KR102179434B1 - 이미지 센서, 이를 구비한 휴대용 전자 기기 및 이미지 센서 구동 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서는 픽셀 어레이, 상관 이중 샘플링부, 아날로그-디지털 변환부, 제어부 및 오버플로우 전원 전압 제어부를 포함한다. 픽셀 어레이는 광전 변환 구간에서 입사광에 상응하는 축적 전하들을 생성하고, 리드아웃 구간에서 축적 전하들에 기초하여 아날로그 신호를 출력하는 복수의 단위 픽셀들을 구비한다. 상관 이중 샘플링부는 아날로그 신호에 대해 상관 이중 샘플링 동작을 수행하여 이미지 신호를 생성한다. 아날로그-디지털 변환부는 이미지 신호를 디지털 신호로 변환한다. 제어부는 픽셀 어레이, 상관 이중 샘플링부 및 아날로그-디지털 변환부를 제어한다. 오버플로우 전원 전압 제어부는 단위 픽셀들에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 광전 변환 구간에서 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하고, 단위 픽셀들에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 리드아웃 구간에서 하이 전압 레벨을 갖도록 제어한다.
Description
본 발명은 글로벌 셔터(global shutter) 방식의 이미지 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 글로벌 셔터 방식의 이미지 센서, 이를 구비한 휴대용 전자 기기 및 이미지 센서 구동 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 피사체에 의해 반사된 광을 감지하여 전기적 신호로 변환하는 반도체 소자로서 디지털 카메라, 휴대폰 등과 같은 휴대용 전자 기기에 광범위하게 사용되고 있다. 일반적으로, 이미지 센서는 씨씨디(Charged Coupled Device; CCD) 이미지 센서와 씨모스(Complementary Metal Oxide Semiconductor; CMOS) 이미지 센서로 구분되는데, 최근에는 제조 비용이 저렴하고, 전력 소모가 적으며, 주변 회로와의 집적이 용이한 씨모스 이미지 센서가 상대적으로 보다 주목을 받고 있다. 나아가, 씨모스 이미지 센서는 롤링 셔터(rolling shutter) 방식의 씨모스 이미지 센서와 글로벌 셔터(global shutter) 방식의 씨모스 이미지 센서로 구분되는데, 모션 블러(motion blur), 젤로 효과(jello effect) 등의 이미지 왜곡이 적은 글로벌 셔터 방식의 씨모스 이미지 센서에 대한 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다. 일반적으로, 글로벌 셔터 방식의 씨모스 이미지 센서 내의 단위 픽셀은 리드아웃 구간 동안 광전 변환 소자에서 오버플로우가 발생하는 것을 방지하기 위한 오버플로우 트랜지스터를 포함하는데, 종래의 단위 픽셀에서는 광전 변환 구간 동안 오버플로우 트랜지스터가 턴오프된 상태에서도 오버플로우 트랜지스터를 통해 핫 캐리어 생성(hot carrier generation)에 기인한 누설 전류가 광전 변환 소자(예를 들어, 포토다이오드 등)로 유입되어 이미지 품질 저하가 야기되고 있다.
본 발명의 일 목적은 광전 변환 구간 동안 단위 픽셀들 각각에 구비된 오버플로우 트랜지스터가 턴오프된 상태에서 오버플로우 트랜지스터를 통해 핫 캐리어 생성에 기인한 누설 전류가 광전 변환 소자로 유입되어 이미지 품질 저하가 야기되는 것을 방지할 수 있는 글로벌 셔터 방식의 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 이미지 센서를 포함하는 휴대용 전자 기기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이미지 센서의 광전 변환 구간 동안 단위 픽셀들 각각에 구비된 오버플로우 트랜지스터가 턴오프된 상태에서 오버플로우 트랜지스터를 통해 핫 캐리어 생성에 기인한 누설 전류가 광전 변환 소자로 유입되어 이미지 품질 저하가 야기되는 것을 방지할 수 있는 이미지 센서 구동 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 목적은 상술한 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 광전 변환 구간에서 입사광에 상응하는 축적 전하들을 생성하고, 리드아웃 구간에서 상기 축적 전하들에 기초하여 아날로그 신호를 출력하는 복수의 단위 픽셀들을 구비한 픽셀 어레이, 상기 아날로그 신호에 대해 상관 이중 샘플링 동작을 수행하여 이미지 신호를 생성하는 상관 이중 샘플링부, 상기 이미지 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환부, 및 상기 픽셀 어레이, 상기 상관 이중 샘플링부 및 상기 아날로그-디지털 변환부를 제어하는 제어부, 및 상기 단위 픽셀들에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 상기 광전 변환 구간에서 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하고, 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 리드아웃 구간에서 하이 전압 레벨을 갖도록 제어하는 오버플로우 전원 전압 제어부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 오버플로우 전원 전압 제어부는 상기 제어부의 내부에 구현될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 오버플로우 전원 전압 제어부는 상기 리드아웃 구간을 제외한 모든 동작 구간에서 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨을 갖도록 제어할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 이미지 센서는 상기 디지털 신호에 대해 디지털 신호 프로세싱을 수행하여 최종 이미지 신호를 출력하는 디지털 신호 처리부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 단위 픽셀들 각각은 상기 광전 변환 구간에서 상기 축적 전하들을 생성하는 광전 변환부, 상기 리드아웃 구간에서 상기 축적 전하들에 기초하여 상기 아날로그 신호를 출력하는 아날로그 신호 출력부, 및 상기 리드아웃 구간 동안 상기 오버플로우 전원 전압을 이용하여 상기 광전 변환부에서 오버플로우가 발생하는 것을 방지하는 오버플로우 방지부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 오버플로우 방지부는 상기 오버플로우 전원 전압과 상기 광전 변환부 사이에 연결되고, 오버플로우 신호에 기초하여 동작하는 오버플로우 트랜지스터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 오버플로우 신호에 기초하여 상기 오버플로우 트랜지스터가 턴온되는 시점에서 상기 단위 픽셀들 전체에 대해 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨에서 상기 하이 전압 레벨로 변경될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 오버플로우 신호에 기초하여 상기 오버플로우 트랜지스터가 턴온되는 시점보다 이전인 시점에서 상기 단위 픽셀들 전체에 대해 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨에서 상기 하이 전압 레벨로 변경될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 오버플로우 신호에 기초하여 상기 오버플로우 트랜지스터가 턴온되는 시점보다 이전인 시점들에서 상기 단위 픽셀들이 그룹화된 그룹들 별로 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨에서 상기 하이 전압 레벨로 변경될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 광전 변환부는 상기 입사광을 수신하여 전하들로 변환하고, 상기 전하들을 축적하여 상기 축적 전하들을 생성하는 광전 변환 소자, 상기 축적 전하들을 저장하는 전하 저장 소자, 상기 광전 변환 소자와 상기 전하 저장 소자 사이에 연결되고, 제 1 트랜스퍼 신호에 기초하여 동작하는 제 1 트랜스퍼 트랜지스터, 및 상기 전하 저장 소자와 상기 아날로그 신호 출력부의 플로팅 확산 노드 사이에 연결되고, 제 2 트랜스퍼 신호에 기초하여 동작하는 제 2 트랜스퍼 트랜지스터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 광전 변환 소자는 포토다이오드, 포토트랜지스터, 또는 핀드 포토다이오드일 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 전하 저장 소자는 스토리지 다이오드일 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 아날로그 신호 출력부는 상기 플로팅 확산 노드와 제 1 고전원 전압 사이에 연결되고, 리셋 신호에 기초하여 동작하는 리셋 트랜지스터, 제 2 고전원 전압에 연결되고, 상기 플로팅 확산 노드로 전달된 상기 축적 전하들에 기초하여 동작하는 센싱 트랜지스터, 및 상기 센싱 트랜지스터와 출력 단자 사이에 연결되고, 로우 셀렉트 신호에 기초하여 동작하는 셀렉트 트랜지스터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 하이 전압 레벨을 가질 때, 상기 하이 전압 레벨은 상기 제 2 고전원 전압의 전압 레벨과 동일할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨을 가질 때, 상기 로우 전압 레벨은 접지 전압의 전압 레벨과 동일할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제 1 고전원 전압의 전압 레벨과 상기 제 2 고전원 전압의 전압 레벨은 동일할 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 휴대용 전자 기기는 글로벌 셔터 방식의 이미지 센서, 상기 이미지 센서로부터 입력되는 최종 이미지 신호에 기초하여 이미지를 표시하는 디스플레이 장치, 및 상기 이미지 센서와 상기 디스플레이 장치를 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 이미지 센서는 광전 변환 구간에서 입사광에 상응하는 축적 전하들을 생성하고, 리드아웃 구간에서 상기 축적 전하들에 기초하여 아날로그 신호를 출력하는 복수의 단위 픽셀들을 구비한 픽셀 어레이, 상기 아날로그 신호에 대해 상관 이중 샘플링 동작을 수행하여 이미지 신호를 생성하는 상관 이중 샘플링부, 상기 이미지 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환부, 상기 픽셀 어레이, 상기 상관 이중 샘플링부 및 상기 아날로그-디지털 변환부를 제어하는 제어부, 및 상기 단위 픽셀들에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 상기 광전 변환 구간에서 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하고, 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 리드아웃 구간에서 하이 전압 레벨을 갖도록 제어하는 오버플로우 전원 전압 제어부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 오버플로우 전원 전압 제어부는 상기 제어부의 내부에 구현될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 오버플로우 전원 전압 제어부는 상기 리드아웃 구간을 제외한 모든 동작 구간에서 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨을 갖도록 제어할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 단위 픽셀들 각각은 상기 입사광을 수신하여 전하들로 변환하고, 상기 전하들을 축적하여 상기 축적 전하들을 생성하는 광전 변환 소자, 상기 축적 전하들을 저장하는 전하 저장 소자, 상기 광전 변환 소자와 상기 전하 저장 소자 사이에 연결되고, 제 1 트랜스퍼 신호에 기초하여 동작하는 제 1 트랜스퍼 트랜지스터, 상기 전하 저장 소자와 플로팅 확산 노드 사이에 연결되고, 제 2 트랜스퍼 신호에 기초하여 동작하는 제 2 트랜스퍼 트랜지스터, 상기 플로팅 확산 노드와 제 1 고전원 전압 사이에 연결되고, 리셋 신호에 기초하여 동작하는 리셋 트랜지스터, 제 2 고전원 전압에 연결되고, 상기 플로팅 확산 노드로 전달된 상기 축적 전하들에 기초하여 동작하는 센싱 트랜지스터, 상기 센싱 트랜지스터와 출력 단자 사이에 연결되고, 로우 셀렉트 신호에 기초하여 동작하는 셀렉트 트랜지스터, 및 상기 오버플로우 전원 전압과 상기 광전 변환 소자 사이에 연결되고, 오버플로우 신호에 기초하여 동작하는 오버플로우 트랜지스터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 오버플로우 신호에 기초하여 상기 오버플로우 트랜지스터가 턴온되는 시점에서 상기 단위 픽셀들 전체에 대해 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨에서 상기 하이 전압 레벨로 변경될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 오버플로우 신호에 기초하여 상기 오버플로우 트랜지스터가 턴온되는 시점보다 이전인 시점에서 상기 단위 픽셀들 전체에 대해 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨에서 상기 하이 전압 레벨로 변경될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 오버플로우 신호에 기초하여 상기 오버플로우 트랜지스터가 턴온되는 시점보다 이전인 시점들에서 상기 단위 픽셀들이 그룹화된 그룹들 별로 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨에서 상기 하이 전압 레벨로 변경될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 하이 전압 레벨을 가질 때, 상기 하이 전압 레벨은 상기 제 2 고전원 전압의 전압 레벨과 동일하고, 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨을 가질 때, 상기 로우 전압 레벨은 접지 전압의 전압 레벨과 동일할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제 1 고전원 전압의 전압 레벨과 상기 제 2 고전원 전압의 전압 레벨은 서로 동일할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서 구동 방법은 단위 픽셀들 각각이 광전 변환 소자에 의해 생성된 축적 전하들을 전하 저장 소자를 거쳐 플로팅 확산 노드로 전달하는 글로벌 셔터 방식의 이미지 센서를 구동할 수 있다. 구체적으로, 상기 이미지 센서 구동 방법은 상기 이미지 센서의 광전 변환 구간에서, 상기 단위 픽셀들 각각에 구비된 오버플로우 트랜지스터의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하는 단계, 및 상기 이미지 센서의 리드아웃 구간에서, 상기 오버플로우 전원 전압이 하이 전압 레벨을 갖도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 이미지 센서 구동 방법은 상기 리드아웃 구간을 제외한 모든 동작 구간에서 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 단위 픽셀들 각각에 구비된 오버플로우 트랜지스터의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 광전 변환 구간에서 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하고, 상기 오버플로우 전원 전압이 리드아웃 구간에서 하이 전압 레벨을 갖도록 제어함으로써, 광전 변환 구간 동안 오버플로우 트랜지스터가 턴오프된 상태에서 오버플로우 트랜지스터를 통해 핫 캐리어 생성에 기인한 누설 전류가 광전 변환 소자로 유입되어 이미지 품질 저하가 야기되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 휴대용 전자 기기는 상기 이미지 센서를 포함함으로써 고품질의 이미지를 출력할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서 구동 방법은 단위 픽셀들 각각에 구비된 오버플로우 트랜지스터의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 이미지 센서의 광전 변환 구간에서 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하고, 상기 오버플로우 전원 전압이 이미지 센서의 리드아웃 구간에서 하이 전압 레벨을 갖도록 제어함으로써, 이미지 센서의 광전 변환 구간 동안 오버플로우 트랜지스터가 턴오프된 상태에서 오버플로우 트랜지스터를 통해 핫 캐리어 생성에 기인한 누설 전류가 광전 변환 소자로 유입되어 이미지 품질 저하가 야기되는 것을 방지할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상술한 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 글로벌 셔터 방식의 이미지 센서에 구비된 단위 픽셀을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 1의 단위 픽셀이 이미지 센서의 광전 변환 구간과 리드아웃 구간에서 동작하는 일 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 글로벌 셔터 방식의 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 5는 도 4의 이미지 센서가 컨트롤러를 통해 디스플레이 장치와 연결되는 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서 구동 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 구동되는 이미지 센서의 광전 변환 구간과 리드아웃 구간을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 오버플로우 전원 전압이 가변되는 일 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 9는 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 오버플로우 전원 전압이 가변되는 다른 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 10은 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 오버플로우 전원 전압이 가변되는 또 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 오버플로우 전원 전압이 가변되는 또 다른 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 12는 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 오버플로우 전원 전압이 가변되는 또 다른 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 휴대용 전자 기기를 나타내는 블록도이다.
도 14a는 도 13의 휴대용 전자 기기가 스마트폰으로 구현되는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 14b는 도 13의 휴대용 전자 기기가 디지털 카메라로 구현되는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 15는 도 13의 휴대용 전자 기기에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 1의 단위 픽셀이 이미지 센서의 광전 변환 구간과 리드아웃 구간에서 동작하는 일 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 글로벌 셔터 방식의 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 5는 도 4의 이미지 센서가 컨트롤러를 통해 디스플레이 장치와 연결되는 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서 구동 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 구동되는 이미지 센서의 광전 변환 구간과 리드아웃 구간을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 오버플로우 전원 전압이 가변되는 일 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 9는 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 오버플로우 전원 전압이 가변되는 다른 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 10은 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 오버플로우 전원 전압이 가변되는 또 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 오버플로우 전원 전압이 가변되는 또 다른 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 12는 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 오버플로우 전원 전압이 가변되는 또 다른 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 휴대용 전자 기기를 나타내는 블록도이다.
도 14a는 도 13의 휴대용 전자 기기가 스마트폰으로 구현되는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 14b는 도 13의 휴대용 전자 기기가 디지털 카메라로 구현되는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 15는 도 13의 휴대용 전자 기기에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면 상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고, 동일한 구성 요소에 대해서는 중복된 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 글로벌 셔터 방식의 이미지 센서에 구비된 단위 픽셀을 나타내는 블록도이고, 도 2는 도 1의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 글로벌 셔터 방식의 이미지 센서에 구비되는 단위 픽셀(100)은 광전 변환부(120), 아날로그 신호 출력부(140) 및 오버플로우 방지부(160)를 포함할 수 있다.
광전 변환부(120)는 이미지 센서의 광전 변환 구간에서 입사광(LIG)을 수신하여 축적 전하들(ACG)을 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 광전 변환부(120)는 광전 변환 소자(PD), 전하 저장 소자(SD), 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1) 및 제 2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 광전 변환 소자(PD)는 입사광(LIG)을 수신하여 전하들로 변환하고, 상기 전하들을 축적하여 축적 전하들(ACG)을 생성할 수 있다. 광전 변환 소자(PD)의 제 1 단자는 저전원 전압(GND)에 연결될 수 있고, 광전 변환 소자(PD)의 제 2 단자는 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)의 제 1 단자에 연결될 수 있다. 예를 들어, 저전원 전압(GND)은 접지 전압일 수 있으나 그에 한정되지는 않는다. 일 실시예에서, 광전 변환 소자(PD)는 포토다이오드(photodiode), 포토트랜지스터(phototransistor), 핀드 포토다이오드(pinned photodiode) 등일 수 있다. 또한, 광전 변환 소자(PD)의 제 2 단자는 오버플로우 트랜지스터(OX)의 제 1 단자에도 연결될 수 있다. 전하 저장 소자(SD)는 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 축적 전하들(ACG)을 저장할 수 있다. 즉, 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)가 턴온되어 광전 변환 소자(PD)에서 전하 저장 소자(SD)로 축적 전하들(ACG)이 전달되면, 전하 저장 소자(SD)는 제 2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)가 턴온될 때까지 축적 전하들(ACG)을 저장할 수 있다. 전하 저장 소자(SD)의 제 1 단자는 저전원 전압(GND)에 연결될 수 있고, 전하 저장 소자(SD)의 제 2 단자는 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)의 제 2 단자와 제 2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)의 제 1 단자에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 전하 저장 소자(SD)는 스토리지 다이오드(storage diode) 등일 수 있다.
제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)는 광전 변환 소자(PD)와 전하 저장 소자(SD) 사이에 연결되고, 제 1 트랜스퍼 신호(TG1)에 기초하여 동작할 수 있다. 구체적으로, 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)의 제 1 단자는 광전 변환 소자(PD)의 제 2 단자에 연결될 수 있고, 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)의 제 2 단자는 전하 저장 소자(SD)의 제 2 단자에 연결될 수 있으며, 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)의 게이트 단자는 제 1 트랜스퍼 신호(TG1)를 수신할 수 있다. 따라서, 제 1 트랜스퍼 신호(TG1)가 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이(high))을 갖는 경우, 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)는 턴온되어 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 축적 전하들(ACG)을 전하 저장 소자(SD)로 전달할 수 있다. 제 2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)는 전하 저장 소자(SD)와 플로팅 확산 노드(FD) 사이에 연결되고, 제 2 트랜스퍼 신호(TG2)에 기초하여 동작할 수 있다. 구체적으로, 제 2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)의 제 1 단자는 전하 저장 소자(SD)의 제 2 단자에 연결될 수 있고, 제 2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)의 제 2 단자는 플로팅 확산 노드(FD)에 연결될 수 있으며, 제 2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)의 게이트 단자는 제 2 트랜스퍼 신호(TG2)를 수신할 수 있다. 따라서, 제 2 트랜스퍼 신호(TG2)가 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)을 갖는 경우, 제 2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)는 턴온되어 전하 저장 소자(SD)에 저장된 축적 전하들(ACG)을 아날로그 신호 출력부(140)의 플로팅 확산 노드(FD)로 전달할 수 있다.
아날로그 신호 출력부(140)는 이미지 센서의 리드아웃 구간에서 축적 전하들(ACG)에 기초하여 아날로그 신호(OUS)를 출력할 수 있다. 일 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 아날로그 신호 출력부(140)는 리셋 트랜지스터(RX), 센싱 트랜지스터(SFX) 및 셀렉트 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)는 플로팅 확산 노드(FD)와 제 1 고전원 전압(VDD1) 사이에 연결되고, 리셋 신호(RG)에 기초하여 동작할 수 있다. 구체적으로, 리셋 트랜지스터(RX)의 제 1 단자는 제 1 고전원 전압(VDD1)에 연결될 수 있고, 리셋 트랜지스터(RX)의 제 2 단자는 플로팅 확산 노드(FD)에 연결될 수 있으며, 리셋 트랜지스터(RX)의 게이트 단자는 리셋 신호(RG)를 수신할 수 있다. 따라서, 리셋 신호(RG)가 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)을 갖는 경우, 리셋 트랜지스터(RX)는 턴온되어 플로팅 확산 노드(FD), 전하 저장 소자(SD) 및/또는 광전 변환 소자(PD)를 리셋(또는, 초기화)시킬 수 있다. 센싱 트랜지스터(SFX)는 제 2 고전원 전압(VDD2)과 셀렉트 트랜지스터(SX) 사이에 연결되고, 플로팅 확산 노드(FD)로 전달된 축적 전하들(ACG)에 기초하여 동작할 수 있다. 구체적으로, 센싱 트랜지스터(SFX)의 제 1 단자는 제 2 고전원 전압(VDD2)에 연결될 수 있고, 센싱 트랜지스터(SFX)의 제 2 단자는 셀렉트 트랜지스터(SX)의 제 1 단자에 연결될 수 있으며, 센싱 트랜지스터(SFX)의 게이트 단자는 플로팅 확산 노드(FD)에 연결될 수 있다. 따라서, 센싱 트랜지스터(SFX)는 플로팅 확산 노드(FD)로 전달된 축적 전하들(ACG)에 기초하여 턴온될 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 고전원 전압(VDD1)의 전압 레벨과 제 2 고전원 전압(VDD2)의 전압 레벨은 동일할 수 있다. 다른 실시예에서, 제 1 고전원 전압(VDD1)의 전압 레벨과 제 2 고전원 전압(VDD2)의 전압 레벨은 상이할 수 있다. 셀렉트 트랜지스터(SX)는 센싱 트랜지스터(SFX)와 출력 단자(OUT) 사이에 연결되고, 로우 셀렉트 신호(SEL)에 기초하여 동작할 수 있다. 구체적으로, 셀렉트 트랜지스터(SX)의 제 1 단자는 센싱 트랜지스터(SFX)의 제 2 단자에 연결될 수 있고, 셀렉트 트랜지스터(SX)의 제 2 단자는 출력 단자(OUT)에 연결될 수 있으며, 셀렉트 트랜지스터(SX)의 게이트 단자는 로우 셀렉트 신호(SEL)를 수신할 수 있다. 따라서, 로우 셀렉트 신호(SEL)가 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)을 갖는 경우, 셀렉트 트랜지스터(SX)는 턴온되어 플로팅 확산 노드(FD)로 전달된 축적 전하들(ACG)에 상응하는 전기적 신호 즉, 아날로그 신호(OUS)를 출력 단자(OUT)를 통해 출력할 수 있다.
오버플로우 방지부(160)는 이미지 센서의 리드아웃 구간 동안 오버플로우 전원 전압(VOD)을 이용하여 광전 변환부(120)(구체적으로, 광전 변환부(120)의 광전 변환 소자(PD))에서 오버플로우(overflow)가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 일 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 오버플로우 방지부(160)는 오버플로우 트랜지스터(OX)를 포함할 수 있다. 오버플로우 트랜지스터(OX)는 오버플로우 전원 전압(VOD)과 광전 변환 소자(PD) 사이에 연결되고, 오버플로우 신호(OG)에 기초하여 동작할 수 있다. 구체적으로, 오버플로우 트랜지스터(OX)의 제 1 단자(예를 들어, 소스(source) 단자)는 광전 변환 소자(PD)의 제 2 단자에 연결될 수 있고, 오버플로우 트랜지스터(OX)의 제 2 단자(예를 들어, 드레인(drain) 단자)는 오버플로우 전원 전압(VOD)에 연결될 수 있으며, 오버플로우 트랜지스터(OX)의 게이트 단자는 오버플로우 신호(OG)를 수신할 수 있다. 이 때, 오버플로우 전원 전압(VOD)은 오버플로우 트랜지스터(OX)의 제 2 단자가 연장된(또는, 오버플로우 트랜지스터(OX)의 제 2 단자에 연결된) 메탈 라인(metal line)을 통해 인가될 수 있다. 일반적으로, 오버플로우 트랜지스터(OX)는 이미지 센서의 광전 변환 구간에서 턴오프되고, 이미지 센서의 리드아웃 구간에서 턴온된다. 즉, 이미지 센서의 리드아웃 구간에서 오버플로우 신호(OG)가 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)을 갖고, 이미지 센서의 광전 변환 구간에서 오버플로우 신호(OG)가 제 2 전압 레벨(예를 들어, 논리 로우)을 갖는다. 따라서, 오버플로우 방지부(160)는 이미지 센서의 리드아웃 구간 동안 오버플로우 전원 전압(VOD)을 이용하여 광전 변환부(120)에서 오버플로우가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 반면에, 오버플로우 방지부(160)는 이미지 센서의 광전 변환 구간 동안 턴오프되어 광전 변환부(120)의 광전 변환 동작에 영향을 주지 않을 수 있다. 한편, 도 2에서는 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1), 제 2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2), 리셋 트랜지스터(RX), 센싱 트랜지스터(SFX), 셀렉트 트랜지스터(SX) 및 오버플로우 트랜지스터(OX)가 엔모스(N-channel Metal Oxide Semiconductor; NMOS) 트랜지스터로 구현된 것으로 도시되어 있으나, 실시예에 따라, 상기 트랜지스터들(TX1, TX2, RX, SFX, SX, OX)은 피모스(P-channel Metal Oxide Semiconductor; PMOS) 트랜지스터로 구현될 수도 있다.
이와 같이, 단위 픽셀(100)은 이미지 센서의 리드아웃 구간 동안 광전 변환 소자(PD)에서 오버플로우가 발생하는 것을 방지하기 위한 오버플로우 트랜지스터(OX)를 구비한다. 그러나, 종래의 단위 픽셀에서는 이미지 센서의 광전 변환 구간 동안 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴오프된 상태에서도 오버플로우 트랜지스터(OX)를 통해 핫 캐리어 생성에 기인한 누설 전류가 광전 변환 소자(PD)로 유입되어 이미지 품질 저하가 야기된다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 이미지 센서의 광전 변환 구간에서 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴오프되어야 하므로, 오버플로우 신호(OG)가 음의 전압 레벨(예를 들어, -1.2V)을 가질 수 있다. 이 때, 오버플로우 전원 전압(VOD)이 종래의 단위 픽셀과 같이 일정한 전압 레벨(예를 들어, 4.5V)을 갖게 되면, 오버플로우 트랜지스터(OX)를 통해 핫 캐리어 생성에 기인한 누설 전류가 광전 변환 소자(PD)로 유입될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 단위 픽셀(100)에서는 오버플로우 트랜지스터(OX)의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압(VOD)이 이미지 센서의 동작 구간에 따라 변하도록 할 수 있다. 즉, 이미지 센서의 광전 변환 구간에서는 오버플로우 트랜지스터(OX)의 제 2 단자(예를 들어, 드레인 단자)에 인가되는 오버플로우 전원 전압(VOD)이 로우 전압 레벨을 가질 수 있고, 이미지 센서의 리드아웃 구간에서는 오버플로우 트랜지스터(OX)의 제 2 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압(VOD)이 하이 전압 레벨을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 오버플로우 전원 전압(VOD)의 하이 전압 레벨은 제 2 고전원 전압(VDD2)의 전압 레벨과 동일할 수 있고, 오버플로우 전원 전압(VOD)의 로우 전압 레벨은 접지 전압의 전압 레벨과 동일할 수 있다. 다만, 이것은 예시적인 것으로서 오버플로우 전원 전압(VOD)이 그에 한정되는 것은 아니다. 단위 픽셀(100)에서는, 이미지 센서의 광전 변환 구간 동안 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴오프될 뿐만 아니라, 오버플로우 트랜지스터(OX)의 제 2 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압(VOD)이 로우 전압 레벨을 가지므로, 오버플로우 트랜지스터(OX)를 통해 누설 전류가 광전 변환 소자(PD)로 유입되는 것이 방지될 수 있다. 한편, 상기에서는 이미지 센서의 동작 구간을 광전 변환 구간과 리드아웃 구간으로 나누어 설명하였지만, 실시예에 따라, 이미지 센서의 리드아웃 구간을 제외한 이미지 센서의 모든 동작 구간(즉, 이미지 센서의 광전 변환 구간을 포함)에서 오버플로우 전원 전압(VOD)이 로우 전압 레벨을 가질 수 있다.
도 3은 도 1의 단위 픽셀이 이미지 센서의 광전 변환 구간과 리드아웃 구간에서 동작하는 일 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 이미지 센서에 구비된 단위 픽셀(100)들이 이미지 센서의 광전 변환 구간(EIT)과 리드아웃 구간(READOUT)에서 동작하는 일 예가 도시되어 있다. 상술한 바와 같이, 이미지 센서의 광전 변환 구간(EIT) 동안 모든 단위 픽셀(100)들에서 광전 변환 소자(PD)에 의해 축적 전하들(ACG)이 동시에 생성된 후, 모든 단위 픽셀(100)들에 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)을 갖는 제 1 트랜스퍼 신호(TG1)가 동시에 인가됨으로써, 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 축적 전하들(ACG)이 전하 저장 소자(SD)로 동시에 전달될 수 있다. 이에, 상기 축적 전하들(ACG)은 전하 저장 소자(SD)에 저장되게 된다. 이후, 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT) 동안 전하 저장 소자(SD)에 저장된 축적 전하들(ACG)이 단위 픽셀(100)들의 스캔 위치(즉, 단위 픽셀(100)들이 연결된 스캔 라인)에 따라 순차적으로 플로팅 확산 노드(FD)로 전달될 수 있다. 따라서, 단위 픽셀(100)들에 단위 픽셀(100)들의 스캔 위치에 따라 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)을 갖는 제 2 트랜스퍼 신호(TG2)가 순차적으로 인가(즉, TX2-ON으로 표시)될 수 있다. 그 결과, 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT) 동안 단위 픽셀(100)들의 스캔 위치에 따라 전하 저장 소자(SD)에 저장된 축적 전하들(ACG)에 상응하는 전기적 신호 즉, 아날로그 신호(OUS)가 순차적으로 출력될 수 있다.
상술한 바와 같이, 이미지 센서의 동작 구간은 크게 광전 변환 구간(EIT)과 리드아웃 구간(READOUT)으로 구분될 수 있다. 따라서, 이미지 센서의 광전 변환 구간(EIT) 동안 이미지 센서에 구비된 단위 픽셀(100)들에서 광전 변환 동작이 동시에 수행될 수 있고, 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT) 동안 이미지 센서에 구비된 단위 픽셀(100)들에서 단위 픽셀(100)들의 스캔 위치에 따라 리드아웃 동작이 순차적으로 수행될 수 있다. 이 때, 이미지 센서의 광전 변환 구간(EIT)과 리드아웃 구간(READOUT)은 모든 단위 픽셀(100)들에 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)을 갖는 제 1 트랜스퍼 신호(TG1)가 동시에 인가(즉, 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)가 턴온)됨으로써 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 축적 전하들(ACG)이 전하 저장 소자(SD)에 동시에 저장된 시점을 기준으로 구분될 수 있다. 그러므로, 모든 단위 픽셀(100)들에 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)을 갖는 제 1 트랜스퍼 신호(TG1)가 동시에 인가된 후, 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 축적 전하들(ACG)이 전하 저장 소자(SD)에 동시에 저장되면, 모든 단위 픽셀(100)들에 제 2 전압 레벨(예를 들어, 논리 로우)을 갖는 제 1 트랜스퍼 신호(TG1)가 동시에 인가(즉, 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)가 턴오프)될 수 있다. 그 결과, 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT) 동안에는 이미지 센서의 단위 픽셀(100)들 내에서 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)를 기준으로 광전 변환 소자(PD)와 전하 저장 소자(SD)는 서로 차단될 수 있다.
하지만, 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT) 동안 광전 변환 소자(PD)가 입사광(LIG)으로부터 차단되지 않기 때문에, 광전 변환 소자(PD)에서 전하들이 생성되고, 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)가 턴오프된 상태에서도 상기 전하들이 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)를 거쳐 전하 저장 소자(SD)로 유입되어 광 노이즈가 발생하게 된다. 따라서, 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT) 동안에는 오버플로우 트랜지스터(OX)의 게이트 단자에 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)을 갖는 오버플로우 신호(OG)가 인가(즉, 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴온됨)될 수 있다. 그 결과, 단위 픽셀(100)은 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT) 동안 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하들을 오버플로우 트랜지스터(OX)를 거쳐 배출하기 때문에 광전 변환 소자(PD)에서 오버플로우가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 이유로, 단위 픽셀(100)에서는 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT) 동안 오버플로우 전원 전압(VOD)이 하이 전압 레벨을 갖도록 제어될 수 있다. 그 결과, 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하들이 오버플로우 트랜지스터(OX)를 거쳐 용이하게 배출될 수 있다. 반면에, 이미지 센서의 광전 변환 구간(EIT) 동안에는 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하들이 오버플로우 트랜지스터(OX)를 거쳐 배출되어서는 안되므로, 오버플로우 트랜지스터(OX)의 게이트 단자에 제 2 전압 레벨(예를 들어, 논리 로우)을 갖는 오버플로우 신호(OG)가 인가(즉, 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴오프됨)될 수 있다. 하지만, 오버플로우 트랜지스터(OX)의 게이트 단자에 제 2 전압 레벨(예를 들어, 논리 로우)을 갖는 오버플로우 신호(OG)가 인가되더라도, 오버플로우 전원 전압(VOD)이 하이 전압 레벨을 가지면 광 캐리어 생성에 기인한 누설 전류가 광전 변환 소자(PD)로 유입될 수 있다. 이러한 이유로, 단위 픽셀(100)에서는 이미지 센서의 광전 변환 구간(EIT) 동안 오버플로우 전원 전압(VOD)이 로우 전압 레벨을 갖도록 제어될 수 있다. 그 결과, 오버플로우 트랜지스터(OX)에서 광 캐리어 생성이 억제되므로, 광 캐리어 생성에 기인한 누설 전류가 감소될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 글로벌 셔터 방식의 이미지 센서를 나타내는 블록도이고, 도 5는 도 4의 이미지 센서가 컨트롤러를 통해 디스플레이 장치와 연결되는 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 이미지 센서(200)는 픽셀 어레이(210), 상관 이중 샘플링부(220), 아날로그-디지털 변환부(230), 제어부(250) 및 오버플로우 전원 전압 제어부(260)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 이미지 센서(200)는 디지털 신호 처리부(240)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 이미지 센서(200)는 단위 픽셀(211)들 각각이 광전 변환 소자에 의해 생성된 축적 전하들을 전하 저장 소자를 거쳐 플로팅 확산 노드로 전달하는 글로벌 셔터 방식의 이미지 센서일 수 있다.
픽셀 어레이(210)는 이미지 센서(200)의 광전 변환 구간에서 입사광에 상응하는 축적 전하들을 생성하고, 이미지 센서(200)의 리드아웃 구간에서 축적 전하들에 기초하여 전기적 신호 즉, 아날로그 신호를 출력하는 적어도 하나 이상의 단위 픽셀(211)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 단위 픽셀(211)은 입사광을 수신하여 전하들로 변환하고, 상기 전하들을 축적하여 축적 전하들을 생성하는 광전 변환 소자, 광전 변환 소자에서 생성된 축적 전하들을 저장하는 전하 저장 소자, 광전 변환 소자와 전하 저장 소자 사이에 연결되고 제 1 트랜스퍼 신호에 기초하여 동작하는 제 1 트랜스퍼 트랜지스터, 전하 저장 소자와 플로팅 확산 노드 사이에 연결되고 제 2 트랜스퍼 신호에 기초하여 동작하는 제 2 트랜스퍼 트랜지스터, 플로팅 확산 노드와 제 1 고전원 전압 사이에 연결되고 리셋 신호에 기초하여 동작하는 리셋 트랜지스터, 제 2 고전원 전압에 연결되고 플로팅 확산 노드로 전달된 축적 전하들에 기초하여 동작하는 센싱 트랜지스터, 센싱 트랜지스터와 출력 단자 사이에 연결되고 로우 셀렉트 신호에 기초하여 동작하는 셀렉트 트랜지스터, 및 오버플로우 전원 전압과 광전 변환 소자 사이에 연결되고 오버플로우 신호에 기초하여 동작하는 오버플로우 트랜지스터를 포함할 수 있다. 이 때, 광전 변환 소자는 포토다이오드, 포토트랜지스터, 핀드 포토다이오드 등일 수 있고, 전하 저장 소자는 스토리지 다이오드 등일 수 있다. 다만, 픽셀 어레이(210) 내의 단위 픽셀(211)에 대해서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 바 있으므로, 그에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
상관 이중 샘플링부(220)는 단위 픽셀(211)에서 출력되는 아날로그 신호에 대해 상관 이중 샘플링 동작을 수행하여 이미지 신호를 생성할 수 있다. 즉, 상관 이중 샘플링부(220)는 이미지 센서(200)의 리드아웃 구간에서 단위 픽셀(211)로부터 출력되는 리셋 성분과 신호 성분에 기초하여 유효 신호 성분을 추출하는 상관 이중 샘플링 동작을 수행할 수 있다. 아날로그-디지털 변환부(230)는 이미지 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 이를 위해, 아날로그-디지털 변환부(230)는 복수의 아날로그-디지털 컨버터들을 포함할 수 있다. 아날로그-디지털 변환부(230)는 아날로그 신호(즉, 이미지 신호)를 디지털 신호로 변환함에 있어, 순차 아날로그-디지털 변환 방식 또는 병렬 아날로그-디지털 변환 방식으로 동작할 수 있다. 일 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상관 이중 샘플링부(220)는 아날로그-디지털 변환부(230)의 외부에 위치할 수 있다. 다른 실시예에서, 상관 이중 샘플링부(220)는 아날로그-디지털 변환부(230)의 내부에 위치할 수 있다. 한편, 상관 이중 샘플링부(220)와 아날로그-디지털 변환부(230)는 순차적으로 또는 동시에 동작할 수 있다. 예를 들어, 상관 이중 샘플링부(220)는 단위 픽셀(211)로부터 출력되는 리셋 성분과 신호 성분의 차를 추출하는 아날로그 상관 이중 샘플링(analog correlated double sampling)을 수행할 수 있다. 또는, 상관 이중 샘플링부(220)는 단위 픽셀(211)로부터 출력되는 리셋 성분과 신호 성분을 디지털 신호들로 각각 변환한 후 상기 디지털 신호들의 차를 추출하는 디지털 상관 이중 샘플링(digital correlated double sampling)을 수행할 수 있다. 또는, 상관 이중 샘플링부(220)는 아날로그 상관 이중 샘플링과 디지털 상관 이중 샘플링을 모두 수행하는 듀얼 상관 이중 샘플링(dual correlated double sampling)을 수행할 수 있다.
제어부(250)는 픽셀 어레이(210), 상관 이중 샘플링부(220) 및 아날로그-디지털 변환부(230)를 제어(즉, CTL1, CTL2, CTL3으로 표시)할 수 있다. 이를 위해, 제어부(250)는 픽셀 어레이(210), 상관 이중 샘플링부(220) 및 아날로그-디지털 변환부(230)의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤 신호 등과 같은 다양한 신호들을 생성할 수 있다. 다만, 도 4에서는 제어부(250)가 간략하게 도시되어 있다. 예를 들어, 제어부(250)는 픽셀 어레이(210)의 로우 어드레스(row address) 동작 및 로우 스캔(row scan) 동작을 제어하기 위한 수직 스캔 회로, 픽셀 어레이(210)의 컬럼 어드레스(column address) 동작 및 컬럼 스캔(column scan) 동작을 제어하기 위한 수평 스캔 회로, 아날로그-디지털 변환부(230)에서 사용되는 복수의 전압들을 생성하기 위한 전압 생성 회로(예를 들어, 로직 제어(logic control) 회로, 위상 고정 루프(Phase Lock Loop; PLL) 회로, 타이밍 제어 회로 및 통신 인터페이스 회로 등) 등을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 이미지 센서(200)가 디지털 신호 처리부(240)를 포함하는 경우, 제어부(250)는 디지털 신호 처리부(240)도 제어(즉, CTL4로 표시)할 수 있다. 디지털 신호 처리부(240)는 디지털 신호에 대해 디지털 신호 프로세싱을 수행하여 최종 이미지 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 디지털 신호 처리부(240)는 이미지 인터폴레이션(image interpolation), 색 보정(color correction), 화이트 밸런스(white balance), 감마 보정(gamma correction), 색 변환(color conversion) 등을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 이미지 센서(200)의 광전 변환 구간에서는 단위 픽셀(211)에 구비된 오버플로우 트랜지스터의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 로우 전압 레벨을 갖고, 이미지 센서(200)의 리드아웃 구간에서는 단위 픽셀(211)에 구비된 오버플로우 트랜지스터의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 하이 전압 레벨을 갖는다. 이 때, 오버플로우 전원 전압은 오버플로우 트랜지스터의 일 단자(예를 들어, 드레인 단자)가 연장된(또는, 오버플로우 트랜지스터의 일 단자(예를 들어, 드레인 단자)에 연결된) 메탈 라인을 통해 인가될 수 있다. 이에, 오버플로우 전원 전압 제어부(260)는 단위 픽셀(211)들에 인가되는 오버플로우 전원 전압을 이미지 센서(200)의 광전 변환 구간에서는 로우 전압 레벨을 갖도록 제어(즉, CTL5로 표시)하고, 단위 픽셀(211)들에 인가되는 오버플로우 전원 전압을 이미지 센서(200)의 리드아웃 구간에서는 하이 전압 레벨을 갖도록 제어(즉, CTL5로 표시)할 수 있다. 실시예에 따라, 오버플로우 전원 전압 제어부(260)는 이미지 센서(200)의 리드아웃 구간을 제외한 모든 동작 구간(즉, 광전 변환 구간을 포함)에서 단위 픽셀(211)에 구비된 오버플로우 트랜지스터의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압을 로우 전압 레벨을 갖도록 제어할 수 있다. 이 때, 오버플로우 전원 전압의 하이 전압 레벨은 단위 픽셀(211)에 구비된 센싱 트랜지스터의 일 단자에 인가되는 제 2 고전원 전압의 전압 레벨과 동일할 수 있고, 오버플로우 전원 전압의 로우 전압 레벨은 접지 전압의 전압 레벨과 동일할 수 있다. 다만, 이것은 예시적인 것으로서 오버플로우 전원 전압의 전압 레벨이 그에 한정되는 것은 아니다. 한편, 단위 픽셀(211)에 구비된 센싱 트랜지스터의 일 단자에 인가되는 제 2 고전원 전압의 전압 레벨은 단위 픽셀(211)에 구비된 리셋 트랜지스터의 일 단자에 인가되는 제 1 고전원 전압의 전압 레벨과 동일하거나 상이할 수 있다.
이와 같이, 이미지 센서(200)는 단위 픽셀(211)들 각각에 구비된 오버플로우 트랜지스터의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 이미지 센서(200)의 광전 변환 구간에서 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하고, 상기 오버플로우 전원 전압이 이미지 센서(200)의 리드아웃 구간에서 하이 전압 레벨을 갖도록 제어함으로써, 이미지 센서(200)의 광전 변환 구간 동안 오버플로우 트랜지스터가 턴오프된 상태에서 오버플로우 트랜지스터를 통해 핫 캐리어 생성에 기인한 누설 전류가 광전 변환 소자로 유입되어 이미지 품질 저하가 야기되는 것을 방지할 수 있다. 한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(200)는 컨트롤러(300)(또는, 프로세서)를 통해 디스플레이 장치(400)와 연결될 수 있다. 따라서, 디스플레이 장치(400)는 디지털 신호 처리부(240)에서 출력되는 최종 이미지 신호에 기초하여 이미지를 표시할 수 있다. 한편, 도 4에서는 제어부(250)와 오버플로우 전원 전압 제어부(260)가 분리되어 도시(즉, 별개로 구현)되어 있으나, 실시예에 따라, 오버플로우 전원 전압 제어부(260)는 제어부(250)의 내부에 구현될 수도 있다. 또한, 도 4에서는 디지털 신호 처리부(240)가 이미지 센서(200)에 포함되는 것으로 도시되어 있으나, 실시예에 따라, 디지털 신호 처리부(240)는 이미지 센서(200)의 외부에 위치할 수도 있다. 예를 들어, 디지털 신호 처리부(240)는 컨트롤러(300)의 내부에 구현되거나, 또는 이미지 센서(200) 및 컨트롤러(300)와는 별개로 구현될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서 구동 방법을 나타내는 순서도이고, 도 7은 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 구동되는 이미지 센서의 광전 변환 구간과 리드아웃 구간을 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 단위 픽셀들 각각이 광전 변환 소자에서 생성된 축적 전하들을 전하 저장 소자를 거쳐 플로팅 확산 노드로 전달하는 글로벌 셔터 방식의 이미지 센서를 구동할 수 있다. 구체적으로, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 이미지 센서의 동작 구간을 모니터링(S120)하고, 이미지 센서의 동작 구간이 이미지 센서의 광전 변환 구간(520)인지 여부를 확인(S140)할 수 있다. 이 때, 이미지 센서의 동작 구간이 이미지 센서의 광전 변환 구간(520)인 경우, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 단위 픽셀들 각각에 구비된 오버플로우 트랜지스터의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 로우 전압 레벨을 갖도록 제어(S160)할 수 있다. 즉, 이미지 센서의 광전 변환 구간(520)에서 오버플로우 전원 전압이 로우 전압 레벨로 설정될 수 있다. 반면에, 이미지 센서의 동작 구간이 이미지 센서의 리드아웃 구간(540)인 경우, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 단위 픽셀들 각각에 구비된 오버플로우 트랜지스터의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 하이 전압 레벨을 갖도록 제어(S180)할 수 있다. 따라서, 이미지 센서의 리드아웃 구간(540)에서 오버플로우 전원 전압이 하이 전압 레벨로 설정될 수 있다. 다시 말하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 이미지 센서의 동작 구간이 이미지 센서의 광전 변환 구간(520)에서 이미지 센서의 리드아웃 구간(540)으로 전환되는 경우, 단위 픽셀들 각각에 구비된 오버플로우 트랜지스터의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 로우 전압 레벨에서 하이 전압 레벨로 변경(즉, CHANGE TO HIGH VOLTAGE LEVEL로 표시)될 수 있고, 이미지 센서의 동작 구간이 이미지 센서의 리드아웃 구간(540)에서 이미지 센서의 광전 변환 구간(520)으로 전환되는 경우, 단위 픽셀들 각각에 구비된 오버플로우 트랜지스터의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 하이 전압 레벨에서 로우 전압 레벨로 변경(즉, CHANGE TO LOW VOLTAGE LEVEL로 표시)될 수 있다. 한편, 실시예에 따라, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 이미지 센서의 리드아웃 구간(540)을 제외한 모든 동작 구간(즉, 광전 변환 구간(520)을 포함)에서 단위 픽셀들 각각에 구비된 오버플로우 트랜지스터의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 로우 전압 레벨을 갖도록 제어할 수 있다. 이하, 도 6의 이미지 센서 구동 방법이 오버플로우 전원 전압을 가변시키는 동작에 대해서 도 8 내지 도 12를 참조하여 자세하게 후술하기로 한다.
도 8은 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 오버플로우 전원 전압이 가변되는 일 예를 나타내는 타이밍도이고, 도 9는 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 오버플로우 전원 전압이 가변되는 다른 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 1, 도 2, 도 8 및 도 9를 참조하면, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 단위 픽셀(100)들 각각에 구비된 오버플로우 트랜지스터(OX)의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압(VOD)이 이미지 센서의 광전 변환 구간(EIT)에서 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하고, 상기 오버플로우 전원 전압(VOD)이 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT)에서 하이 전압 레벨을 갖도록 제어함으로써, 이미지 센서의 광전 변환 구간(EIT) 동안 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴오프된 상태에서 오버플로우 트랜지스터(OX)를 통해 핫 캐리어 생성에 기인한 누설 전류가 광전 변환 소자(PD)로 유입되어 이미지 품질 저하가 야기되는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 이미지 센서의 광전 변환 구간(EIT)에서 단위 픽셀(100)들로 하여금 축적 전하들(ACG)을 광전 변환 소자(PD)에서 전하 저장 소자(SD)로 동시에 전달하도록 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT) 직전에 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)을 가진 제 1 트랜스퍼 신호(TG1-1, TG1-2, ..., TG1-n), 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)을 가진 제 2 트랜스퍼 신호(TG2-1, TG2-2, ..., TG2-n) 및 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)을 가진 리셋 신호(RG1, RG2, ..., RGn)를 모든 단위 픽셀(100)들에 인가함으로써, 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1), 제 2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2) 및 리셋 트랜지스터(RX)를 모두 턴온시킬 수 있다. 따라서, 모든 단위 픽셀(100)들에서 플로팅 확산 노드(FD), 전하 저장 소자(SD) 및/또는 광전 변환 소자(PD)가 리셋(또는, 초기화)될 수 있다.
이후, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 이미지 센서의 광전 변환 구간(EIT)에서 제 2 전압 레벨(예를 들어, 논리 로우)을 가진 제 1 트랜스퍼 신호(TG1-1, TG1-2, ..., TG1-n) 및 제 2 전압 레벨(예를 들어, 논리 로우)을 가진 제 2 트랜스퍼 신호(TG2-1, TG2-2, ..., TG2-n)를 모든 단위 픽셀(100)들에 인가함으로써, 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1) 및 제 2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)를 모두 턴오프시킬 수 있다. 따라서, 모든 단위 픽셀(100)들이 광전 변환 소자(PD)를 이용하여 입사광(LIG)을 전하들로 변환하고, 상기 전하들을 축적하여 축적 전하들(ACG)을 생성할 수 있다. 다음, 모든 단위 픽셀(100)들에서 광전 변환 소자(PD)에 의해 축적 전하들(ACG)이 생성되면, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)을 가진 제 1 트랜스퍼 신호(TG1-1, TG1-2, ..., TG1-n) 및 제 2 전압 레벨(예를 들어, 논리 로우)을 가진 제 2 트랜스퍼 신호(TG2-1, TG2-2, ..., TG2-n)를 모든 단위 픽셀(100)들에 인가함으로써, 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)를 턴온시키고, 제 2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)를 턴오프시킬 수 있다. 따라서, 모든 단위 픽셀(100)들에서 광전 변환 소자(PD)에 의해 생성된 축적 전하들(ACG)이 전하 저장 소자(SD)로 전달될 수 있다. 실시예에 따라, 모든 단위 픽셀(100)들에서 전하 저장 소자(SD)에 축적 전하들(ACG)이 저장되면, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 제 2 전압 레벨(예를 들어, 논리 로우)을 가진 제 1 트랜스퍼 신호(TG1-1, TG1-2, ..., TG1-n), 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)을 가진 제 2 트랜스퍼 신호(TG2-1, TG2-2, ..., TG2-n) 및 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)을 가진 리셋 신호(RG1, RG2, ..., RGn)를 모든 단위 픽셀(100)들에 인가함으로써, 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)를 턴오프시키고, 제 2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)와 리셋 트랜지스터(RX)를 턴온시킬 수 있다. 따라서, 모든 단위 픽셀(100)들에서 플로팅 확산 노드(FD)와 전하 저장 소자(SD)가 리셋됨으로써, 이미지 센서의 라드아웃 구간(READOUT)이 준비될 수 있다.
이후, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT)에서 단위 픽셀(100)들에 대해 상관 이중 샘플링 동작을 단위 픽셀(100)들의 스캔 위치(즉, 단위 픽셀(100)들이 연결된 스캔 라인)에 따라 순차적으로 수행(즉, SCAN으로 표시)함으로써 이미지 신호를 리드아웃할 수 있다. 즉, 상관 이중 샘플링 동작이 수행되는 상관 이중 샘플링 구간(CDS)이 단위 픽셀(100)들이 연결된 스캔 라인마다 쉬프트되는 것이다. 예를 들어, 이미지 센서가 제 1 내지 제 n 스캔 라인들을 포함한다고 가정하면, 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT)은 제 1 내지 제 n 스캔 라인들에 대해 상관 이중 샘플링 동작이 모두 완료되는 시간에 상응할 수 있다. 또한, 제 j(단, j는 1이상 n이하의 정수) 스캔 라인에 대한 상관 이중 샘플링 구간(CDS)은 제 j 스캔 라인에 연결된 단위 픽셀(100)들에 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)의 셀렉트 신호(SELj)가 인가되는 시간에 상응할 수 있다. 일 실시예에서, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 제 j 스캔 라인에 대해 상관 이중 샘플링 동작이 수행되는 상관 이중 샘플링 구간(CDS)에서 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)의 셀렉트 신호(SELj) 및 제 2 전압 레벨(예를 들어, 논리 로우)을 가진 리셋 신호(RGj)를 제 j 스캔 라인에 연결된 단위 픽셀(100)들에 인가함으로써, 셀렉트 트랜지스터(SX)를 턴온시키고, 리셋 트랜지스터(RX)를 턴오프시킬 수 있다. 한편, 상관 이중 샘플링 동작은 단위 픽셀(100)에서 출력되는 리셋 성분과 신호 성분에 기초하여 유효 신호 성분(예를 들어, 신호 성분과 리셋 성분의 차)을 추출하는 것이므로, 상관 이중 샘플링 동작은 리셋 성분을 출력하는 리셋 성분 출력 동작과 신호 성분을 출력하는 신호 성분 출력 동작을 포함할 수 있다. 따라서, 제 j 스캔 라인에 대한 상관 이중 샘플링 구간(CDS)에서 수행되는 상관 이중 샘플링 동작을 살펴보면, 제 j 스캔 라인에 연결된 단위 픽셀(100)들에 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)의 제 2 트랜스퍼 신호(TG2-j)가 인가되기 이전에 리셋 성분 출력 동작이 수행될 수 있고, 제 j 스캔 라인에 연결된 단위 픽셀(100)들에 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)의 제 2 트랜스퍼 신호(TG2-j)가 인가된 이후에 신호 성분 출력 동작이 수행될 수 있다. 즉, 제 j 스캔 라인에 연결된 단위 픽셀(100)들에 제 1 전압 레벨(예를 들어, 논리 하이)의 제 2 트랜스퍼 신호(TG2-j)가 인가될 때, 단위 픽셀(100)들 내에서 전하 저장 소자(SD)에 저장되어 있는 축적 전하들(ACG)이 플로팅 확산 노드(FD)로 전달되는 것이다.
이와 같이, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 단위 픽셀(100)들 각각에 구비된 오버플로우 트랜지스터(OX)의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압(VOD)이 이미지 센서의 광전 변환 구간(EIT)에서 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하고, 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT)에서 하이 전압 레벨을 갖도록 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 오버플로우 신호(OG)에 기초하여 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴온되는 시점(즉, 오버플로우 신호(OG)가 로우 전압 레벨에서 하이 전압 레벨로 변경되는 시점)에서 단위 픽셀(100)들 전체에 대해 오버플로우 전원 전압(VOD)이 로우 전압 레벨에서 하이 전압 레벨로 변경될 수 있다. 다시 말하면, 단위 픽셀(100)들 전체에 대해 오버플로우 신호(OG)가 로우 전압 레벨에서 하이 전압 레벨로 변경되는 시점과 오버플로우 전원 전압(VOD)이 로우 전압 레벨에서 하이 전압 레벨로 변경되는 시점이 일치하는 것이다. 다른 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 오버플로우 신호(OG)에 기초하여 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴온되는 시점(즉, 오버플로우 신호(OG)가 로우 전압 레벨에서 하이 전압 레벨로 변경되는 시점)보다 이전인 시점에서 단위 픽셀(100)들 전체에 대해 오버플로우 전원 전압(VOD)이 로우 전압 레벨에서 하이 전압 레벨로 변경될 수 있다. 즉, 단위 픽셀(100)들 전체에 대해 오버플로우 전원 전압(VOD)이 로우 전압 레벨에서 하이 전압 레벨로 변경되면 RC 딜레이(delay)가 크기 때문에, 오버플로우 신호(OG)에 기초하여 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴온되는 시점으로부터 RC 딜레이를 고려한 기 설정된 시간 마진(MA)(예를 들어, 수 마이크로초(μs))만큼 이전인 시점에서 단위 픽셀(100)들 전체에 대해 오버플로우 전원 전압(VOD)을 로우 전압 레벨에서 하이 전압 레벨로 변경시킬 수 있다.
도 10은 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 오버플로우 전원 전압이 가변되는 또 다른 예를 나타내는 도면이고, 도 11은 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 오버플로우 전원 전압이 가변되는 또 다른 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 1, 도 2, 도 10 및 도 11을 참조하면, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 단위 픽셀(100)들 각각에 구비된 오버플로우 트랜지스터(OX)의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압(VOD)이 이미지 센서의 광전 변환 구간(EIT)에서 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하고, 상기 오버플로우 전원 전압(VOD)이 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT)에서는 하이 전압 레벨을 갖도록 제어함에 있어서, 단위 픽셀(100)들을 그룹화함으로써 제 1 내지 제 m(단, m은 2이상의 정수) 그룹들(PIXEL GROUP(1), ..., PIXEL GROUP(m))을 생성하고, 제 1 내지 제 m 그룹들(PIXEL GROUP(1), ..., PIXEL GROUP(m)) 별로 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 단위 픽셀(100)들은 스캔 방향(SCAN DIRECTION)을 따라 그룹화될 수 있다. 즉, 제 1 내지 제 m 그룹들(PIXEL GROUP(1), ..., PIXEL GROUP(m))이 스캔 방향(SCAN DIRECTION)으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 내지 제 m 그룹들(PIXEL GROUP(1), ..., PIXEL GROUP(m)) 각각은 소정의 개수의 스캔 라인들에 연결된 단위 픽셀(100)들을 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 오버플로우 신호(OG)에 기초하여 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴온되는 시점(즉, 오버플로우 신호(OG)가 로우 전압 레벨에서 하이 전압 레벨로 변경되는 시점)보다 이전인 시점들에서 단위 픽셀(100)들이 그룹화된 제 1 내지 제 m 그룹들(PIXEL GROUP(1), ..., PIXEL GROUP(m)) 별로 제 1 내지 제 m 오버플로우 전원 전압(VOD-1, ..., VOD-m)들이 로우 전압 레벨에서 하이 전압 레벨로 변경되도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 제 1 내지 제 m 오버플로우 전원 전압들(VOD-1, ..., VOD-m)의 전압 레벨의 변경 순서가 위에서 아래 방향이라고 가정(즉, VOLTAGE LEVEL CHANGE SEQUENCE로 표시)하면, 제 1 그룹(PIXEL GROUP(1))에 인가되는 제 1 오버플로우 전원 전압(VOD-1)이 로우 전압 레벨에서 하이 전압 레벨로 변경된 후, 제 2 그룹(PIXEL GROUP(2))에 인가되는 제 2 오버플로우 전원 전압(VOD-2)이 로우 전압 레벨에서 하이 전압 레벨로 변경되며, 제 2 그룹(PIXEL GROUP(2))에 인가되는 제 2 오버플로우 전원 전압(VOD-2)이 로우 전압 레벨에서 하이 전압 레벨로 변경된 후, 제 3 그룹(PIXEL GROUP(3))에 인가되는 제 3 오버플로우 전원 전압(VOD-3)이 로우 전압 레벨에서 하이 전압 레벨로 변경될 수 있다. 이와 같이, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 제 1 내지 제 m 그룹들(PIXEL GROUP(1), ..., PIXEL GROUP(m))에 각각 인가되는 제 1 내지 제 m 오버플로우 전원 전압들(VOD-1, ..., VOD-m)의 전압 레벨을 순차적으로 변경시킴으로써, 제 1 내지 제 m 오버플로우 전원 전압들(VOD-1, ..., VOD-m)의 전압 레벨이 동시에 변경됨에 따라 발생하는 순간 피크 전류(instantaneous peak current)를 억제할 수 있다.
도 12는 도 6의 이미지 센서 구동 방법에 의해 오버플로우 전원 전압이 가변되는 또 다른 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 1, 도 2 및 도 12를 참조하면, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 오버플로우 트랜지스터(OX)를 이용하여 광전 변환 소자(PD)를 리셋(즉, 초기화)하는 구동 방식에도 적용될 수 있다. 상기 구동 방식(예를 들어, 파이프라인(pipelined) 글로벌 셔터 방식으로 명명됨)은 이미지 센서의 광전 변환 구간(EIT)과 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT)을 병렬적으로 수행할 수 있다. 따라서, 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1), 제 2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2) 및 리셋 트랜지스터(RX)를 턴온시켜 광전 변환 소자(PD)를 리셋함으로써 이미지 센서의 광전 변환 구간(EIT)과 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT)을 순차적으로 수행하는 구동 방식에 비하여 도 12에 도시된 구동 방식은 초당 프레임 수(frame per second; fps)를 충분히 확보할 수 있다. 구체적으로, 도 12에 도시된 구동 방식에서는, 제 k-1 프레임(FRAME(k-1))이 센싱됨에 있어서, 제 k-1 프레임(FRAME(k-1))을 위한 리드아웃 구간(READOUT(k-1))과 제 k-1 프레임(FRAME(k-1))의 다음 프레임에 해당하는 제 k 프레임(FRAME(k))을 위한 광전 변환 구간(EIT(k))이 오버랩(overlap)될 수 있다. 마찬가지로, 도 12에 도시된 구동 방식에서는, 제 k 프레임(FRAME(k))이 센싱됨에 있어서, 제 k 프레임(FRAME(k))을 위한 리드아웃 구간(READOUT(k))과 제 k 프레임(FRAME(k))의 다음 프레임에 해당하는 제 k+1 프레임(FRAME(k+1))을 위한 광전 변환 구간(EIT(k+1))이 오버랩될 수 있다. 즉, 도 12에 도시된 구동 방식은 하나의 단위 픽셀(100) 내에서 제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)를 기준으로 광전 변환 소자(PD)와 전하 저장 소자(SD)는 서로 차단되고, 광전 변환 소자(PD)가 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴온됨으로써 리셋되는 방식이기 때문에, 이미지 센서가 제 k-1 프레임(FRAME(k-1))을 위한 리드아웃 동작을 수행할 때, 제 k 프레임(FRAME(k))을 위한 광전 변환 동작을 동시에 수행할 수 있고, 제 k 프레임(FRAME(k))을 위한 리드아웃 동작을 수행할 때, 제 k+1 프레임(FRAME(k+1))을 위한 광전 변환 동작을 동시에 수행할 수 있다.
이 때, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 도 12에 도시된 구동 방식에도 적용될 수 있다. 구체적으로, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 제 k-1 프레임(FRAME(k-1))에서 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴오프(즉, OX-OFF로 표시)되기 전까지는 오버플로우 트랜지스터(OX)의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압(VOD)이 하이 전압 레벨을 갖도록 제어(즉, VOD-HIGH로 표시)할 수 있고, 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴오프(즉, OX-OFF로 표시)된 이후에는 오버플로우 트랜지스터(OX)의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압(VOD)이 로우 전압 레벨을 갖도록 제어(즉, VOD-LOW로 표시)할 수 있다. 이후, 제 k 프레임(FRAME(k))이 센싱됨에 따라 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴온(즉, OX-ON으로 표시)되면, 제 k 프레임(FRAME(k))에서 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴오프(즉, OX-OFF로 표시)되기 전까지는 오버플로우 트랜지스터(OX)의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압(VOD)이 하이 전압 레벨을 갖도록 제어(즉, VOD-HIGH로 표시)할 수 있고, 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴오프(즉, OX-OFF로 표시)된 이후에는 오버플로우 트랜지스터(OX)의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압(VOD)이 로우 전압 레벨을 갖도록 제어(즉, VOD-LOW로 표시)할 수 있다. 이와 같이, 도 6의 이미지 센서 구동 방법은 파이프라인 글로벌 셔터 방식에서도 단위 픽셀(100)들 각각에 구비된 오버플로우 트랜지스터(OX)의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압(VOD)이 이미지 센서의 광전 변환 구간(EIT)에서 로우 전압 레벨을 갖도록 제어(즉, VOD-LOW로 표시)하고, 이미지 센서의 리드아웃 구간(READOUT)에서 하이 전압 레벨을 갖도록 제어(즉, VOD-HIGH로 표시)함으로써, 이미지 센서의 광전 변환 구간(EIT) 동안 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴오프된 상태에서 오버플로우 트랜지스터(OX)를 통해 핫 캐리어 생성에 기인한 누설 전류가 광전 변환 소자(PD)로 유입되어 이미지 품질 저하가 야기되는 것을 방지할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 휴대용 전자 기기를 나타내는 블록도이고, 도 14a는 도 13의 휴대용 전자 기기가 스마트폰으로 구현되는 일 예를 나타내는 도면이며, 도 14b는 도 13의 휴대용 전자 기기가 디지털 카메라로 구현되는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 13 내지 도 14b를 참조하면, 휴대용 전자 기기(1000)는 프로세서(1010), 메모리 장치(1020), 저장 장치(1030), 입출력 장치(1040), 파워 서플라이(1050) 및 이미지 센서(1060)를 포함할 수 있다. 이 때, 이미지 센서(1060)는 도 4의 이미지 센서(200)에 상응할 수 있다. 나아가, 휴대용 전자 기기(1000)는 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 여러 포트(port)들을 더 포함할 수 있다. 한편, 도 14a에 도시된 바와 같이, 휴대용 전자 기기(1000)는 스마트폰으로 구현될 수도 있고, 도 14b에 도시된 바와 같이, 휴대용 전자 기기(1000)는 디지털 카메라로 구현될 수도 있다. 이 때, 휴대용 전자 기기(1000)는 글로벌 셔터 방식의 이미지 센서(1060) 즉, 도 4의 이미지 센서(200)를 포함함으로써, 광 노이즈(예를 들어, 핫 캐리어 생성에 기인한 누설 전류)에 의한 이미지 품질 저하를 방지할 수 있다.
프로세서(1010)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(1010)는 마이크로프로세서(micro processor), 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU), 어플리케이션 프로세서(Application Processor; AP) 등일 수 있다. 프로세서(1010)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus) 등을 통하여 다른 구성 요소들에 연결될 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(1010)는 주변 구성 요소 상호 연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다. 메모리 장치(1020)는 휴대용 전자 기기(1000)의 동작에 필요한 데이터들을 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(1020)는 이피롬(Erasable Programmable Read-Only Memory; EPROM) 장치, 이이피롬(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory; EEPROM) 장치, 플래시 메모리 장치(flash memory device), 피램(Phase Change Random Access Memory; PRAM) 장치, 알램(Resistance Random Access Memory; RRAM) 장치, 엔에프지엠(Nano Floating Gate Memory; NFGM) 장치, 폴리머램(Polymer Random Access Memory; PoRAM) 장치, 엠램(Magnetic Random Access Memory; MRAM), 에프램(Ferroelectric Random Access Memory; FRAM) 장치 등과 같은 비휘발성 메모리 장치 및/또는 디램(Dynamic Random Access Memory; DRAM) 장치, 에스램(Static Random Access Memory; SRAM) 장치, 모바일 DRAM 장치 등과 같은 휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다. 저장 장치(1030)는 솔리드 스테이트 드라이브(Solid State Drive; SSD), 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive; HDD), 씨디롬(CD-ROM) 등을 포함할 수 있다.
입출력 장치(1040)는 키보드, 키패드, 터치패드, 터치스크린, 마우스 등과 같은 입력 수단, 및 디스플레이 장치, 스피커, 프린터 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 파워 서플라이(1050)는 휴대용 전자 기기(1000)의 동작에 필요한 파워를 공급할 수 있다. 이미지 센서(1060)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 다른 구성 요소들에 연결될 수 있다. 상술한 바와 같이, 이미지 센서(1060)는 단위 픽셀들 각각에 구비된 오버플로우 트랜지스터의 일 단자에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 광전 변환 구간에서 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하고, 상기 오버플로우 전원 전압이 리드아웃 구간에서 하이 전압 레벨을 갖도록 제어함으로써, 광전 변환 구간 동안 오버플로우 트랜지스터가 턴오프된 상태에서 오버플로우 트랜지스터를 통해 핫 캐리어 생성에 기인한 누설 전류가 광전 변환 소자로 유입되어 이미지 품질 저하가 야기되는 것을 방지할 수 있다. 이를 위해, 이미지 센서(1060)는 픽셀 어레이, 상관 이중 샘플링부, 아날로그-디지털 변환부, 제어부 및 오버플로우 전원 전압 제어부를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이는 이미지 센서(1060)의 광전 변환 구간에서 입사광에 상응하는 축적 전하들을 생성하고, 이미지 센서(1060)의 리드아웃 구간에서 축적 전하들에 기초하여 아날로그 신호를 출력하는 복수의 단위 픽셀들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 단위 픽셀들 각각은 입사광을 수신하여 전하들로 변환하고 상기 전하들을 축적하여 축적 전하들을 생성하는 광전 변환 소자, 광전 변환 소자에서 생성된 축적 전하들을 저장하는 전하 저장 소자, 광전 변환 소자와 전하 저장 소자 사이에 연결되고 제 1 트랜스퍼 신호에 기초하여 동작하는 제 1 트랜스퍼 트랜지스터, 전하 저장 소자와 플로팅 확산 노드 사이에 연결되고 제 2 트랜스퍼 신호에 기초하여 동작하는 제 2 트랜스퍼 트랜지스터, 플로팅 확산 노드와 제 1 고전원 전압 사이에 연결되고 리셋 신호에 기초하여 동작하는 리셋 트랜지스터, 제 2 고전원 전압에 연결되고 플로팅 확산 노드로 전달된 축적 전하들에 기초하여 동작하는 센싱 트랜지스터, 센싱 트랜지스터와 출력 단자 사이에 연결되고 로우 셀렉트 신호에 기초하여 동작하는 셀렉트 트랜지스터, 및 오버플로우 전원 전압과 광전 변환 소자 사이에 연결되고 오버플로우 신호에 기초하여 동작하는 오버플로우 트랜지스터를 포함할 수 있다. 이 때, 오버플로우 전원 전압은 이미지 센서(1060)의 광전 변환 구간에서 로우 전압 레벨을 갖고, 이미지 센서(1060)의 리드아웃 구간에서 하이 전압 레벨을 가질 수 있다. 상관 이중 샘플링부는 아날로그 신호에 대해 상관 이중 샘플링 동작을 수행하여 이미지 신호를 생성할 수 있다. 아날로그-디지털 변환부는 이미지 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 제어부는 픽셀 어레이, 상관 이중 샘플링부 및 아날로그-디지털 변환부를 제어할 수 있다. 오버플로우 전원 전압 제어부는 단위 픽셀들에 인가되는 오버플로우 전원 전압을 이미지 센서(1060)의 광전 변환 구간에서 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하고, 상기 오버플로우 전원 전압을 이미지 센서(1060)의 리드아웃 구간에서 하이 전압 레벨을 갖도록 제어할 수 있다. 이 때, 오버플로우 전원 전압 제어부는 제어부의 외부에 구현되거나 또는 제어부의 내부에 구현될 수 있다. 한편, 실시예에 따라, 이미지 센서(1060)는 디지털 신호 처리부를 더 포함할 수 있다. 이 때, 디지털 신호 처리부는 이미지 센서(1060)의 내부에 구현될 수도 있고, 이미지 센서(1060)의 외부에 구현될 수도 있다.
한편, 이미지 센서(1060)는 다양한 형태들의 패키지로 구현될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(1060)의 적어도 일부의 구성들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등과 같은 패키지들을 이용하여 실장될 수 있다. 이와 같이, 휴대용 전자 기기(1000)는 이미지 센서(1060)를 포함함으로써 고품질의 이미지를 출력할 수 있다. 실시예에 따라, 이미지 센서(1060)는 프로세서(1010)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다. 한편, 도 14a에는 휴대용 전자 기기(1000)가 스마트폰으로 구현되어 있고, 도 14b에는 휴대용 전자 기기(1000)가 디지털 카메라(예를 들어, 미러리스(mirror-less) 디지털 카메라 등)로 구현되어 있으나, 휴대용 전자 기기(1000)의 구현이 그에 한정되는 것이 아님은 자명하다. 즉, 휴대용 전자 기기(1000)은 이미지 센서(1060)를 이용하는 다양한 형태의 모든 전자 기기로 해석되어야 한다. 예를 들어, 휴대용 전자 기기(1000)은 휴대폰, 스마트패드, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP) 등으로 구현될 수 있다.
도 15는 도 13의 휴대용 전자 기기에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 15를 참조하면, 휴대용 전자 기기(1000)는 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치(예를 들어, 이동 전화기, 피디에이, 피엠피, 스마트폰 등)로 구현될 수 있고, 어플리케이션 프로세서(1010), 이미지 센서(1140) 및 디스플레이(1150) 등을 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1110)의 CSI 호스트(1112)는 카메라 시리얼 인터페이스(Camera Serial Interface; CSI)를 통하여 이미지 센서(1140)의 CSI 장치(1141)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, CSI 호스트(1112)는 광 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있고, CSI 장치(1141)는 광 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1110)의 DSI 호스트(1111)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(Display Serial Interface; DSI)를 통하여 디스플레이(1150)의 DSI 장치(1151)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, DSI 호스트(1111)는 광 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(1151)는 광 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다. 나아가, 휴대용 전자 기기(1000)는 어플리케이션 프로세서(1110)와 통신을 수행할 수 있는 알에프(Radio Frequency; RF) 칩(1160)을 더 포함할 수 있다. 휴대용 전자 기기(1000)의 PHY(1113)와 RF 칩(1160)의 PHY(1161)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) DigRF에 따라 데이터 송수신을 수행할 수 있다. 또한, 어플리케이션 프로세서(1110)는 PHY(1161)의 MIPI DigRF에 따른 데이터 송수신을 제어하는 DigRF MASTER(1114)를 더 포함할 수 있다. 한편, 휴대용 전자 기기(1000)는 지피에스(Global Positioning System; GPS)(1120), 스토리지(1170), 마이크(1180), 디램 장치(1185) 및 스피커(1190)를 포함할 수 있다. 또한, 휴대용 전자 기기(1000)는 초광대역(Ultra WideBand; UWB)(1210), 무선랜(Wireless Local Area Network; WLAN)(1220) 및 와이맥스(Worldwide Interoperability for Microwave Access; WIMAX)(1230) 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 다만, 휴대용 전자 기기(1000)에서 사용되는 인터페이스는 상술한 인터페이스로 한정되는 것이 아님을 알아야 한다.
본 발명은 글로벌 셔터 방식의 이미지 센서 및 이를 포함하는 모든 전자 기기에 다양하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 컴퓨터, 노트북, 디지털 카메라(예를 들어, 미러리스 디지털 카메라), 휴대폰, 스마트폰, 스마트패드, 타블렛PC, 피디에이(PDA), 피엠피(PMP), 차량용 네비게이션, 비디오폰 등에 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 단위 픽셀 120: 광전 변환부
140: 아날로그 신호 출력부 160: 오버플로우 방지부
200: 이미지 센서 210: 픽셀 어레이
211: 단위 픽셀 220: 상관 이중 샘플링부
230: 아날로그-디지털 변환부 240: 디지털 신호 처리부
250: 제어부
260: 오버플로우 전원 전압 제어부
140: 아날로그 신호 출력부 160: 오버플로우 방지부
200: 이미지 센서 210: 픽셀 어레이
211: 단위 픽셀 220: 상관 이중 샘플링부
230: 아날로그-디지털 변환부 240: 디지털 신호 처리부
250: 제어부
260: 오버플로우 전원 전압 제어부
Claims (20)
- 광전 변환 구간에서 입사광에 상응하는 축적 전하들을 생성하고, 리드아웃 구간에서 상기 축적 전하들에 기초하여 아날로그 신호를 출력하는 복수의 단위 픽셀들을 구비한 픽셀 어레이;
상기 아날로그 신호에 대해 상관 이중 샘플링 동작을 수행하여 이미지 신호를 생성하는 상관 이중 샘플링부;
상기 이미지 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환부;
상기 픽셀 어레이, 상기 상관 이중 샘플링부 및 상기 아날로그-디지털 변환부를 제어하는 제어부; 및
상기 단위 픽셀에 포함된 오버플로우 트랜지스터의 전극에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 상기 광전 변환 구간에서 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하고, 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 리드아웃 구간에서 하이 전압 레벨을 갖도록 제어하는 오버플로우 전원 전압 제어부를 포함하고,
상기 오버플로우 트랜지스터는 상기 광전 변환 구간에서 턴오프되고, 상기 리드아웃 구간에서 턴온되는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서, 상기 오버플로우 전원 전압 제어부는 상기 제어부의 내부에 구현되는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 오버플로우 전원 전압 제어부는 상기 리드아웃 구간을 제외한 모든 동작 구간에서 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 디지털 신호에 대해 디지털 신호 프로세싱을 수행하여 최종 이미지 신호를 출력하는 디지털 신호 처리부를 더 포함하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서, 상기 단위 픽셀들 각각은
상기 광전 변환 구간에서 상기 축적 전하들을 생성하는 광전 변환부;
상기 리드아웃 구간에서 상기 축적 전하들에 기초하여 상기 아날로그 신호를 출력하는 아날로그 신호 출력부; 및
상기 리드아웃 구간 동안 상기 오버플로우 전원 전압을 이용하여 상기 광전 변환부에서 오버플로우가 발생하는 것을 방지하는 오버플로우 방지부를 포함하는 이미지 센서. - 제 5 항에 있어서, 상기 오버플로우 방지부는
상기 오버플로우 전원 전압과 상기 광전 변환부 사이에 연결되고, 오버플로우 신호에 기초하여 동작하는 상기 오버플로우 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서. - 제 6 항에 있어서, 상기 오버플로우 신호에 기초하여 상기 오버플로우 트랜지스터가 턴온되는 시점에서 상기 단위 픽셀들 전체에 대해 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨에서 상기 하이 전압 레벨로 변경되는 이미지 센서.
- 제 6 항에 있어서, 상기 오버플로우 신호에 기초하여 상기 오버플로우 트랜지스터가 턴온되는 시점보다 이전인 시점에서 상기 단위 픽셀들 전체에 대해 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨에서 상기 하이 전압 레벨로 변경되는 이미지 센서.
- 제 6 항에 있어서, 상기 오버플로우 신호에 기초하여 상기 오버플로우 트랜지스터가 턴온되는 시점보다 이전인 시점들에서 상기 단위 픽셀들이 그룹화된 그룹들 별로 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨에서 상기 하이 전압 레벨로 변경되는 이미지 센서.
- 제 6 항에 있어서, 상기 광전 변환부는
상기 입사광을 수신하여 전하들로 변환하고, 상기 전하들을 축적하여 상기 축적 전하들을 생성하는 광전 변환 소자;
상기 축적 전하들을 저장하는 전하 저장 소자;
상기 광전 변환 소자와 상기 전하 저장 소자 사이에 연결되고, 제 1 트랜스퍼 신호에 기초하여 동작하는 제 1 트랜스퍼 트랜지스터; 및
상기 전하 저장 소자와 상기 아날로그 신호 출력부의 플로팅 확산 노드 사이에 연결되고, 제 2 트랜스퍼 신호에 기초하여 동작하는 제 2 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서. - 제 10 항에 있어서, 상기 아날로그 신호 출력부는
상기 플로팅 확산 노드와 제 1 고전원 전압 사이에 연결되고, 리셋 신호에 기초하여 동작하는 리셋 트랜지스터;
제 2 고전원 전압에 연결되고, 상기 플로팅 확산 노드로 전달된 상기 축적 전하들에 기초하여 동작하는 센싱 트랜지스터; 및
상기 센싱 트랜지스터와 출력 단자 사이에 연결되고, 로우 셀렉트 신호에 기초하여 동작하는 셀렉트 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서. - 제 11 항에 있어서, 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 하이 전압 레벨을 가질 때, 상기 하이 전압 레벨은 상기 제 2 고전원 전압의 전압 레벨과 동일하고, 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨을 가질 때, 상기 로우 전압 레벨은 접지 전압의 전압 레벨과 동일한 이미지 센서.
- 글로벌 셔터 방식의 이미지 센서;
상기 이미지 센서로부터 입력되는 최종 이미지 신호에 기초하여 이미지를 표시하는 디스플레이 장치; 및
상기 이미지 센서와 상기 디스플레이 장치를 제어하는 프로세서를 포함하고,
상기 이미지 센서는
광전 변환 구간에서 입사광에 상응하는 축적 전하들을 생성하고, 리드아웃 구간에서 상기 축적 전하들에 기초하여 아날로그 신호를 출력하는 복수의 단위 픽셀들을 구비한 픽셀 어레이;
상기 아날로그 신호에 대해 상관 이중 샘플링 동작을 수행하여 이미지 신호를 생성하는 상관 이중 샘플링부;
상기 이미지 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환부;
상기 픽셀 어레이, 상기 상관 이중 샘플링부 및 상기 아날로그-디지털 변환부를 제어하는 제어부; 및
상기 단위 픽셀에 포함된 오버플로우 트랜지스터의 전극에 인가되는 오버플로우 전원 전압이 상기 광전 변환 구간에서 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하고, 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 리드아웃 구간에서 하이 전압 레벨을 갖도록 제어하는 오버플로우 전원 전압 제어부를 포함하며,
상기 오버플로우 트랜지스터는 상기 광전 변환 구간에서 턴오프되고, 상기 리드아웃 구간에서 턴온되는 휴대용 전자 기기. - 제 13 항에 있어서, 상기 오버플로우 전원 전압 제어부는 상기 제어부의 내부에 구현되는 휴대용 전자 기기.
- 제 13 항에 있어서, 상기 오버플로우 전원 전압 제어부는 상기 리드아웃 구간을 제외한 모든 동작 구간에서 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨을 갖도록 제어하는 휴대용 전자 기기.
- 제 15 항에 있어서, 상기 단위 픽셀들 각각은
상기 입사광을 수신하여 전하들로 변환하고, 상기 전하들을 축적하여 상기 축적 전하들을 생성하는 광전 변환 소자;
상기 축적 전하들을 저장하는 전하 저장 소자;
상기 광전 변환 소자와 상기 전하 저장 소자 사이에 연결되고, 제 1 트랜스퍼 신호에 기초하여 동작하는 제 1 트랜스퍼 트랜지스터;
상기 전하 저장 소자와 플로팅 확산 노드 사이에 연결되고, 제 2 트랜스퍼 신호에 기초하여 동작하는 제 2 트랜스퍼 트랜지스터;
상기 플로팅 확산 노드와 제 1 고전원 전압 사이에 연결되고, 리셋 신호에 기초하여 동작하는 리셋 트랜지스터;
제 2 고전원 전압에 연결되고, 상기 플로팅 확산 노드로 전달된 상기 축적 전하들에 기초하여 동작하는 센싱 트랜지스터;
상기 센싱 트랜지스터와 출력 단자 사이에 연결되고, 로우 셀렉트 신호에 기초하여 동작하는 셀렉트 트랜지스터; 및
상기 오버플로우 전원 전압과 상기 광전 변환 소자 사이에 연결되고, 오버플로우 신호에 기초하여 동작하는 상기 오버플로우 트랜지스터를 포함하는 휴대용 전자 기기. - 제 16 항에 있어서, 상기 오버플로우 신호에 기초하여 상기 오버플로우 트랜지스터가 턴온되는 시점에서 상기 단위 픽셀들 전체에 대해 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨에서 상기 하이 전압 레벨로 변경되는 휴대용 전자 기기.
- 제 16 항에 있어서, 상기 오버플로우 신호에 기초하여 상기 오버플로우 트랜지스터가 턴온되는 시점보다 이전인 시점에서 상기 단위 픽셀들 전체에 대해 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨에서 상기 하이 전압 레벨로 변경되는 휴대용 전자 기기.
- 제 16 항에 있어서, 상기 오버플로우 신호에 기초하여 상기 오버플로우 트랜지스터가 턴온되는 시점보다 이전인 시점들에서 상기 단위 픽셀들이 그룹화된 그룹들 별로 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨에서 상기 하이 전압 레벨로 변경되는 휴대용 전자 기기.
- 제 16 항에 있어서, 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 하이 전압 레벨을 가질 때, 상기 하이 전압 레벨은 상기 제 2 고전원 전압의 전압 레벨과 동일하고, 상기 오버플로우 전원 전압이 상기 로우 전압 레벨을 가질 때, 상기 로우 전압 레벨은 접지 전압의 전압 레벨과 동일한 휴대용 전자 기기.
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