KR19980080491A - 능동 화소 이미지 감지 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 능동 화소 이미지 감지 장치는 균일한 통합 시간과, 독립적인 화소 리셋, 행 화소 리셋, 또는 열 화소 리셋을 제공하고, 행렬 매트릭스로 배열되는 다수의 광 검출기 소자를 구비하며, 각각의 광 검출기는 광 검출기를 플로팅 확산부에 동작가능하게 접속시키는 접속 게이트를 가지며, 리셋과 클램프 및 샘플 기능을 더 포함한다. 본 발명은 각각의 행을 리셋시키기 위한 사전결정된 전압을 인가받는 게이트를 구비한 광 검출기의 각각의 행에 대한 리셋 트랜지스터와, 각각의 열을 리셋시키기 위한 사전결정된 전압을 인가받는 게이트를 구비한 광 검출기의 각각의 열에 대한 열 리셋 트랜지스터를 제공한다. 이에 따라, 광 검출기의 전체 어레이에 대해 균일한 통합 시간 및 단일 샘플 및 클램프 회로가 제공된다.

Description

능동 화소 이미지 감지 장치 및 그 제조 방법
본 발명은 일반적으로 고체의 이미지 센서(solid state image sensors) 분야에 관한 것으로, 특히 능동 화소 센서(active pixel sensors : APS)에 관한 것이다.
APS는 각각의 화소가 광 감지 수단과, 전하를 전압으로 변환시키는 수단(charge to voltage conversion means)과, 리셋 수단과, 증폭기의 전부 또는 일부를 포함하는 고체 이미저(solid state imagers)이다. 이와 같은 APS는 전하 결합 장치(charge coupled device : CCD)의 이미저에 비해, 단일 5V의 전압 공급 동작, x-y 어드레스가능성 및 온-칩의 신호 처리를 포함하는 몇 가지 이점을 갖는다.
APS는 각각의 화소가 광 감지 수단과, 전하를 전압으로 변환시키는 수단과, 리셋 수단과, 증폭기의 전부 또는 일부를 포함하는 고체 이미저이다. 화소를 리셋하는데 이용되는 방안에 있어서, APS 장치는 이미저의 각각의 라인 또는 행이 나머지 각각의 라인 또는 행과 상이한 시간 간격으로 통합(integrated)되고, 리셋되고, 판독되는 방식으로 동작되었다. 따라서, 전체 이미저를 판독할 경우, 각각의 라인은 시간적으로 상이한 포인트에서 장면(scene)을 포착한다. 조명 상태가 일시적으로 변할 수 있고, 장면내의 물체도 또한 움직일 수 있기 때문에, 이러한 판독 방법은 이미저의 최종 화면(representation)에 라인 아티팩트(line artifacts)를 야기시킬 수 있다. 이로 인해, 고품질의 동화상 또는 정지 화상을 필요로 하는 응용 분야에서 APS 장치를 사용하는 것이 제한된다.
또한, (한번에 하나의 행을 리셋 및 판독하는) 이러한 방법은 APS 장치내의 각각의 열(column)마다 별도의 클램프 및 샘플 증폭기를 필수적으로 구비하도록 요구하고 있다. APS 장치를 제조하는데 사용되는 프로세스에서 구현된 바와 같이, 센서의 화소 크기를 제한하는 것은 종종 증폭기의 물리적인 크기이다. 고해상도의 작은 화소를 갖는 APS 장치를 설계하기 위해서는, 서브-미크론 CMOS 프로세스를 사용해서 표준 전하 결합 장치(CCD) 센서와 동일한 해상도 및 감도를 갖는 APS 장치를 구현하는 것이 필요하다. 전형적으로, CCD 장치에 대한 최소 화소의 크기는 5배 내지 10배이지만, APS 장치의 최소 화소의 크기는 사용되는 프로세스 기법의 최소 특징 크기(feature size)의 15배 내지 20배이다.
따라서, 전술한 설명에 따르면, 한 번에 하나의 화소를 선택적으로 리셋시키고, 동시에 모든 화소를 리셋시킬 수 있는 리셋 메카니즘을 갖춘 APS 장치가 요구됨을 이해할 것이다. 또한, 각각의 화소에 대해 동시적이며 동일한 통합 시간을 제공하고, 열이 아닌 장치에 대해 단일 클램프 및 샘플 증폭기를 사용할 수 있도록 하는 회로 설계가 요구된다.
본 발명은 고체의 광 센서 및 이미저 분야에 관한 것으로, 특히 능동 화소 센서(APS)로 일컬어지는 이미저에 관한 것이다. 본 발명은 새로운 화소 아키텍처와, APS 장치 전체를 리셋시키고, 하나의 행을 한 번에 리셋시키고, 또는 임의의 개별적인 화소를 따로따로 리셋시킬 수 있는 리셋 방안을 포함한다.
도 1에는 종래의 APS의 화소가 도시되어 있다. 화소는 어레이(X-열 및 Y-행)로 배열되어 이미지 센서를 형성한다. 입사광은 광 검출기에서 전자로 생성된다. 이들 전자는 SIG의 게이트에 접속되는 플로팅 확산부로 전이된다. 이 신호는 원하는 행을 선택(행 선택 트랜지스터의 게이트에 온-전압을 공급함으로써 원하는 행 선택 신호를 턴 온)하고, 이어서 각각의 열을 개별적으로 선택함으로써 판독된다. 이 신호 레벨은 각각의 열의 하부에 있는 클램프 및 샘플 회로의 캐패시터에 저장된다. 그 후, 플로팅 확산부는 리셋 게이트에 적절한 온-전압을 인가하여, 해당 행에 대한 리셋(Reset)을 턴 온함으로써 리셋된다. 그 후, 리셋 레벨은 클램프 및 샘플 증폭기내의 개별적인 캐패시터에 저장되며, 신호 레벨과 상이하게 되며, 이에 따라, 각각의 화소에 대한 오프셋이 제거된다. 그 후, 이러한 전체 동작은 나머지 행에 대해서도 반복되며, 각각의 행은 동일한 통합 시간을 갖는다.
본 발명은 동시에 모든 화소를 리셋시키거나, 또는 한 번에 하나의 화소를 리셋시킬 수 있는 리셋 메카니즘을 제공한다. 이와 같은 메카니즘은 또한 각각의 화소에 대해 동시적이며 동일한 통합 시간을 제공한다. 또한, 본 발명의 리셋 메카니즘은 모든 열(column)에 대해 별도의 클램프 및 샘플 장치를 구비하는 것이 아니라, 하나의 장치에 대해 단일 클램프 및 샘플 증폭기를 사용할 수 있도록 한다. 도 2a 및 2b에는 새로운 화소 아키텍처에 대한 두 가지 물리적인 실시예가 도시되어 있다. 그 밖의 다른 특정 물리적인 실시예도 실현가능하다. 이들 두 가지 물리적인 실시예는 예시용으로 선택된 것이다.
도 1은 종래 기술의 능동 화소 센서를 도시한 도면,
도 2a는 본 발명의 단일 화소 리셋을 사용하는 능동 화소 센서를 도시한 도면,
도 2b는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
5 : 신호 트랜지스터 10, 20 : 능동 화소 센서(APS)
11 : 광 검출기 13 : 전송 게이트
15 : 플로팅 확산부 16 : 리셋 게이트
17, 27, 37 : 리셋 트랜지스터 19 : 행 선택 트랜지스터
25 : 행 리셋 게이트 버스 26, 36 : 행 리셋 게이트
28, 38 : 열 리셋 게이트 30 : 제 2 바람직한 실시예의 APS
(도 2a에 도시된) 제 1 실시예의 아키텍처에서, 화소는 열 리셋 게이트를 갖는 리셋 트랜지스터를 부가적으로 포함한다. 도 2a에 도시된 본 발명의 행 리셋 게이트는 도 1의 종래의 리셋 게이트로부터 변형된 것이다. 도 2a의 화소는 종래 기술의 화소보다 부가적인 리셋 트랜지스터를 갖는다. 이 아키텍처에서는 행 리셋 게이트 및 열 리셋 게이트 모두에 화소를 리셋시키기 위한 온-전압이 인가된다. 이러한 온 신호가 각각의 행 리셋 게이트 및 열 리셋 게이트에 동시에 공급됨으로써 프레임 리셋이 달성된다. 열 판독 신호를 열 리셋 게이트 신호로서 사용하고, 화소의 신호 레벨이 판독된 후에 행 리셋 게이트에 온-신호를 인가함으로써 화소가 차례대로 리셋된다. 이제, 그 화소에 대한 리셋 신호는 신호 레벨 판독 즉시 이용가능하기 때문에, 행내의 다른 화소를 리셋시키지 않고서도 단일 클램프 및 샘플 증폭기를 사용할 수 있다. 또한, 프레임 통합이 달성되었다.
도 2b는 행 리셋 게이트 신호가 리셋 트랜지스터의 드레인에 인가되고, 열 리셋 게이트 신호가 리셋 트랜지스터의 게이트에 인가되는 본 발명의 다른 아키텍처를 도시한 도면이다. 두 개의 트랜지스터 대신 하나의 트랜지스터를 사용하고, 도 1a의 아키텍처보다 작은 면적을 차지한다는 점을 제외하고는 그 동작은 전술한 것과 동일하게 수행한다. 종래 기술의 화소에 대해 개별적인 디지털 및 아날로그 VDD 버스가 사용될 경우, 도 2b의 아키텍처는 종래 기술의 화소와 동일한 수의 트랜지스터 및 버스를 가질 것이므로, 화소를 차례대로 리셋하는데 있어서 채움 인수(fill factor)의 손실은 없다.
본 발명의 전술한 관점 및 그 밖의 다른 관점, 목적, 특징, 및 이점들은, 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명 및 특허청구범위와 함께 첨부된 도면을 참조하면 더욱 분명하게 이해될 것이다.
본 발명의 이점은 한 번에 하나의 화소를 리셋시키는 것뿐만 아니라 동시에 모든 화소를 리셋시킬 수 있는 리셋 수단을 제공하는 것이다. 이로 인해, 각 화소에 대해 동시적이며 동일한 통합 시간을 가질 수 있고, 열이 아닌 장치에 대해 단일 클램프 및 샘플 증폭기를 사용할 수 있다.
이해를 돕기 위해 도면에서 사용된 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
본 발명은 고체의 광 센서 및 이미저 분야에 관한 것으로, 특히 능동 화소 센서(APS)로 일컬어지는 이미저에 관한 것이다. 본 발명은 새로운 화소 아키텍처와, APS 장치 전체를 리셋시키고, 행을 한 번에 리셋시키고, 또는 임의의 개별적인 화소를 따로따로 리셋시킬 수 있는 리셋 방안을 포함한다.
도 1에는 종래 기술의 APS의 화소(10)가 도시되어 있다. 화소(10)는, 포토다이오드 또는 포토게이트중 어느 하나일 수 있는 광 검출기(11)와, 전송 게이트(13)와, 플로팅 확산부(15)와, 리셋 게이트(16)를 갖는 리셋 트랜지스터(17)와, 행 선택 게이트를 갖는 행 선택 트랜지스터(19)와, 신호 트랜지스터(5)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같은 화소는 어레이(X-열 및 Y-행)로 배열되어 이미지 센서를 형성한다. 이러한 APS 장치의 동작은 입사광이 광 검출기에서 전자로 생성되는 방식으로 행해진다. 그 후, 원하는 행에 대한 전송 게이트(13)가 턴 온되면, 전자는 원하는 행에 대한 플로팅 확산부로 제공된다. 이러한 전자 신호는, 행 선택 트랜지스터(19)의 게이트에 온-전압을 인가하여 원하는 행을 선택하고 원하는 행 선택 트랜지스터를 턴 온시킴으로써 판독된다. 매트릭스내의 모든 열에 대한 각각의 행은 이러한 방식으로 개별적으로 선택된다. 그 밖의 다른 모든 행은 이들 행에 대한 각각의 행 선택 트랜지스터의 게이트에 적절한 신호가 인가되는 경우에 턴-오프된다. 따라서, 특정 열을 선택할 때(이 동작에 대한 세부적인 사항은 본 발명과 관련이 없음), 그 라인상에 존재하는 신호는 어떤 행(즉, 행 선택 트랜지스터가 턴 온되는 행)의 선택에 의해 결정될 것이다. 이러한 신호의 레벨은 각각의 열의 하부에 있는 클램프 및 샘플 회로내의 캐패시터에 저장된다. 이러한 신호 레벨이 저장되고 나서, 각각의 리셋 트랜지스터(17)의 리셋 게이트(16)에 적절한 온-전압이 인가되면 플로팅 확산부(15)가 리셋된다. 그러면, 이 행내의 모든 화소가 리셋된다. 그 후, 리셋 레벨은 클램프 및 샘플 증폭기내의 개별적인 캐패시터상에 저장되며, 신호 레벨과 상이한 값을 갖는다. 이에 따라, 각각의 화소에 대한 오프셋이 제거된다. 그 후, 이러한 전체 동작은 나머지 행에 대해서도 반복된다. 각각의 행은 동일한 통합 시간(리셋 및 전송 사이에 경과된 시간)을 가지지만, 다른 각각의 행과 시간적으로 상이한 포인트에서 통합된다.
본 발명은 한 번에 하나의 화소를 리셋시키는 것뿐만 아니라 동시에 모든 화소들을 리셋시킬 수 있는 리셋 수단을 제공한다. 한 번에 모든 화소를 리셋시키는 능력은 각각의 화소에 대해 동시적이며 동일한 통합 시간을 가질 수 있도록 하고, 열 대신에 하나의 장치에 대해 단일 클램프 및 샘플 증폭기를 사용할 수 있도록 한다. 도 2a 및 2b에는 새로운 화소 아키텍처에 대한 두 개의 물리적인 실시예가 도시되어 있다. 그 밖의 다른 특정 물리적인 실시예도 구현가능하다. 이들 두 개의 실시예는 예시용으로 선택된 것이다.
도 2a를 참조하면, 도 1에 도시된 바와 같은 광 검출기(11), 트랜스퍼 게이트(13) 및 플로팅 확산부(15) 뿐만 아니라, 열 리셋 게이트(28)를 구비한 리셋 트랜지스터를 부가적으로 더 포함하는, 본 발명에 의해 구상된 능동 화소 센서(20)의 제 1 아키텍처가 도시되어 있다. 도 1의 종래 기술의 장치에 도시된 원래의 리셋 트랜지스터(17)는 도 2a에 도시된 본 발명에서 행 리셋 게이트(26)를 구비한 행 리셋 트랜지스터(27)로서 사용된다. 도시된 실시예에서, 단일 행 리셋 트랜지스터(27)는 모든 행에 대한 관련 행 리셋 게이트 버스(25)를 갖는 하나의 행 리셋 게이트(26)와, 모든 열에 대해 대응하는 버스를 갖는 하나의 열 리셋 게이트(28)를 구비한다. 따라서, 도 2a에 도시된 실시예는 전술한 종래 기술의 화소보다 부가적인 리셋 트랜지스터를 구비하고 있다.
도 2a에 도시된 아키텍처에서는, 행 리셋 게이트(26) 및 열 리셋 게이트(28) 모두에 화소를 리셋시키기 위한 온-전압이 인가될 것이 요구된다. 프레임 리셋은 이 온-전압 신호를 행 리셋 게이트(26) 및 열 리셋 게이트(28)에 동시에 인가함으로써 달성된다. 그 후, 사전결정된 시간 동안 통합되고 각각의 화소가 플로팅 확산부상에 신호 전자가 전이되어 저장된다. 판독할 원하는 행을 선택(즉, 적절한 행 선택 트랜지스터(19)를 턴 온)한 후, 판독될 열을 선택함으로써 판독이 행해진다. 열 선택 신호는 열 리셋 게이트 온-신호로서 이용된다. 신호 레벨은 장치의 하부에 있는 클램프 및 샘플 증폭기의 캐패시터에 저장된다. 판독되는 열은 샘플 증폭기의 입력에 멀티플렉싱된다. 열 신호가 판독된 후에도, 열 선택 신호가 여전히 존재하면, 행 리셋 게이트(26)가 턴 온되고 화소가 리셋된다. 그 후, 이 리셋 레벨은 클램프 및 샘플 증폭기내의 다른 캐패시터에 저장되며, 신호 레벨과 상이한 값을 갖는다. 그 후, 다른 화소가 아직 리셋되지 않았기 때문에, 이 행의 나머지 열에 대해서도 이와 동일한 시퀀스가 행해진다. 열 판독 신호인 열 리셋 게이트 신호에 의해 화소가 차례대로 리셋되며, 그 후 화소의 신호 레벨이 판독되면 행 리셋 게이트에 온-신호가 인가된다.
이 화소에 대한 리셋 신호는 신호 레벨 판독 즉시 이용가능하기 때문에, 이 행내의 다른 픽셀을 리셋시키지 않고서도 단일 클램프 및 샘플 증폭기를 사용할 수 있다. 또한, 프레임 통합이 달성되었다.
도 2b는 리셋 트랜지스터(37)의 드레인에 인가되는 행 리셋 게이트 신호(36)와, 리셋 트랜지스터(37)의 게이트에 인가되는 열 리셋 게이트 신호(38)를 갖는 능동 화소 센서(APS)(30)의 제 2 바람직한 아키텍처이다. 두 개의 트랜지스터 대신 하나의 트랜지스터를 사용하고, 도 1의 아키텍처보다 작은 면적을 차지한다는 점을 제외하고는, 도 2b의 아키텍처는 전술한 것과 동일하게 동작을 행한다. 종래 기술의 화소에 대해 개별적인 디지털 및 아날로그 VDD 버스가 사용될 경우, 도 2b의 아키텍처는 추가된 능력을 제공하면서 종래 기술의 화소의 채움 인수를 그대로 유지한다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 기술되었다. 그러나, 본 발명의 범주를 벗어나지 않은 범위내에서 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 여러가지 변경 및 수정이 행해질 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명은 한 번에 하나의 화소 뿐만 아니라 동시에 모든 화소를 리셋시킬 수 있는 리셋 수단을 제공한다. 이로 인해, 각각의 화소에 대해 동시적이며 동일한 통합 시간이 제공되며, 열이 아닌 장치에 대해 단일 클램프 및 샘플 증폭기를 사용할 수 있다.

Claims (3)

  1. 행렬 매트릭스로 배열되는 다수의 광 검출기 소자를 갖는 능동 화소 이미지 감지 장치(an active pixel image sensing device)로서, 상기 각각의 광 검출기는 상기 광 검출기를 플로팅 확산부(a floating diffusion)에 동작가능하게 접속시키는 전송 게이트(a transfer gate)와, 각각의 행에 대해 상기 플로팅 확산부를 리셋시키는데 제공되는 행 리셋 신호(a row reset signal)를 갖는, 상기 능동 화소 이미지 감지 장치에 있어서,
    소정의 행내의 임의의 개별적인 플로팅 확산부를 리셋시키기 위해 상기 행 제어 신호와 함께 제공되는 열 리셋 신호(a column reset signal)와 동작가능하게 연결되는 리셋 트랜지스터를 포함하는 능동 화소 이미지 감지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리셋 트랜지스터는 리셋 회로의 일부분이며, 상기 리셋 회로는 상기 열 리셋 신호를 입력으로서 갖는 능동 화소 이미지 감지 장치.
  3. 행렬 매트릭스로 배열되는 다수의 광 검출기 소자를 갖는 능동 화소 이미지 감지 장치의 제조 방법으로서, 상기 각각의 광 검출기는 상기 광 검출기를 플로팅 확산부에 동작가능하게 접속시키는 전송 게이트와, 각각의 행에 대해 상기 플로팅 확산부를 리셋시키는데 제공되는 행 리셋 신호를 갖는, 상기 능동 화소 이미지 감지 장치의 제조 방법에 있어서,
    소정의 행내의 임의의 개별적인 플로팅 확산부를 리셋시키기 위해 상기 행 제어 신호와 함께 제공되는 열 리셋 신호와 동작가능하게 연결되는 리셋 트랜지스터를 제공하는 단계를 포함하는 능동 화소 이미지 감지 장치의 제조 방법.
KR1019980009641A 1997-03-21 1998-03-20 능동 화소 이미지 감지 장치 및 그 제조 방법 KR19980080491A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100755679B1 (ko) * 2006-06-08 2007-09-05 삼성전기주식회사 광변조기에서의 변위차를 보상하기 위한 라인 프로파일을생성하는 방법 및 장치

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KR100755679B1 (ko) * 2006-06-08 2007-09-05 삼성전기주식회사 광변조기에서의 변위차를 보상하기 위한 라인 프로파일을생성하는 방법 및 장치

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