션 트랜지스터(N2)를 삽입함으로써, 이러한 기생 캐패시턴스를 감소시킬 수 있다.As described above, even when the isolation transistor N2 is inserted, when the exposure time elapses to a certain extent (that is, after Ta), the voltage V1 of the node ND1 reflects the voltage of the photodiode PD, that is, the voltage V4 of the node ND4. Meanwhile, parasitic capacitance may occur due to a reason that the node ND4 connected to the photodiode PD and the node ND1 are connected by a metal line. According to this embodiment, by inserting the isolation transistor N2 between the node ND4 and the node ND1, it is possible to reduce such parasitic capacitance.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 포토 다이오드의 구조 및 동작을 나타내는 도면이다. 여기에서, (a)는 도 5 또는 도 10의 포토 다이오드(PD)의 단면을 나타내는 도면이며, (b) 및 (c)는 포토 다이오드(PD)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.12 is a view showing the structure and operation of a photodiode according to an embodiment of the present invention. Here, (a) is a view showing a cross section of the photodiode PD of FIG. 5 or 10, and (b) and (c) are diagrams for explaining the operation of the photodiode PD.

도 12의 (a)를 참조하면, 포토 다이오드(PD)는 P형 기판(810), P형 기판(810) 상에 형성되는 제1 PDN(Photo Diode N-type) 영역(820) 및 제2 PDN 영역(830), PDP(Photo Diode P-type) 영역(840) 및 콘택트(850)를 포함할 수 있다. 콘택트(850)는 메탈 라인을 통해 리셋 트랜지스터(P1) 및 전달 트랜지스터(P2)가 연결되는 노드 ND1에 연결될 수 있다.Referring to (a) of FIG. 12, the photodiode PD includes a P-type substrate 810, a first photodiode N-type (PDN) region 820 formed on the P-type substrate 810, and a second It may include a PDN region 830, a photo diode P-type (PDP) region 840 and a contact 850. The contact 850 may be connected to the node ND1 to which the reset transistor P1 and the transfer transistor P2 are connected through a metal line.

본 실시예에서, 제2 PDN 영역(830)은 제1 PDN 영역(820)에 비해 도핑 농도가 높은 영역, 즉 n+ 영역일 수 있다. 예를 들어, 제2 PDN 영역(830)의 도핑 농도는 1E15 수준이고, 제1 PDN 영역(820)의 도핑 농도는 1E12 수준일 수 있다. 이와 같이 제1 PDN 영역(820)과 제2 PDN 영역(830)의 도핑 농도를 조절함으로써 제1 PDN 영역(820)과 제2 PDN 영역(830)의 핀 전압을 각각 설정할 수 있다. 예를 들어, 제1 PDN 영역(820)의 핀 전압은 전원전압보다 낮고, 제2 PDN 영역(830)의 핀 전압은 전원전압 VDD이상일 수 있다.In this embodiment, the second PDN region 830 may be a region having a higher doping concentration than the first PDN region 820, that is, an n + region. For example, the doping concentration of the second PDN region 830 may be 1E15 level, and the doping concentration of the first PDN region 820 may be 1E12 level. As described above, the pin voltages of the first PDN region 820 and the second PDN region 830 may be set by adjusting the doping concentrations of the first PDN region 820 and the second PDN region 830. For example, the pin voltage of the first PDN region 820 may be lower than the power voltage, and the pin voltage of the second PDN region 830 may be higher than the power voltage VDD.

본 실시예에서, 제2 PDN 영역(830)의 면적은 제1 PDN 영역(820)의 면적보다 작을 수 있다. 예를 들어 포토 다이오드(PD)는 50㎛ㅧ50㎛의 면적을 갖고, 제2 PDN 영역(830)은 1㎛ㅧ1㎛의 면적을 가질 수 있다.In this embodiment, the area of the second PDN area 830 may be smaller than the area of the first PDN area 820. For example, the photodiode PD may have an area of 50 μm to 50 μm, and the second PDN region 830 may have an area of 1 μm to 1 μm.

도 12의 (b) 및 (c)에서 제1 PDN 영역(820)의 핀 전압 Vpin1은 0.5V이고, 전원전압 VDD은 3.0V이고, 제2 PDN 영역(830)의 핀 전압 Vpin2은 3.0V 이상이라고 가정한다.12 (b) and 12 (c), the pin voltage Vpin1 of the first PDN region 820 is 0.5V, the power supply voltage VDD is 3.0V, and the pin voltage Vpin2 of the second PDN region 830 is 3.0V or more. Is assumed.

리셋 상태에서 콘택트(850)에 3.0V의 전원전압 VDD이 인가되면, 제1 PDN 영역(820)의 전압은 핀 전압 Vpin1인 0.5V이고, 제2 PDN 영역(830)의 전압은 전원전압 VDD인 3.0V가 된다.When the power voltage VDD of 3.0V is applied to the contact 850 in the reset state, the voltage of the first PDN region 820 is 0.5V, which is the pin voltage Vpin1, and the voltage of the second PDN region 830 is the power voltage VDD. 3.0V.

포토 다이오드(PD)에서 발생한 전하는, 도 12의 (b)의 회색 영역에 표시된 바와 같이, 전압이 높은 제2 PDN 영역(830)에 축적되고, 이에 따라 제2 PDN 영역(830)의 전압이 점차 낮아진다. 제2 PDN 영역(830)의 전압이 제1 PDN 영역(820)의 핀 전압 Vpin1, 즉 0.5V에 도달한 이후, 발생한 전하는 도 12의 (c)의 회색 영역으로 표시된 바와 같이 제1 PDN 영역(820) 및 제2 PDN 영역(830) 전체에 축적된다.The charge generated in the photodiode PD accumulates in the second PDN region 830 where the voltage is high, as shown in the gray region in FIG. 12B, so that the voltage in the second PDN region 830 gradually increases. Lowered. After the voltage of the second PDN region 830 reaches the pin voltage Vpin1 of the first PDN region 820, that is, 0.5V, the generated charge is the first PDN region (as indicated by the gray region of FIG. 12 (c)). 820) and the second PDN region 830.

이와 같이, 포토 다이오드(PD)의 출력 전압이 VDD ~ Vpin1인 구간 (1)에서는 제2 PDN 영역(830)의 면적에 해당하는 커패시턴스로 동작하다가, Vpin1 ~ 0V의 구간 (2)에서는 제1 PDN 영역(820) 및 제2 PDN 영역(830)의 면적, 즉 포토 다이오드(PD)의 전체 면적에 해당하는 커패시턴스로 동작한다. 따라서, 본 실시예에 따른 포토 다이오드(PD)는 제1 PDN 영역(820)의 도핑 농도를 조절함으로써 제1 PDN 영역(820)의 핀 전압 Vpin1을 조절하고, 이에 따라 포토 다이오드(PD)의 캐패시턴스를 조절할 수 있다.As described above, in the section (1) where the output voltage of the photodiode PD is VDD to Vpin1, it operates as a capacitance corresponding to the area of the second PDN region 830, and in the section (2) of Vpin1 to 0V, the first PDN The area 820 and the second PDN area 830 operate as capacitances corresponding to the entire area of the photodiode PD. Therefore, the photodiode PD according to the present embodiment adjusts the pin voltage Vpin1 of the first PDN region 820 by adjusting the doping concentration of the first PDN region 820, and accordingly, the capacitance of the photodiode PD. Can be adjusted.

도 13은 도 12의 포토 다이오드의 구조에서 축적 시간과 출력 전압의 관계를 나타내는 그래프이다.13 is a graph showing the relationship between accumulation time and output voltage in the structure of the photodiode of FIG. 12.

도 13에서 구간 (1)은 도 12의 (b)의 구간 (1), 즉 포토다이오드의 전압이 3.0 ~ 0.5V인 구간에 대응하고, 도 13에서 구간 (2)는 도 12의 (c)의 구간 (2), 즉 포토다이오드의 전압이 0.5 ~ 0V인 구간에 대응한다.In FIG. 13, section (1) corresponds to section (1) of FIG. 12 (b), that is, a section in which the voltage of the photodiode is 3.0 to 0.5V, and section (2) in FIG. 13 is section (c) of FIG. Corresponds to the section (2), that is, the section where the voltage of the photodiode is 0.5 to 0V.

도 13을 참조하면, 포토 다이오드(PD)의 출력 전압이 VDD ~ Vpin1인 구간 (1)의 기울기는 포토 다이오드(PD)의 출력 전압이 Vpin1 ~ 0V의 구간 (2)에서의 기울기보다 크다. 즉, 구간 (1)의 커패시턴스는 구간 (2)의 커패시턴스보다 작음을 알 수 있다.Referring to FIG. 13, the slope of section 1 in which the output voltage of the photodiode PD is VDD to Vpin1 is greater than the slope in section 2 of the Vpin1 to 0V of the photodiode PD. That is, it can be seen that the capacitance of section (1) is smaller than that of section (2).

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 메탈 월(metal wall) 및 메탈 쉴딩(metal shielding) 구조를 보여주는 도면이다.14 is a view showing a metal wall and a metal shielding structure according to an embodiment of the present invention.

도 14를 참조하면, 픽셀은 리셋 트랜지스터(P1), 전달 트랜지스터(P2), 플로팅 확산 영역(FD), 선택 트랜지스터(P3), 변환 트랜지스터(N1), 전류원(Is), 포토 다이오드(PD), 메탈 월 및 메탈 쉴딩을 포함한다. 픽셀에서 리셋 트랜지스터(P1), 전달 트랜지스터(P2), 플로팅 확산 영역(FD), 선택 트랜지스터(P3), 변환 트랜지스터(N1) 및 전류원(Is)은 도 5와 동일하고, 포토 다이오드(PD)의 구조는 도 12의 (a)와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.Referring to FIG. 14, the pixel includes a reset transistor P1, a transfer transistor P2, a floating diffusion region FD, a selection transistor P3, a conversion transistor N1, a current source Is, a photodiode PD, Metal wall and metal shielding. In the pixel, the reset transistor P1, the transfer transistor P2, the floating diffusion region FD, the selection transistor P3, the conversion transistor N1, and the current source Is are the same as in FIG. 5, and the photodiode PD Since the structure is the same as that of FIG. 12 (a), description thereof is omitted.

메탈 월은 포토 다이오드(PD)의 주위를 둘러싸는 구조를 갖는다. 이에 의해 측면에서 들어오는 빛을 차단하고, 옵티컬 크로스토크를 개선할 수 있다.The metal wall has a structure surrounding the photodiode PD. By doing so, it is possible to block light coming from the side and improve optical crosstalk.

메탈 쉴딩은 포토 다이오드(PD)를 제외한 부분, 즉 리셋 트랜지스터(P1), 전달 트랜지스터(P2), 선택 트랜지스터(P3), 변환 트랜지스터(N1) 및 플로팅 확산 영역(FD)의 측면과 상면을 둘러싸는 구조를 갖는다. 이에 따라 글로벌 셔터 방식으로 동작시 플로팅 확산 영역(FD)에 전하가 저장되어 있는 시간이 길더라도, 트랜지스터들(P1, P2, P3, N1)의 접합 영역이 빛에 반응하지 않도록 함으로써, 데이터의 왜곡을 방지할 수 있다.Metal shielding surrounds the side and top surfaces of the portion except for the photodiode PD, that is, the reset transistor P1, the transfer transistor P2, the selection transistor P3, the conversion transistor N1, and the floating diffusion region FD. It has a structure. Accordingly, even when the time in which the charge is stored in the floating diffusion region FD during operation in the global shutter method is long, the junction regions of the transistors P1, P2, P3, and N1 do not react to light, thereby distorting data. Can be prevented.

본 실시예에 따른 픽셀은 포토 다이오드(PD)와 노드 ND1을 연결하는 메탈라인을 포함한다. 다시 말해, 픽셀은 메탈라인에 의해 포토 다이오드(PD)와 노드 ND1가 분리되어 있는 구조를 갖는다. 이에 따라, 메탈 월 및, 메탈 쉴딩의 측벽으로 메탈라인이 통과하는 구조를 가질 수 있다.The pixel according to this embodiment includes a metal line connecting the photodiode PD and the node ND1. In other words, the pixel has a structure in which the photodiode PD and the node ND1 are separated by a metal line. Accordingly, the metal wall and the metal line may have a structure through which the metal line passes.

도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치에 구성을 간략하게 나타낸 구성도이다.15 is a configuration diagram briefly showing a configuration in an image sensing device according to another embodiment of the present invention.

도 15의 이미지 센싱 장치는 이미지 센서(300) 및 광편차 보상부(400)를 포함할 수 있다.The image sensing device of FIG. 15 may include an image sensor 300 and an optical deviation compensation unit 400.

이미지 센서(300)는 피사체(지문)로부터 반사된 광학 영상의 강약을 감지하고, 이를 디지털 영상 데이터로 변환한 원시 이미지 프레임(FRAME_SOURCE)을 생성 및 출력한다. 이때, 이미지 센서(300)는 동일한 지문에 대해 연속 촬영을 수행하여 복수개의 원시 이미지 프레임(FRAME_SOURCE)들을 연속적으로 생성 및 출력할 수 있다. 이러한 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이 상에 컬러 필터가 형성되지 않은 지문 센싱용 흑백 이미지 센서일 수 있다. 또한, 이미지 센서(300)는 상술한 도 5 또는 도 10의 구조를 포함할 수 있다.The image sensor 300 detects the strength and weakness of the optical image reflected from the subject (fingerprint), and generates and outputs a raw image frame FRAME_SOURCE converted to digital image data. At this time, the image sensor 300 may continuously generate and output a plurality of original image frames FRAME_SOURCE by performing continuous shooting on the same fingerprint. The image sensor 100 may be a black and white image sensor for fingerprint sensing in which a color filter is not formed on the pixel array. In addition, the image sensor 300 may include the structure of FIGS. 5 or 10 described above.

광편차 보상부(400)는 이미지 센서(300)에서 출력되는 원시 이미지 프레임(FRAME_SOURCE)의 각 픽셀을 보정하여 최종 이미지 프레임(FRAME_F)을 생성한다. 이때, 광편차 보정부(400)는 원시 이미지 프레임(FRAME_SOURCE)의 각 픽셀값을 해당 픽셀값에서 해당 픽셀을 포함하는 일정 범위 내에 있는 픽셀들의 평균값(평균 픽셀값) 또는 최소값을 뺀 값으로 보정할 수 있다. 예컨대, 광편차 보상부(400)는 상술한 도 1의 광편차 보상부(200)에서 고노출 이미지 프레임 또는 저노출 이미지 프레임의 각 픽셀값을 보정한 방법과 같은 방법으로 원시 이미지 프레임의 픽셀값들을 보정할 수 있다. 특히, 광편차 보상부(400)는 이미지 센서(300)가 복수개의 원시 이미지 프레임(FRAME_SOURCE)들을 연속적으로 출력하는 경우, 각각의 원시 이미지 프레임(FRAME_SOURCE)을 연속적으로 보정한 후 보정된 원시 이미지 프레임들을 합산하여 하나의 최종 이미지 프레임(FRAME_F)을 생성할 수 있다.The optical deviation compensation unit 400 corrects each pixel of the original image frame FRAME_SOURCE output from the image sensor 300 to generate a final image frame FRAME_F. At this time, the optical deviation correction unit 400 corrects each pixel value of the original image frame FRAME_SOURCE to a value obtained by subtracting the average value (average pixel value) or minimum value of pixels within a predetermined range including the pixel from the corresponding pixel value. You can. For example, the optical deviation compensation unit 400 is the same as the method of correcting each pixel value of the high-exposure image frame or the low-exposure image frame in the optical deviation compensation unit 200 of FIG. 1 described above. You can correct them. Particularly, when the image sensor 300 continuously outputs a plurality of original image frames FRAME_SOURCE, the optical deviation compensation unit 400 continuously corrects each original image frame FRAME_SOURCE and then corrects the original image frame. These may be added to generate one final image frame (FRAME_F).

이러한 이미지 센싱 장치 장치도 도 2의 디스플레이 장치에 적용될 수 있다.The image sensing device may also be applied to the display device of FIG. 2.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention.

따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the claims below, and all technical spirits within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims (4)

그라운드와 제 1 노드 사이에 연결된 포토 다이오드;
전원전압 공급라인과 제 2 노드 사이에 연결되며, 리셋 구간에서 게이트에 인가되는 리셋신호에 따라 상기 제 2 노드를 전원전압으로 리셋시키는 리셋 트랜지스터;
상기 제 2 노드와 플로팅 확산 영역 사이에 연결되며, 게이트에 인가되는 전달제어신호에 따라 턴온 또는 턴오프되는 전달 트랜지스터; 및
상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드 사이에 연결되며, 게이트가 전원전압 공급라인과 상시 연결되는 아이솔레이션 트랜지스터를 포함하며,
상기 전달 트랜지스터는
상기 리셋 구간에서 상기 플로팅 확산 영역을 리셋시키고, 노출 구간에서 상기 제 2 노드의 전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하며,
상기 아이솔레이션 트랜지스터는
상기 노출 구간 시작 후 일정 시간이 경과한 후에 상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드가 같은 전압 레벨이 되도록 해주는 이미지 센싱 장치.
A photo diode connected between the ground and the first node;
A reset transistor which is connected between the power supply voltage supply line and the second node, and resets the second node to a power supply voltage according to a reset signal applied to the gate in a reset period;
A transfer transistor connected between the second node and the floating diffusion region and turned on or off according to a transfer control signal applied to a gate; And
It is connected between the first node and the second node, the gate includes an isolation transistor that is always connected to the power supply line,
The transfer transistor
The floating diffusion region is reset in the reset period, and the charge of the second node is transferred to the floating diffusion region in the exposure period,
The isolation transistor
An image sensing device that allows the first node and the second node to have the same voltage level after a certain period of time has elapsed after the exposure period starts.
청구항 1항에 있어서, 상기 전달 트랜지스터는
상기 리셋 구간에서 턴온되어 상기 플로팅 확산 영역을 상기 제 2 노드와 전기적으로 연결시키고, 상기 플로팅 확산 영역과 상기 제 2 노드의 전기적 연결을 상기 노출 구간에서도 계속 유지시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
The method according to claim 1, wherein the transfer transistor
An image sensing device that is turned on in the reset period to electrically connect the floating diffusion region to the second node, and to maintain the electrical connection between the floating diffusion region and the second node even in the exposure period.
청구항 1항에 있어서, 상기 아이솔레이션 트랜지스터는
상기 노출 구간 시작 후 상기 일정 시간 동안은 상기 제 1 노드의 전압이 상기 제 2 노드의 전압보다 낮도록 유지시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
The method according to claim 1, wherein the isolation transistor
The image sensing device for maintaining the voltage of the first node to be lower than the voltage of the second node for the predetermined time after the exposure period starts.
청구항 3에 있어서, 상기 아이솔레이션 트랜지스터는
상기 제 1 노드의 전압은 상기 일정 시간 동안 전원전압에서 자신의 게이트-소스간 전압을 뺀 만큼의 크기로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
The method according to claim 3, wherein the isolation transistor
The image sensing device characterized in that the voltage of the first node is maintained at a level equal to the power supply voltage minus its gate-source voltage for the predetermined time.
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