KR20040071836A - Cmos active pixel for improving the minimum illumination chracteristics in image sensor and operating methord therefor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지 센서(image sensor)에 관한 것으로서, 특히 씨모스(CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서의 픽셀(pixel) 및 그 구동 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor and, more particularly, to a pixel of a CMOS metal sensor and a driving method thereof.
이미지 센서는 외부의 에너지(예를 들면, 광자)에 반응하는 반도체 장치의 성질을 이용하여, 이미지를 포획하는(capture) 장치이다. 자연계에 존재하는 각 피사체에서 발생되는 빛은 파장 등에서 고유의 에너지 값을 가진다. 이미지 센서의 픽셀은 각 피사체에서 발생하는 빛을 감지하여, 전기적인 값으로 변환한다.An image sensor is a device that captures an image by using a property of a semiconductor device that responds to external energy (eg, photons). Light generated from each subject in the natural world has its own energy value in wavelength and the like. The pixel of the image sensor detects light generated from each subject and converts it into an electric value.
도 1은 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 이용하는 이미지 센서를 구동하는 관련 신호들의 기존의 타이밍도로서, 상관 중첩 샘플링(CDS: Correlated Double Sampling) 기법을 이용하여 데이터를 독출하는 타이밍도이다. 도 2는 기존의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면으로서, 포토 다이오드(photo-diode)의 단면과 도 1의 타이밍도에 근거한 각 영역별 전자 포텐셜을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 1 is a conventional timing diagram of related signals for driving an image sensor using a 4-transistor CMOS active pixel, and is a timing diagram of reading data using a correlated double sampling (CDS) technique. FIG. 2 is a diagram illustrating a conventional 4-transistor CMOS active pixel, and illustrates a potential of each region based on a cross-section of a photo-diode and the timing diagram of FIG. 1.
도 2를 참조하면, 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀은 포토 다이오드 영역(A1)과 부유 확산 노드 영역(A3)을 연결하는 전송 트랜지스터(11), 그리고 포토 다이오드 영역(A1)을 초기화시키기 위한 리셋 트랜지스터(13)를 포함하고 있다. 포토 다이오드(PH)는 암전류를 줄이기 위해 암전류원인 반도체 표면으로부터 일정거리 정도 떨어진 깊이에 형성하게 된다. 그러므로, 전송 트랜지스터(11)와 포토 다이오드(PH)를 연결하는 부분(K)의 반도체 불순물 주입의 상태에 따른 전기적 전위 장벽(potential wall)이나 우물(potential well)이 형성된다.Referring to FIG. 2, the 4-transistor CMOS active pixel includes a transfer transistor 11 connecting the photodiode region A1 and the floating diffusion node region A3, and a reset transistor for initializing the photodiode region A1. (13) is included. The photodiode PH is formed at a depth away from the surface of the semiconductor, which is a dark current source, to reduce the dark current. Therefore, an electrical potential barrier or potential well is formed in accordance with the state of the semiconductor impurity implantation of the portion K connecting the transfer transistor 11 and the photodiode PH.
한편, 전위우물은 발생된 전하를 그대로 고여 있게 하는 성질이 있으므로, 대부분의 반도체 제조 업체는 전위 우물의 형태를 배제하고, 전위장벽의 형태로 픽셀을 제작한다. 또한, 반도체 제조 업체들은 전위장벽을 최소화하기 위한 공정 과정의 개선을 위한 노력을 하고 있다. 그러나, 전위장벽은 공정 조건 편차에 의하여 서로 상이한 크기가 되므로, 공정상의 기술로 전위 장벽을 제거하는데는 상당한 어려움이 존재한다.On the other hand, since the potential well has a property of retaining the generated charge as it is, most semiconductor manufacturers exclude the shape of the potential well, and manufacture the pixel in the form of the potential barrier. In addition, semiconductor manufacturers are trying to improve the process to minimize potential barriers. However, since the potential barriers are of different sizes due to process condition variations, there is a considerable difficulty in removing the potential barriers by the process technique.
이와 같은 전위장벽은 클 수록, 부유 확산 노드(PH)로 이동되지 않고, 그대로 포토 다이오드(PH)에 남아있는 전하량들이 많아지게 되며, 이로 인하여 이미지 센서의 무반응 영역(dead region)이 증대된다. 이와 같은 무반응 영역의 증대는, 도 1에 도시되는 타이밍의 상관 중첩 샘플링(CDS: Correlated Double Sampling) 기법을 이용하여 데이터를 독출할 때, 더욱 명백히 나타난다. 도 1에서, 리셋 샘플링 신호(RHS)는 리셋 데이터(즉, 부유 확산 노드(FD)의 초기상태의 전기적 전위)를 샘플링하여 저장하기 위한 신호이며, 신호 샘플링 신호(DSH)는 신호 데이터(즉, 포토 다이오드(PH)에서 발생하는 전하를 수신한 후의 부유 확산 노드(FD)의 전기적 전위)를 샘플링하여 저장하기 위한 신호이다.As the potential barrier increases, the amount of charge remaining in the photodiode PH does not move to the floating diffusion node PH. As a result, the dead region of the image sensor is increased. This increase in the non-response region is more evident when reading data using the Correlated Double Sampling (CDS) technique of timing shown in FIG. In FIG. 1, the reset sampling signal RHS is a signal for sampling and storing reset data (that is, an electrical potential of an initial state of the floating diffusion node FD), and the signal sampling signal DSH is a signal data (ie, A signal for sampling and storing the electrical potential of the floating diffusion node FD after receiving the charge generated by the photodiode PH.
도 2의 전자 포텐셜에서, 실선(n1)은 전송 트랜지스터(11)와 리셋 트랜지스터(13)가 모두 "턴온"되어 있는 상태 즉, 도 1의 리셋구간(Z1)에서의 전자 포텐셜을 나타낸다. 그런데, 도 2의 실선(n1)에서 알 수 있듯이, 포토 다이오드(PH)와 전송 트랜지스터 영역(A2)의 경계면(K)에 형성되는 전위장벽(w1)에 의해, 전송 트랜지스터(11)와 리셋 트랜지스터(13)이 모두 "턴온"되더라도, 일정량의 잔여 전하가 포토 다이오드 영역(A1)에 남게 된다. 이와 같은 상태에서, 전송 트랜지스터(11)가 "턴오프"되면, 포토 다이오드(PH)의 감지동작이 시작된다(시점 t1). 그리고, 감지동작이 종료되고, 감지된 신호 전하를 읽어내기 시작할 때, 부유 확산 노드(FD)를 고립시키기 위해 리셋 트랜지스터(GRX)를 "턴오프"시킨다(시점 t2). 그러면, 이때, 부유 확산 노드(FD)의 전위가 낮아진다. 이와 같은 영향으로 인하여, 전송 트랜지스터(11)를 "턴온"시켰을 때(시점 t3), 포토 다이오드(PH)와 전송 트랜지스터(11)의 경계면(K)의 전위장벽은 리셋 상태 즉, 실선(n1)의 경우보다 더 높아져 (w1+w2)로 된다.(이와 같은 시점 t3에서의 전자 포텐셜은 도 2의 점선(n2)에 의하여 도시된다.) 따라서, 신호 데이터를 독출하기 위해 전송 트랜지스터(11)을 "턴온"시켰을 때, 초기 상태에 발생되는 전하는 포토 다이오드(PH)의 전자 포텐셜이 (w1+w2)로 될 때까지는 포토 다이오드 영역(A1)에 남아 있게 된다. 즉, 픽셀의 무반응 영역이 계속되는 문제점이 발생한다.In the electron potential of FIG. 2, the solid line n1 represents the electron potential in the state in which both the transfer transistor 11 and the reset transistor 13 are "turned on", that is, in the reset section Z1 of FIG. However, as can be seen from the solid line n1 of FIG. 2, the transfer transistor 11 and the reset transistor are formed by the potential barrier w1 formed at the interface K between the photodiode PH and the transfer transistor region A2. Even if all 13 are "turned on", a certain amount of residual charge remains in the photodiode region A1. In this state, when the transfer transistor 11 is " turned off ", the sensing operation of the photodiode PH is started (time t1). Then, when the sensing operation ends and starts reading the sensed signal charge, the reset transistor GRX is " turned off " to isolate the floating diffusion node FD (time t2). Then, at this time, the potential of the floating diffusion node FD is lowered. Due to this effect, when the transfer transistor 11 is " turned on " (time t3), the potential barrier between the photodiode PH and the interface K of the transfer transistor 11 is in a reset state, that is, a solid line n1. (W1 + w2), which is higher than the case of (the electron potential at this time point t3 is shown by the dotted line n2 in FIG. 2). Thus, the transfer transistor 11 is read to read signal data. When turned "on", the charge generated in the initial state remains in the photodiode region A1 until the electron potential of the photodiode PH becomes (w1 + w2). That is, a problem occurs that the unresponsive region of the pixel continues.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 초기 상태의 픽셀의 무반응 영역을 최소화시키는 씨모스 액티브 픽셀 및 그 구동방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above problems of the prior art, and to provide a CMOS active pixel and a method of driving the same, which minimize an unresponsive region of a pixel in an initial state.
본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.In order to more fully understand the drawings used in the detailed description of the invention, a brief description of each drawing is provided.
도 1은 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 이용하는 이미지 센서를 구동하는 관련 신호들의 기존의 타이밍도이다.1 is a conventional timing diagram of related signals for driving an image sensor using a four-transistor CMOS active pixel.
도 2는 기존의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면으로서, 포토 다이오드(photo-diode)의 단면과 도 1의 타이밍도에 근거한 각 영역별 전자 포텐셜을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a conventional 4-transistor CMOS active pixel, and illustrates a potential of each region based on a cross-section of a photo-diode and the timing diagram of FIG. 1.
도 3은 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 이용하는 이미지 센서를 나타내는 회로도이다.3 is a circuit diagram illustrating an image sensor using a four-transistor CMOS active pixel.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 타이밍도로서, 도 3의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 이용하는 이미지 센서를 구동하기 위한 신호들의 타이밍도이다.FIG. 4 is a timing diagram according to an embodiment of the present invention, and is a timing diagram of signals for driving an image sensor using the 4-transistor CMOS active pixel of FIG. 3.
도 5는 도 4의 변형된 타이밍도이다.5 is a modified timing diagram of FIG. 4.
도 6은 도 4의 타이밍도의 전송 제어 신호 및 리셋 제어 신호를 발생하는 제어 신호 생성기의 예를 나타내는 회로도이다.6 is a circuit diagram illustrating an example of a control signal generator that generates a transmission control signal and a reset control signal in the timing diagram of FIG. 4.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 이미지 센서에 포함되는 씨모스(CMOS) 액티브 픽셀의 구동 방법에 관한 것이다. 상기 씨모스 액티브 픽셀은 수광되는 광자에 따라 신호 전하를 생성하는 포토 다이오드; 상기 이미지 센서의 독출 구간 중에 활성화되는 전송 제어 신호에 응답하여 상기 신호 전하를 소정의 부유 확산 노드에 제공하는 전송 트랜지스터; 상기 전송 트랜지스터에 의하여 전송되는 상기 신호 전하를 수신하는 상기 부유 확산 노드; 상기 독출 구간과 비상충되는 소정의 리셋 구간에서 활성화되는 리셋 제어 신호에 응답하여, 상기 부유 확산 노드를 리셋시키는 리셋 트랜지스터; 상기 부유 확산 노드의 전압 레벨에 의하여 제어되는 상기 드라이빙 트랜지스터; 및 소정의 행 선택 신호에 응답하여, 상기 드라이빙 트랜지스터에 의하여 전송되는 전압을 대응하는 데이터선으로 전송하는 선택 트랜지스터를 구비한다. 그리고, 상기 리셋 구간은 상기 독출 구간에 발생되는 상기 리셋 제어 신호와 상기 전송 제어 신호의 타이밍 구간으로서, 상기 포토 다이오드와 상기 전송 트랜지스터 사이에 형성되는 전위장벽의 크기에 해당하는 전위장벽을 형성시키는 상기 리셋 제어 신호와 상기 전송 제어 신호의 상기 타이밍 구간을 포함한다.One aspect of the present invention for achieving the above technical problem relates to a method of driving a CMOS active pixel included in the image sensor. The CMOS active pixel may include a photodiode for generating signal charges according to photons received; A transfer transistor configured to provide the signal charge to a predetermined floating diffusion node in response to a transfer control signal activated during a read period of the image sensor; The floating diffusion node receiving the signal charge transmitted by the transfer transistor; A reset transistor configured to reset the floating diffusion node in response to a reset control signal activated in a predetermined reset period in which the readout period is not conflicted with the read period; The driving transistor controlled by the voltage level of the floating diffusion node; And a selection transistor that transmits a voltage transmitted by the driving transistor to a corresponding data line in response to a predetermined row selection signal. The reset period is a timing period of the reset control signal and the transfer control signal generated in the read period, and forms a potential barrier corresponding to the size of the potential barrier formed between the photodiode and the transfer transistor. And a timing interval of a reset control signal and the transmission control signal.
상기와 같은 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 이미지 센서에 포함되는 씨모스(CMOS) 액티브 픽셀에 관한 것이다. 본 발명의 씨모스(CMOS) 액티브 픽셀은 수광되는 광자에 따라 신호 전하를 생성하는 포토 다이오드; 상기 이미지 센서의 독출 구간 중에 활성화되는 전송 제어 신호에 응답하여 상기 신호 전하를 소정의 부유 확산 노드에 제공하는 전송 트랜지스터; 상기 전송 트랜지스터에 의하여 전송되는 상기 신호 전하를 수신하는 상기 부유 확산 노드; 상기 독출 구간과 비상충되는 소정의 리셋 구간에서 활성화되는 리셋 제어 신호에 응답하여, 상기 부유 확산 노드를 리셋시키는 리셋 트랜지스터; 상기 부유 확산 노드의 전압 레벨에 의하여 제어되는 상기 드라이빙 트랜지스터; 소정의 행 선택 신호에 응답하여, 상기 드라이빙 트랜지스터에 의하여 전송되는 전압을 대응하는 데이터선으로 전송하는 선택 트랜지스터; 및 상기 리셋 제어 신호와 상기 전송 제어 신호를 발생하는 제어 신호 생성기를 포함된다. 그리고, 상기 리셋 구간은 상기 독출 구간에 발생되는 상기 리셋 제어 신호와 상기 전송 제어 신호의 타이밍 구간으로서, 상기 포토 다이오드와 상기 전송 트랜지스터 사이에 형성되는 전위장벽의 크기에 해당하는 전위장벽을 형성시키는 상기 리셋 제어 신호와 상기 전송 제어 신호의 상기 타이밍 구간을 포함한다.One aspect of the present invention for achieving the above technical problem relates to a CMOS active pixel included in the image sensor. The CMOS active pixel of the present invention comprises: a photodiode for generating signal charges according to photons received; A transfer transistor configured to provide the signal charge to a predetermined floating diffusion node in response to a transfer control signal activated during a read period of the image sensor; The floating diffusion node receiving the signal charge transmitted by the transfer transistor; A reset transistor configured to reset the floating diffusion node in response to a reset control signal activated in a predetermined reset period in which the readout period is not conflicted with the read period; The driving transistor controlled by the voltage level of the floating diffusion node; A selection transistor that transmits a voltage transmitted by the driving transistor to a corresponding data line in response to a predetermined row selection signal; And a control signal generator for generating the reset control signal and the transmission control signal. The reset period is a timing period of the reset control signal and the transfer control signal generated in the read period, and forms a potential barrier corresponding to the size of the potential barrier formed between the photodiode and the transfer transistor. And a timing interval of a reset control signal and the transmission control signal.
본 발명과 본 발명의 동작상의 잇점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 대하여, 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. For each figure, like reference numerals denote like elements.
도 3은 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀(20)을 이용하는 이미지 센서를 나타내는 회로도이다. 도 3을 참조하면, 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀(20)은 포토 다이오드(PH), 전송 트랜지스터(25), 리셋 트랜지스터(27), 부유 확산 노드(FD), 드라이빙 트랜지스터(28) 및 선택 트랜지스터(29)를 구비한다.3 is a circuit diagram illustrating an image sensor using a four-transistor CMOS active pixel 20. Referring to FIG. 3, the four-transistor CMOS active pixel 20 includes a photo diode PH, a transfer transistor 25, a reset transistor 27, a floating diffusion node FD, a driving transistor 28, and a selection transistor. (29) is provided.
상기 포토 다이오드(PH)는 수광되는 광자에 따라 신호 전하를 형성한다. 바람직하기로는, 상기 포토 다이오드(PH)는 핀구조를 가진다. 즉, 상기 포토 다이오드(PH)는 피웰(P-WELL) 또는 P형 기판 상에 형성되는 N형의 불순물을 주입하여 불순물층을 형성하여, PN 접합의 경계에 진성 반도체층을 형성한다. 이와 같은, 핀구조의 포토 다이오드는 N형 불순물층의 아래 경계면과 위 경계면 양쪽에서 PN 접합을 형성하므로, 양자 효율이 높아진다.The photodiode PH forms a signal charge according to the photons received. Preferably, the photodiode PH has a fin structure. That is, the photodiode PH forms an impurity layer by implanting an N-type impurity formed on a P-WELL or P-type substrate, thereby forming an intrinsic semiconductor layer at the boundary of the PN junction. As described above, the pinned photodiode forms a PN junction at both the lower and upper interfaces of the N-type impurity layer, thereby increasing the quantum efficiency.
상기 전송 트랜지스터(25)는, 소정의 전송 제어 신호(GTX)에 의하여, 게이팅된다. 따라서, 상기 전송 제어 신호(GTX)가 "하이"로 활성화하면, 상기 포토 다이오드(PH)는 상기 부유 확산 노드(FD)와 전류 통로를 형성한다. 상기 부유 확산 노드(FD)는 상기 포토 다이오드(PH)에서 발생되는 신호 전하를 수신한다.The transfer transistor 25 is gated by a predetermined transfer control signal GTX. Therefore, when the transmission control signal GTX is activated "high", the photodiode PH forms a current path with the floating diffusion node FD. The floating diffusion node FD receives signal charges generated by the photodiode PH.
그리고, 상기 리셋 트랜지스터(27)는 소정의 리셋 제어 신호(GRX)에 의하여 게이팅된다. 즉, 상기 리셋 제어 신호(GRX)가 "하이(high)"로 활성할 때, 상기 부유 확산 노드(FD)에 잔류하는 전하를 전원 전압(VDD) 쪽으로 방출한다. 따라서, 상기 리셋 제어 신호(GRX)가 활성하고, 상기 전송 제어 신호(GTX)가 "하이"로 활성화하면, 상기 포토 다이오드(PH) 영역의 포텐셜 에너지는 초기화 상태가 이루어 진다.The reset transistor 27 is gated by a predetermined reset control signal GRX. That is, when the reset control signal GRX is activated "high", the charge remaining in the floating diffusion node FD is discharged toward the power supply voltage VDD. Therefore, when the reset control signal GRX is activated and the transmission control signal GTX is activated "high", the potential energy of the photodiode PH is initialized.
상기 드라이빙 트랜지스터(28)는 상기 부유 확산 노드(FD)에 의하여 게이팅된다. 즉, 상기 드라이빙 트랜지스터(28)는 상기 부유 확산 노드(FD)의 전압 레벨에 의하여 제어되어, 궁극적으로 데이터선(DL)에 전송되는 전압 레벨이 결정된다.The driving transistor 28 is gated by the floating diffusion node FD. That is, the driving transistor 28 is controlled by the voltage level of the floating diffusion node FD, and ultimately the voltage level transmitted to the data line DL is determined.
상기 선택 트랜지스터(29)는 상기 드라이빙 트랜지스터(28)에 의하여 전송되어 오는 전압을 소정의 행 선택 신호(GSX)에 응답하여, 씨모스 액티브 픽셀(20)의 칼럼에 대응하는 상기 데이터선(DL)에 전송한다. 상기 행 선택 신호(GSX)는 상기 씨모스 액티브 픽셀(20)이 포함되는 행을 선택하는 신호로서, 상기 행 선택 신호(GSX)가 활성화하면, 동일한 행(row)의 모든 씨모스 액티브 픽셀의 데이터는 각자의 상기 데이터선(DL)에 전송된다.The select transistor 29 responds to a voltage transmitted by the driving transistor 28 in response to a predetermined row select signal GSX, so that the data line DL corresponds to a column of the CMOS active pixel 20. To transmit. The row select signal GSX is a signal for selecting a row including the CMOS active pixel 20. When the row select signal GSX is activated, data of all CMOS active pixels in the same row is selected. Are transmitted to their respective data lines DL.
상기 데이터선(DL)의 전압은 리셋 샘플링 신호(RSH) 및 데이터 샘플링 신호(DSH)에 응답하여, 리셋 전압 및 데이터 전압이 각각 샘플링되어서, 각각 제1 캐패시터(C1) 및 제2 캐패시터(C2)에 저장된다. 그리고, 저장된 상기 리셋 전압 및 상기 데이터 전압은 비교기(40)에 의하여 비교되어, 제1 출력 신호(VOUT1) 및 제2 출력 신호(VOUT2)가 발생된다.In response to the reset sampling signal RSH and the data sampling signal DSH, the voltage of the data line DL is sampled with the reset voltage and the data voltage, respectively, so that the first capacitor C1 and the second capacitor C2 are respectively. Are stored in. The stored reset voltage and the data voltage are compared by the comparator 40 to generate a first output signal VOUT1 and a second output signal VOUT2.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 타이밍도로서, 도 3의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 이용하는 이미지 센서를 구동하기 위한 신호들의 타이밍도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 빛을 감지하고 있지 않은 A구간 동안에는 리셋 트랜지스터(GRX)와 전송 트랜지스터(GTX)가 동시에 "턴온"된다. 따라서, 상기 A구간에서는, 포토 다이오드(PH)가 초기화된다. 그리고. 포토 다이오드(PH)에서 생성되는 전자를감지하는 C구간에 들어가기 직전에, 리셋 제어 신호(GRX)와 전송 제어 신호(GTX)의 타이밍을 만들어 내는 B구간이 계속된다.FIG. 4 is a timing diagram according to an embodiment of the present invention, and is a timing diagram of signals for driving an image sensor using the 4-transistor CMOS active pixel of FIG. 3. As shown in FIG. 4, the reset transistor GRX and the transfer transistor GTX are " turned on " at the same time during the period A where light is not sensed. Therefore, in the section A, the photodiode PH is initialized. And. Just before entering the section C for detecting the electrons generated by the photodiode PH, section B for generating the timing of the reset control signal GRX and the transmission control signal GTX continues.
본 발명의 본질적 효과는 상기 B구간의 존재에 의하여 발생된다. 상기 B구간의 타이밍은 감지된 광전자에 따른 데이터를 독출하는 D구간의 타이밍을 고려한 것으로, 상기 B구간과 동일한 크기의 포토 다이오드와 전송 트랜지스의 전위장벽이 형성되게 하기 위한 것이다.The essential effect of the present invention is caused by the presence of section B. The timing of the section B takes into account the timing of the section D, which reads data according to the sensed photoelectrons, so that the potential barrier of the photodiode and the transmission transistor having the same size as the section B is formed.
이와 같은 전위장벽을 형성하기 위하여, 상기 B구간은 데이터를 독출 때의 상기 D구간과 동일한 환경의 타이밍을 형성한다. 즉, 상기 B구간은 리셋 트랜지스터(27)가 "턴오프"된 상태에서, 전송 트랜지스터(25)를 "턴온"시켰다가 다시 "턴오프"시키는 타이밍을 포함한다. 이와 같은 타이밍 동작으로 인하여, 종래기술과 관련하여 기술한 바와 같이, 포토 다이오드와 전송 트랜지스의 전위장벽이 상승하게 된다.In order to form such a potential barrier, the section B forms a timing in the same environment as that of the section D when reading data. That is, the section B includes timings for turning the transfer transistor 25 "turned on" and then "turned off" while the reset transistor 27 is "turned off". This timing operation causes the potential barrier between the photodiode and the transfer transistor to rise, as described in connection with the prior art.
따라서, 포토 다이오드(PH)에서 광전자는 C구간이 시작되기 전에, 포토 다이오드(PH)와 전송 트랜지스터(25)의 경계면의 전자 포텐셜은 상기 D구간에서 형성되는 전자 포텐셜만큼 미리 상승된다. 그러므로, 상기 D구간의 독출 동작에서와 같이, 포토 다이오드(PH)에서 발생하는 광전자에 따른 데이터를 읽어낼 때 전위장벽(w1+w2)에 의해 빠져 나오지 못하는 전하량은, 상기 C구간에서 미리 포토 다이오드(PH)에 채워진다.Therefore, in the photodiode PH, before the C section starts, the electron potential of the interface between the photodiode PH and the transfer transistor 25 is raised in advance by the electron potential formed in the D section. Therefore, as in the read operation of the section D, the amount of charges which cannot be taken out by the potential barrier w1 + w2 when reading data according to the photoelectrons generated in the photodiode PH is previously photodiode in the section C. (PH) is filled.
그 후 리셋 트랜지스터(27)는 "턴오프" 상태를 유지시킬 수도 있으며, 다시 "턴온"시킬 수도 있다. 리셋 트랜지스터(27)를 "턴오프" 상태로 유지시키는 경우에는, 암전류의 발생이 감소되어, 전체적으로 전력의 손실이 감소될 수 있다.The reset transistor 27 may then maintain a " turn off " state and may " turn on " again. When the reset transistor 27 is kept in the " turned off " state, the generation of dark current can be reduced, so that the loss of power as a whole can be reduced.
상기 C구간의 감지 동작이 종료되고, 포토 다이오드(PH)에 저장된 전하들은 도 4의 D구간의 타이밍도에 따라 독출된다. 즉, 리셋 샘플링 신호(RSH)와 신호 샘플링 신호(DSH)를 활성화하고, 상관 중첩 샘플링 방식을 통하여 픽셀에서의 데이터를 출력한다.The sensing operation of the C section is terminated, and the charges stored in the photodiode PH are read out according to the timing diagram of the D section of FIG. 4. That is, the reset sampling signal RSH and the signal sampling signal DSH are activated, and the data in the pixel is output through the correlation overlap sampling method.
본 명세서에서는 상기 A구간과 B구간을 합하여, "리셋 구간"이라 칭한다. 그리고, C구간은 "감지구간", D구간은 "독출 구간"으로 칭한다.In the present specification, the A section and the B section are added together, and are referred to as "reset sections". Section C is referred to as a "sensing section" and section D is referred to as a "read section".
도 5는 도 4의 변형된 타이밍도로서, 리셋 구간에서 전송 제어 신호(GTX)의 비활성화 시점이 늦어져, B'구간의 폭이 다소 줄어들더라도, 본 발명은 정상적으로 수행될 수 있음을 보여준다.FIG. 5 is a modified timing diagram of FIG. 4, which shows that the present invention can be normally performed even if the width of the B ′ section decreases due to a delay of deactivation of the transmission control signal GTX in the reset period.
도 4 및 도 5에 도시되는 본 발명에서의 상기 리셋 제어 신호(GRX)와 상기 전송 제어 신호(GTX)의 동작을 정리하면, 상기 리셋 제어 신호(GRX)는 비활성화 상태를 유지하고, 상기 전송 제어 신호(GTX)는 활성화되었다가 다시 비활성화되는 구간이 리셋 구간(B구간)과 독출 구간(D) 모두에 포함된다.When the operations of the reset control signal GRX and the transmission control signal GTX in the present invention shown in FIGS. 4 and 5 are summarized, the reset control signal GRX is maintained in an inactive state and the transmission control is performed. The signal GTX is activated and then deactivated is included in both the reset section (B section) and the read section (D).
한편, B구간의 타이밍과 D구간의 타이밍을 별도로 제어하기 위해서는, 도 6에 도시되는 예와 같은 제어 신호 생성기가 필요하다. 도 6에서, 집적 전송 신호(Integ-TX)와 집적 리셋 신호(Integ-RX)는 도 4 및 도 5에서의 B구간의 제어 신호들을 픽셀에 인가하기 위한 신호선이다. 즉, 도 6의 제어 신호 생성기는 B 구간에서의 제어 신호들을 생성하기 위하여, 리셋 구간을 제어하는 집적 전송 신호(Integ-Tx)와 집적 리셋 신호(Integ-Rx)에 의하여 제어된다. 또한, 도 6의 제어 신호 생성기에는, 통상의 경우와 마찬가지로, 스캔 전송 제어 신호(Scan-Tx), 스캔 리셋 제어 신호(Scan-Rx), 그리고 스캔 선택 신호(Scan-Sx)가 제공된다. 상기 스캔 전송 제어 신호(Scan-Tx), 스캔 리셋 제어 신호(Scan-Rx), 그리고 스캔 선택 신호(Scan-Sx)는 도 4 및 도 5의 D구간의 제어 신호를 픽셀에 인가하기 위한 신호들로서, 당업계에서는 널리 알려진 신호들이다. 괄호안의 (n)은 센서 배열 가운데 해당 행을 가리킨다. 그리고, An 및 An+1은 리셋 구간에서 특정의 행을 선택하는 신호이며, Bn 및 Bn+1은 독출 구간에서 특정의 행을 선택하는 신호이다.On the other hand, in order to control the timing of the section B and the section D separately, a control signal generator as in the example shown in FIG. 6 is required. In FIG. 6, the integrated transmission signal Integ-TX and the integrated reset signal Integ-RX are signal lines for applying control signals of the section B in FIGS. 4 and 5 to the pixel. That is, the control signal generator of FIG. 6 is controlled by the integrated transmission signal Integ-Tx and the integrated reset signal Integ-Rx for controlling the reset period in order to generate the control signals in the B period. In addition, the control signal generator of FIG. 6 is provided with the scan transmission control signal Scan-Tx, the scan reset control signal Scan-Rx, and the scan selection signal Scan-Sx as in the normal case. The scan transmission control signal Scan-Tx, the scan reset control signal Scan-Rx, and the scan selection signal Scan-Sx are signals for applying a control signal of the section D of FIGS. 4 and 5 to the pixel. , Signals are well known in the art. (N) in parentheses indicates the corresponding row in the sensor array. An and An + 1 are signals for selecting a specific row in a reset period, and Bn and Bn + 1 are signals for selecting a specific row in a read period.
계속하여, 본 발명의 효과를 다음과 같다.Then, the effect of this invention is as follows.
1. 본 발명으로 인하여 보다 어두운 환경에도 감지가 가능한 상보성 박막 트랜지스터 공정을 이용한 이미지 센서의 제작이 가능해 졌다는 것이다. 본 발명에 의해 CCD 이미지 센서에 해당하는 최소 광량의 특성을 CMOS 이미지 센서에서도 기대 할 수 있게 될 것으로 기대된다.1. According to the present invention, it is possible to manufacture an image sensor using a complementary thin film transistor process that can be sensed even in a darker environment. According to the present invention, it is expected that the characteristics of the minimum light amount corresponding to the CCD image sensor can be expected in the CMOS image sensor.
2. 본 발명 이전에는 CMOS 이미지 센서의 대량 생산에 있어 가장 걸림돌이 되어 왔던 공정의 미세한 편차에 의해 이미지 센서의 특성이 크게 흔들리는 문제점이 해결됨에 따라서 CMOS 이미지 센서의 대량 생산이 가능하게 된다는 것이다.2. The problem that the characteristics of the image sensor are greatly shaken by the slight deviation of the process which has been the most obstacle in mass production of the CMOS image sensor before the present invention is solved, thereby enabling the mass production of the CMOS image sensor.
3. 통상적으로 컬러 색소 파랑, 빨강, 녹색에 대한 이미지 센서의 감도에 차이가 있게 되는데 이러한 무반응 영역이 존재하는 이미지 센서에서는 각 색깔에 따라 무반응 영역이 각각 달라서 단위 화소로부터 출력되는 신호를 이용해 이미지 처리를 하는데 상당한 제약을 가지고 있었지만 본 발명에 의해 빨강, 파랑, 녹색의 무반응 영역이 거의 일치되어 짐에 따라 이미지 처리(Image processing)가 쉽고 용이해 질 수 있게 된다.3. In general, there is a difference in the sensitivity of the image sensor to the color pigment blue, red, and green. In an image sensor in which such an unresponsive region exists, the unresponsive region is different for each color, and thus the signal output from the unit pixel is used. Although there are considerable limitations in image processing, the present invention makes it easier and easier to process the image as the red, blue, and green unresponsive regions are almost matched.
4. 이미지는 감지 후 다시 화면을 통해 재생되게 되는데 이 과정에서 디스플레이 장치의 특성 때문에 감마 처리(각 화소의 재생할 값에 따라 비선형 변환)를 하게 되는데 어두운 데이터 부분을 많이 증폭하게 되는 감마 처리의 성질 때문에 빛에 대한 무반응 영역(어두운 환경의 화면)의 화소별 차이는 화면에 큰 차이로 표출되게 된다. 본 발명의 화소별 무반응 영역의 대표적인 편차 감소에 의해 감마처리 후의 이미지도 좋은 화질을 얻어 낼 수 있게 되었다.4. The image is replayed through the screen after detection. In this process, gamma processing (nonlinear conversion according to the reproduction value of each pixel) is performed because of the characteristics of the display device. The pixel-to-pixel difference of the non-response region (screen in a dark environment) with respect to light is expressed as a large difference on the screen. By reducing the typical deviation of the non-response region for each pixel of the present invention, the image after the gamma treatment can also obtain good image quality.
5. 통상 이미지 데이터에서의 노이즈는 화면을 구성하고 있는 화소 배열에서의 화소들간의 편차(똑 같은 양의 광량을 입사 시켰을 때)로 표시할 수 있는데 화소들 사이의 각각 다른 정도로 나타나는 무반응 영역에 의해 심한 노이즈가 유발되고 있어 왔다. 하지만 본 발명으로 인해 화소들 사이의 무반응 영역이 거의 일치되게 됨에 따라 같은 입사 광량에 의한 데이터상의 편차는 상당부분 제어가 가능해져서 보다 훌륭한 양질의 화면을 제공할 수 있게 되었다.5. Normally, noise in image data can be expressed as the deviation between pixels in the pixel array constituting the screen (when the same amount of light is incident). Severe noise has been caused by this. However, according to the present invention, since the non-response region between pixels is almost coincident, the data deviation due to the same incident light amount can be controlled to a large extent, thereby providing a better quality screen.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
상기와 같은 본 발명의 씨모스 액티브 픽셀 및 그 구동방법에서는, 독출 구간에서 발생할 수 있는 전송 제어 신호와 리셋 제어 신호의 타이밍을 리셋 구간에서 미리 실현한다. 그러므로, 독출 구간에서 발생되는 크기의 포토 다이오드 영역과 전송 트랜지스터 사이의 전위 장벽이 리셋 구간에서 미리 형성되고, 포토 다이오드 영역에 전하들이 채워진다. 그러므로, 독출 구간에서는 무반응 영역이 최소화된다. 따라서, 이미지 센서의 최소 광량 특성은 향상된다.In the CMOS active pixel and the driving method thereof according to the present invention as described above, the timing of the transmission control signal and the reset control signal, which may occur in the read period, is realized in advance in the reset period. Therefore, the potential barrier between the photodiode region and the transfer transistor of the size generated in the readout section is formed in advance in the reset section, and the charges are filled in the photodiode region. Therefore, the dead zone is minimized in the reading section. Therefore, the minimum light quantity characteristic of the image sensor is improved.
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