KR20100059190A - Image sensor and driving method the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 포토 다이오드의 용량이 감소되어도 포화조도를 충분히 확보하여 동작 범위(Dynamic Range, D/R)를 유지할 수 있는 이미지 센서 및 그 구동 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensor, and more particularly, to an image sensor and a driving method thereof capable of maintaining a dynamic range (D / R) by sufficiently securing saturation illuminance even when the capacity of a photodiode is reduced.
주지하는 바와 같이, 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 씨씨디(CCD: Charged Coupled Device) 이미지 센서와 씨모스(CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서가 있다.As is well known, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and includes a Charged Coupled Device (CCD) image sensor and a Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) image sensor. .
씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. 씨모스 이미지 센서는, 종래 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 씨씨디 이미지 센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 씨모스 기술을 사 용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.The CMOS image sensor is a device that converts an optical image into an electrical signal by using CMOS manufacturing technology, and employs a switching method in which MOS transistors are made by the number of pixels and the outputs are sequentially detected using the same. The CMOS image sensor is simpler to drive than the CD image sensor, which is widely used as a conventional image sensor, and can realize various scanning methods, and it is possible to miniaturize a product by integrating a signal processing circuit onto a single chip. In addition, the use of compatible CMOS technology can reduce the manufacturing cost and has the advantage of significantly lower power consumption.
도 1은 4개의 트랜지스터를 이용하여 단위화소를 구현한 씨모스 이미지 센서의 회로도로서, 수광 소자인 포토다이오드(PD)와 4개의 엔모스(NMOS) 트랜지스터로 구성되는 씨모스 이미지 센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 엔모스 트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 전송하는 신호를 전달하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(VDD) 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(source follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 픽셀 데이터 인에이블(pixel data enable) 신호를 인가 받아 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 역할을 한다.1 is a circuit diagram of a CMOS image sensor implementing unit pixels using four transistors. FIG. 1 illustrates a unit pixel of a CMOS image sensor including a photodiode (PD) and four NMOS transistors. It is showing. Of the four NMOS transistors, the transfer transistor Tx transmits a signal for transferring the photocharge generated in the photodiode PD to the floating diffusion region FD, and the reset transistor Rx transmits the floating diffusion region FD. transmitting a signal to reset the supply voltage (V DD) level, and the drive transistor (Dx) is, and serves as a source follower (source follower), the select transistor (Sx) is received is the pixel data enable (pixel data enable) signal It sends the pixel data signal to the output.
이와 같이 구성된 이미지 센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 전하축적(carrier changing)이 발생하고, 플로팅 확산영역(FD)은 공급전압(VDD)까지 전하축전 된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋 트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(Vout)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장하고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시터(Cp)의 캐리어들을 캐패시터(Cf)로 이동시킨 다음, 다시 단위화소 출력단(Vout)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시켜 단위화소에 대한 한 프레임의 동작주기가 완료된다.Operation of the image sensor unit pixel configured as described above is performed as follows. Initially, the unit pixel is reset by turning on the reset transistor Rx, the transfer transistor Tx, and the select transistor Sx. At this time, the photodiode PD starts to deplete, and carrier accumulation occurs, and the floating diffusion region FD is charged and stored up to the supply voltage V DD . The transfer transistor Tx is turned off, the select transistor Sx is turned on, and the reset transistor Rx is turned off. In such an operating state, the output voltage V1 is read from the unit pixel output terminal Vout and stored in the buffer, and then the carrier transistor Tx is turned on to transfer the carriers of the capacitor Cp changed according to the light intensity to the capacitor Cf. After moving, the output voltage V2 is read from the unit pixel output terminal Vout, and the analog data for V1-V2 is converted into digital data to complete an operation cycle of one frame for the unit pixel.
한편, 이미지 센서의 소형화 추세에 따라 단위화소의 포토다이오드 용량이 더욱 작아질 수밖에 없다. 그리고 도 2에 나타낸 바와 같이 포토다이오드 용량을 감소시키게 되면 이미지 래그(lag)도 효과적으로 제거 할 수 있으며, 포토다이오드의 임플란트 도스(implant dose)를 줄여서 용량을 감소시키면 전기장(electric field)이 감소되어 PN 접합누설(junction leakage)을 감소시킬 수 있어서 다크(dark) 특성도 개선시킬 수 있게 된다.On the other hand, according to the trend of miniaturization of the image sensor, the photodiode capacity of the unit pixel is inevitably smaller. As shown in FIG. 2, reducing the photodiode capacity effectively removes the image lag, and reducing the implant dose of the photodiode reduces the electric field, thus reducing the electric field, thereby reducing the PN. Junction leakage can be reduced, thereby improving the dark characteristics.
이러한 이유로 향후는 포토다이오드 용량을 증가시키는 것에는 한계가 있게 마련이다.For this reason, there is a limit to increasing the photodiode capacity in the future.
앞서 설명한 바와 같이, 포토다이오드 용량이 감소되면 포화조도가 감소하여 이미지 센서의 동작 범위가 작아지는 단점이 있다.As described above, when the photodiode capacity is reduced, the saturation illuminance is reduced, thereby reducing the operating range of the image sensor.
도 3은 포화조도별 충전시간에 따른 출력신호의 변화를 보인 그래프이다.3 is a graph showing a change in the output signal according to the charging time for each saturation illuminance.
만약 포토다이오드 용량(PDcapa)을 I/2수준으로 감소시켜서 포화조도가 낮은 I/2에서 한 프레임동안 충전하면 포화신호 Vs에 도달하며, 그 이상의 고조도 I는 T/2시간동안 충전하면 이미 포화되어 그 이후의 발생전자들은 넘쳐버리게 되어 신 호전압에 기여할 수 없게된다. 즉, 이미지 센서의 포화조도는 I/2로서 이미지 센서가 표현할 수 있는 조도의 범위가 작아지기 때문에 밝은 빛은 표현할 수 없는 문제점이 있다.If the photodiode capacity (PDcapa) is reduced to I / 2 level and charged for one frame at low saturation illuminance I / 2, the saturation signal Vs is reached, and higher illuminance I is already saturated if charged for T / 2 hours. As a result, subsequent generations of electrons overflow, which makes them unable to contribute to the signal voltage. That is, since the saturation illuminance of the image sensor is I / 2, the range of illuminance that can be expressed by the image sensor is reduced, so that bright light cannot be expressed.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안한 것으로서, 포토다이오드 용량이 감소되어 단위화소의 소형화 구현과 이미지 래그 감소 및 다크 특성 개선 등의 장점을 구현하면서도 포화조도를 손실 없이 유지할 수 있는 이미지 센서 및 그 구동 방법을 제공한다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and the image sensor that can maintain the saturation roughness without loss, while implementing the advantages such as miniaturization of the unit pixel, reduced image lag and improved dark characteristics by reducing the photodiode capacity It provides a driving method.
본 발명의 제 1 관점으로서 이미지 센서는, 광을 감지할 수 있는 수광 소자와, 상기 수광 소자의 광 감지에 의한 전하를 축전 할 수 있는 제 1 축전 소자와, 상기 제 1 축전 소자에서 오버플로우(overflow)된 전하를 축전 할 수 있는 제 2 축전 소자와, 상기 제 1 축전 소자의 전하를 플로팅 확산영역으로 전송하는 신호를 전달 할 수 있는 제 1 스위칭 소자와, 상기 플로팅 확산영역으로 전송된 전하를 축전 할 수 있는 제 3 축전 소자와, 상기 플로팅 확산영역을 공급전압 레벨로 리셋시키는 신호를 전달 할 수 있는 제 2 스위칭 소자와, 상기 플로팅 확산영역을 공급전압 레벨로 리셋시킬 때에 상기 제 2 축전 소자의 축전전하를 보존하는 역할을 할 수 있는 제 3 스위칭 소자와, 상기 제 2 축전 소자 및 상기 제 3 축전 소자에 축전된 전하를 증폭시켜 출력하기 위한 버퍼 증폭기의 역할을 할 수 있는 신호 증폭 소자와, 상기 신호 증폭 소자의 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 역할을 할 수 있는 제 4 스위칭 소자를 포함한다.As a first aspect of the present invention, an image sensor includes: a light receiving element capable of sensing light, a first power storage element capable of accumulating charges by photo-sensing of the light receiving element, and an overflow in the first power storage element. a second power storage element capable of accumulating overflowed charges, a first switching element capable of transmitting a signal for transferring charge of the first power storage element to a floating diffusion region, and a charge transferred to the floating diffusion region A third power storage element capable of storing power, a second switching element capable of transmitting a signal for resetting the floating diffusion region to a supply voltage level, and the second power storage element when the floating diffusion region is reset to a supply voltage level A third switching element capable of preserving the electric charge of the battery, and a burr for amplifying and outputting the electric charges stored in the second power storage element and the third power storage element. And a fourth switching device capable of transmitting a pixel data signal of the signal amplifying device to an output.
여기서, 상기 수광 소자는 포토다이오드이며, 상기 제 1 내지 제 3 축전 소자 중에서 적어도 어느 하나의 소자는 캐패시터이고, 상기 제 1 내지 제 4 스위칭 소자 또는 상기 신호 증폭 소자 중에서 적어도 어느 하나의 소자는 트랜지스터이다.Here, the light receiving element is a photodiode, at least one of the first to third power storage elements is a capacitor, and at least one of the first to fourth switching elements or the signal amplification element is a transistor. .
본 발명의 제 2 관점으로서 이미지 센서의 구동 방법은, 수광 소자의 광 감지에 의한 전하를 제 1 축전 소자에 축전하면서 상기 제 1 축전 소자에서 오버플로우된 전하를 제 2 축전 소자에 축전하는 단계와, 플로팅 확산영역으로 전송된 전하를 축전 할 수 있는 제 3 축전 소자를 공급전압 레벨로 리셋시키는 단계와, 단위화소 출력단으로부터 제 1 출력전압을 읽어들이는 단계와, 상기 제 2 축전 소자 및 상기 제 3 축전 소자에 축전된 전하를 증폭시켜 출력하여 상기 단위화소 출력단으로부터 제 2 출력전압을 읽어들이는 단계와, 상기 제 1 출력전압 및 상기 제 2 출력전압에 의거한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경하는 단계를 포함한다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of driving an image sensor, the method comprising: accumulating charges overflowed from the first power storage device to a second power storage device while accumulating charges by photo-sensing of the light receiving device to the first power storage device; Resetting a third power storage device capable of storing charge transferred to the floating diffusion region to a supply voltage level, reading a first output voltage from a unit pixel output terminal, and generating the second power storage device and the second power storage device. Amplifying and storing the electric charge stored in the three power storage elements, reading a second output voltage from the unit pixel output terminal, and converting analog data based on the first output voltage and the second output voltage into digital data; Steps.
본 발명에 의하면 수광 소자의 광 감지에 의한 전하를 축전하는 축전 소자에서 전하가 오버플로우되면 이를 축전하는 축전 소자를 추가함과 아울러 플로팅 확산영역을 리셋할 때에 오버플로우 축전 전하를 보존하는 배리어 소자를 추가함으로써, 포토다이오드 용량이 감소되어 단위화소의 소형화가 가능하게 하고, 이미지 래그를 감소시키며, PN 접합 누설을 감소시켜 다크 특성을 개선시킬 수 있으면서도 포화조도는 손실 없이 그대로 유지시킨다.According to the present invention, there is provided a barrier element that preserves the overflow capacitor charge when resetting the floating diffusion region while adding a capacitor to accumulate the charge when the charge overflows in the capacitor that accumulates charges by photo-sensing of the light receiving element. In addition, the photodiode capacity is reduced to allow for miniaturization of the unit pixel, reduce image lag, reduce PN junction leakage, and improve dark characteristics while maintaining saturation roughness without loss.
따라서, 이미지 센서의 충분한 동작 범위를 유지할 수 있는 효과가 있다.Therefore, there is an effect that can maintain a sufficient operating range of the image sensor.
이하, 본 발명의 일부 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 5개의 트랜지스터를 이용하여 단위화소를 구현한 씨모스 이미지 센서의 회로도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 씨모스 이미지 센서를 구성하는 단위화소의 단면도로서, 수광 소자인 포토다이오드(PD)와 4개의 엔모스(NMOS) 트랜지스터 및 3개의 캐패시터로 구성한 씨모스 이미지 센서의 단위화소를 보이고 있다.4 is a circuit diagram of a CMOS image sensor implementing unit pixels using five transistors according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a unit pixel configuring a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention. As a cross-sectional view, the unit pixel of a CMOS image sensor composed of a photodiode (PD) as a light receiving element, four NMOS transistors, and three capacitors is shown.
이에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위화소는, 광을 감지하는 포토다이오드(PD)와, 포토다이오드(PD)의 광 감지에 의한 전하를 축전하는 제 1 캐패시터(Cp)와, 제 1 캐패시터(Cp)에서 오버플로우된 전하를 축전하는 제 2 캐패시터(Co)와, 제 1 캐패시터(Cp)의 전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 전송하는 신호를 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 플로팅 확산영역(FD)으로 전송된 전하를 축전하는 제 3 캐패시터(Cf)와, 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(VDD) 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하는 리셋 트랜지스터(Rx)와, 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(VDD) 레벨로 리셋시킬 때에 제 2 캐패시터(Co)의 축전전하를 보존하는 역할을 하는 배리어 트랜지스터(Bx)와, 플로팅 확산영역(FD)과 전기적으로 접속되어 제 2 캐패시터(Co) 및 제 3 캐패시터(Cf)에 축전된 전하를 증폭시켜 출력하는 소스팔로워 버퍼 증폭기의 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Dx)와, 픽셀 데이터 인에이블 신호를 인가 받아 드라이브 트랜지스터(Dx)의 픽셀 데이터 신호를 출력(Vout)으로 전송하는 역할을 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함한다.As shown therein, the unit pixel of the CMOS image sensor includes a photodiode PD for sensing light, a first capacitor Cp for accumulating charge by photodetection of the photodiode PD, A second capacitor Co for accumulating charges overflowed from the first capacitor Cp, a transfer transistor Tx for transmitting a signal for transferring charge of the first capacitor Cp to the floating diffusion region FD, and A third capacitor Cf for storing electric charges transferred to the floating diffusion region FD, a reset transistor Rx for transmitting a signal for resetting the floating diffusion region FD to a supply voltage V DD level, When the floating diffusion region FD is reset to the supply voltage V DD level, the barrier transistor Bx which serves to preserve the storage charge of the second capacitor Co is electrically connected to the floating diffusion region FD. And the second capacitor Co and the third capacitor Cf Drive transistor (Dx) that acts as a source follower buffer amplifier to amplify and output the stored charge and the pixel data enable signal is applied to transmit the pixel data signal of the drive transistor (Dx) to the output (Vout) And a select transistor Sx.
이와 같이 씨모스 이미지 센서의 단위화소를 구성하는 것들 중에서 제 1 캐패시터(Cp), 제 2 캐패시터(Co), 제 3 캐패시터(Cf)는 전하를 축전하는 축전 소자의 일예이다. 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx), 배리어 트랜지스터(Bx), 드라이브 트랜지스터(Dx), 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 스위칭 소자의 일예이다. 드라이브 트랜지스터(Dx)는 신호 증폭 소자의 일예이다.As described above, the first capacitor Cp, the second capacitor Co, and the third capacitor Cf of the unit pixels of the CMOS image sensor are examples of power storage elements that store electric charges. The transfer transistor Tx, the reset transistor Rx, the barrier transistor Bx, the drive transistor Dx, and the select transistor Sx are examples of switching elements. The drive transistor Dx is an example of a signal amplifier.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서를 구성하는 단위화소의 입력 조도별 전자의 포텐셜(potential) 에너지의 분포도로서, 도 6은 포토다이오드 용량(PDcapa)이 I/2일 경우에 포토다이오드(PD)에 I/3 조도의 빛이 들어온 경우이며, 도 7은 포토다이오드 용량(PDcapa)이 I/2일 경우에 포토다이오드(PD)에 3I/4 조도의 빛이 들어온 경우이고, 도 8은 포토다이오드 용량(PDcapa)이 I/2일 경우에 포토다이오드(PD)에 I 조도의 빛이 들어온 경우를 나타낸 것이다.6 to 8 are distribution diagrams of potential energy of electrons for each input illuminance of a unit pixel constituting the CMOS image sensor according to the present invention, and FIG. 6 is a case where the photodiode capacitance PDcapa is I / 2. When the light of I / 3 intensity enters the photodiode PD, FIG. 7 is a case where the light of 3I / 4 illumination enters the photodiode PD when the photodiode capacitance PDcapa is I / 2, FIG. 8 illustrates a case where I illumination of light enters the photodiode PD when the photodiode capacitance PDcapa is I / 2.
먼저, 도 4 및 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서를 구성 하는 단위화소의 구동 과정을 살펴보면 다음과 같다.First, referring to FIGS. 4 and 6, the driving process of the unit pixels constituting the CMOS image sensor according to the present invention will be described.
포토다이오드(PD)에 I/3 조도의 빛이 들어오면 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 제 1 캐패시터(Cp)의 전하축전이 발생하고, 전하의 오버플로우가 발생하지 않으므로 제 2 캐패시터(Co)의 전하축전은 발생하지 않는다. 이때 배리어 트랜지스트(Bx)는 2Vs/3을 유지한다(도 6의 (a) 참조).When light of I / 3 illuminance enters the photodiode PD, the photodiode PD starts to deplete, charge storage of the first capacitor Cp occurs, and no overflow of charge occurs. The charge storage of Co) does not occur. At this time, the barrier transistor Bx maintains 2Vs / 3 (see FIG. 6A).
리셋 트랜지스터(Rx)를 온(on)시켜 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(VDD) 레벨로 리셋, 즉 단위화소를 리셋시킨다(도 6의 (b) 참조).By a reset transistor (Rx) on (on) to reset the reset, that is, the unit pixel to the floating diffusion region (FD) to the supply voltage (V DD) level (see (b) in Fig. 6).
이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(Vout)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장한다.In this operation state, the output voltage V1 is read from the unit pixel output terminal Vout and stored in the buffer.
리셋 트랜지스터(Rx)를 오프(off)시키고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온(on)시켜서 제 1 캐패시터(Cp)의 전하를 제 2 캐패시터(Co)로 이동시킨 후에 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프(off)시킨 다음(도 6의 (c) 참조), 단위화소 출력단(Vout)의 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시켜 단위화소에 대한 한 프레임의 동작주기가 완료된다.After the reset transistor Rx is turned off and the transfer transistor Tx is turned on to move the charge of the first capacitor Cp to the second capacitor Co, the transfer transistor Tx is turned off. (See (c) of FIG. 6), the output voltage V2 of the unit pixel output terminal Vout is read, and the analog data for V1-V2 is converted into digital data to complete the operation cycle of one frame for the unit pixel. do.
이러한 구동 과정에 의해 씨모스 이미지 센서를 구성하는 단위화소는 Vs/3의 신호전압을 출력한다.By this driving process, the unit pixels constituting the CMOS image sensor output a signal voltage of Vs / 3.
그리고, 다음 프레임을 위해 제 2 캐패시터(Co)를 방전시켜 놓아야 하므로 배리어 트랜지스터(Bx)를 충분히 온(on)시키고 리셋 트랜지스터(Rx)를 온(on)시켜서 공급전압(VDD) 레벨로 리셋시킨다(도 6의 (d) 참조).Since the second capacitor Co must be discharged for the next frame, the barrier transistor Bx is sufficiently turned on and the reset transistor Rx is turned on to reset the supply voltage V DD . (See FIG. 6 (d)).
다음으로, 도 4 및 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서를 구성하는 단위화소의 구동 과정을 살펴보면 다음과 같다.Next, referring to FIGS. 4 and 7, the driving process of the unit pixels constituting the CMOS image sensor according to the present invention will be described.
포토다이오드(PD)에 3I/4 조도의 빛이 들어오면 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 제 1 캐패시터(Cp)의 전하축전이 발생하고, I/4 만큼 전하의 오버플로우가 발생하여 제 2 캐패시터(Co)의 전하축전이 발생한다(도 7의 (a) 참조).When light of 3I / 4 illuminance enters the photodiode PD, the photodiode PD starts to deplete, and charge storage of the first capacitor Cp occurs, and an overflow of charge occurs as much as I / 4. The charge storage of the two capacitors Co occurs (see FIG. 7A).
리셋 트랜지스터(Rx)를 온(on)시켜 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(VDD) 레벨로 리셋, 즉 단위화소를 리셋시킨다. 이때 배리어 트랜지스터(Bx)에 의한 2Vs/3의 포텐셜 배리어가 막고 있어서 제 2 캐패시터(Co)에 축전된 전하는 손실이 없이 보존된다(도 7의 (b) 참조).By a reset transistor (Rx) on (on) to reset the reset, that is, the unit pixel to the floating diffusion region (FD) to the supply voltage (V DD) level. At this time, the potential barrier of 2Vs / 3 by the barrier transistor Bx is blocked, and the electric charge stored in the second capacitor Co is preserved without loss (see FIG. 7B).
이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(Vout)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장한다.In this operation state, the output voltage V1 is read from the unit pixel output terminal Vout and stored in the buffer.
리셋 트랜지스터(Rx)를 오프(off)시키고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온(on)시켜서 제 1 캐패시터(Cp)의 전하를 제 2 캐패시터(Co) 및 제 3 캐패시터(Cf)로 이동시킨 후에 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프(off)시킨 다음(도 7의 (c) 참조), 단위화소 출력단(Vout)의 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시켜 단위화소에 대한 한 프레임의 동작주기가 완료된다.After the reset transistor Rx is turned off and the transfer transistor Tx is turned on to move the charge of the first capacitor Cp to the second capacitor Co and the third capacitor Cf, the transfer transistor After (Tx) is turned off (refer to (c) of FIG. 7), the output voltage V2 of the unit pixel output terminal Vout is read, and the analog data for V1-V2 is changed into digital data, so that The operation cycle of one frame is completed.
이러한 구동 과정에 의해 씨모스 이미지 센서를 구성하는 단위화소는 오버플로우된 I/4와 포토다이오드(PD)에 남아 있던 I/2가 합쳐져서 3Vs/4의 신호전압을 출력한다.By the driving process, the unit pixel constituting the CMOS image sensor outputs a signal voltage of 3Vs / 4 by combining the overflowed I / 4 and I / 2 remaining in the photodiode PD.
그리고, 다음 프레임을 위해 제 2 캐패시터(Co)를 방전시켜 놓아야 하므로 배리어 트랜지스터(Bx)를 충분히 온(on)시키고 리셋 트랜지스터(Rx)를 온(on)시켜서 공급전압(VDD) 레벨로 리셋시킨다(도 7의 (d) 참조).Since the second capacitor Co must be discharged for the next frame, the barrier transistor Bx is sufficiently turned on and the reset transistor Rx is turned on to reset the supply voltage V DD . (See FIG. 7D).
끝으로, 도 4 및 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서를 구성하는 단위화소의 구동 과정을 살펴보면 다음과 같다.Finally, referring to FIGS. 4 and 8, the driving process of the unit pixels constituting the CMOS image sensor according to the present invention will be described.
포토다이오드(PD)에 I 조도의 빛이 들어오면 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 제 1 캐패시터(Cp)의 전하축전이 발생하고, I/2 만큼 전하의 오버플로우가 발생하여 제 2 캐패시터(Co)의 전하축전이 발생한다(도 8의 (a) 참조).When the light of I illuminance enters the photodiode PD, the photodiode PD starts to deplete and charge storage of the first capacitor Cp occurs, and an overflow of charge occurs as much as I / 2 so that the second capacitor Charge storage of Co occurs (see FIG. 8A).
리셋 트랜지스터(Rx)를 온(on)시켜 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(VDD) 레벨로 리셋, 즉 단위화소를 리셋시킨다. 이때 배리어 트랜지스터(Bx)에 의한 2Vs/3의 포텐셜 배리어가 막고 있어서 제 2 캐패시터(Co)에 축전된 전하는 손실이 없이 보존된다(도 8의 (b) 참조).By a reset transistor (Rx) on (on) to reset the reset, that is, the unit pixel to the floating diffusion region (FD) to the supply voltage (V DD) level. At this time, the potential barrier of 2Vs / 3 by the barrier transistor Bx is blocked, and the electric charge stored in the second capacitor Co is preserved without loss (see FIG. 8B).
이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(Vout)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장한다.In this operation state, the output voltage V1 is read from the unit pixel output terminal Vout and stored in the buffer.
리셋 트랜지스터(Rx)를 오프(off)시키고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온(on)시켜서 제 1 캐패시터(Cp)의 전하를 제 2 캐패시터(Co) 및 제 3 캐패시터(Cf)로 이동시킨 후에 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프(off)시킨 다음(도 8의 (c) 참조), 단위화소 출력단(Vout)의 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시켜 단위화소에 대한 한 프레임의 동작주기가 완료된다.After the reset transistor Rx is turned off and the transfer transistor Tx is turned on to move the charge of the first capacitor Cp to the second capacitor Co and the third capacitor Cf, the transfer transistor After (Tx) is turned off (see (c) of FIG. 8), the output voltage V2 of the unit pixel output terminal Vout is read, and the analog data for V1-V2 is changed into digital data to convert the unit pixel to the unit pixel. The operation cycle of one frame is completed.
이러한 구동 과정에 의해 씨모스 이미지 센서를 구성하는 단위화소는 오버플로우된 I/2와 포토다이오드(PD)에 남아 있던 I/2가 합쳐져서 Vs의 신호전압을 출력한다.By such a driving process, the unit pixel constituting the CMOS image sensor outputs a signal voltage of Vs by combining the overflowed I / 2 and the I / 2 remaining in the photodiode PD.
그리고, 다음 프레임을 위해 제 2 캐패시터(Co)를 방전시켜 놓아야 하므로 배리어 트랜지스터(Bx)를 충분히 온(on)시키고 리셋 트랜지스터(Rx)를 온(on)시켜서 공급전압(VDD) 레벨로 리셋시킨다(도 8의 (d) 참조).Since the second capacitor Co must be discharged for the next frame, the barrier transistor Bx is sufficiently turned on and the reset transistor Rx is turned on to reset the supply voltage V DD . (See FIG. 8 (d)).
이처럼 본 발명의 실시예에 의하면 포토다이오드 용량(PDcapa)은 I/2로 감소되어 단위화소의 소형화가 가능하게 하고, 이미지 래그를 감소시키며, PN 접합 누설을 감소시켜 다크 특성을 개선시킬 수 있으면서 포화조도는 I/2가 아니라 I까지 그대로 유지시킬 수 있다.As described above, according to the exemplary embodiment of the present invention, the photodiode capacitance PDcapa is reduced to I / 2, which enables the miniaturization of the unit pixel, reduces the image lag, and reduces the PN junction leakage, thereby improving the dark characteristics. The illuminance can be maintained at I, not I / 2.
지금까지 본 발명에 대하여 그 일부 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been described based on some embodiments thereof. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.
도 1은 종래 기술에 따라 씨모스 이미지 센서를 구성하는 단위화소의 회로도,1 is a circuit diagram of a unit pixel constituting a CMOS image sensor according to the prior art;
도 2는 포토다이오드 용량의 감소에 따른 포텐셜 분포의 변화를 보인 에너지 분포도,2 is an energy distribution diagram showing a change in potential distribution according to a decrease in photodiode capacity;
도 3은 포화조도별 충전시간에 따른 출력신호의 변화를 보인 그래프,3 is a graph showing a change in the output signal according to the charging time for each saturation illuminance,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 씨모스 이미지 센서를 구성하는 단위화소의 회로도,4 is a circuit diagram of a unit pixel constituting a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 씨모스 이미지 센서를 구성하는 단위화소의 단면도,5 is a cross-sectional view of a unit pixel constituting a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention;
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서를 구성하는 단위화소의 입력 조도별 전자의 포텐셜 에너지의 분포도로서, 도 6은 포토다이오드 용량이 I/2일 경우에 포토다이오드에 I/3 조도의 빛이 들어온 경우이며, 도 7은 포토다이오드 용량이 I/2일 경우에 포토다이오드에 3I/4 조도의 빛이 들어온 경우이고, 도 8은 포토다이오드 용량이 I/2일 경우에 포토다이오드에 I 조도의 빛이 들어온 경우를 나타낸 것이다.6 to 8 are distribution diagrams of potential energies of electrons for each input illuminance of a unit pixel constituting the CMOS image sensor according to the present invention, and FIG. 6 is I / 3 for a photodiode when the photodiode capacitance is I / 2. 7 is a case where light of illuminance is turned on, FIG. 7 is a case where 3I / 4 illuminance light enters the photodiode when the photodiode capacitance is I / 2, and FIG. 8 is a photodiode when the photodiode capacitance is I / 2. It shows the case that the light of I illuminance is on.
Claims (5)
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KR1020080117874A KR20100059190A (en) | 2008-11-26 | 2008-11-26 | Image sensor and driving method the same |
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KR1020080117874A KR20100059190A (en) | 2008-11-26 | 2008-11-26 | Image sensor and driving method the same |
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KR1020080117874A KR20100059190A (en) | 2008-11-26 | 2008-11-26 | Image sensor and driving method the same |
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
WO2022047925A1 (en) * | 2020-09-03 | 2022-03-10 | 深圳市华星光电半导体显示技术有限公司 | Drive circuit and drive method therefor |
KR20220103202A (en) * | 2019-12-09 | 2022-07-21 | 배시스템즈 이미징 솔루션스 아이엔씨. | Small Pixel High Dynamic Range Pixel Sensor |
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- 2008-11-26 KR KR1020080117874A patent/KR20100059190A/en not_active Application Discontinuation
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KR20220103202A (en) * | 2019-12-09 | 2022-07-21 | 배시스템즈 이미징 솔루션스 아이엔씨. | Small Pixel High Dynamic Range Pixel Sensor |
WO2022047925A1 (en) * | 2020-09-03 | 2022-03-10 | 深圳市华星光电半导体显示技术有限公司 | Drive circuit and drive method therefor |
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