KR20110139477A - Image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 특히, 외부의 광학 영상신호를 전기 영상신호로 변환하는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor, 상보형(相補型) 금속 산화막(酸化膜) 반도체) 이미지 센서에 관한 기술이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor, and more particularly to a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) image sensor for converting an external optical image signal into an electrical image signal. Technology.
일반적으로 이미지 센서는 외부의 광학 영상신호를 전기 영상신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서는 크게 상보형-모스(CMOS) 기술을 사용하는 CMOS 이미지 센서와 전하결합소자(CCD;Charge Coupled Device) 기술을 사용하는 CCD 이미지 센서로 나뉘고 이들은 모두 반도체 기술을 이용하여 제작한다. In general, an image sensor is a device that converts an external optical image signal into an electrical image signal. Image sensors are largely divided into CMOS image sensors using complementary-MOS (CMOS) technology and CCD image sensors using Charge Coupled Device (CCD) technology, all of which are manufactured using semiconductor technology.
특히, CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 제작된 이미지 센서이다. CMOS 이미지 센서에서 각 픽셀(Pixel)은 피사체의 대응 부분에서 복사되는 빛 신호를 포토 다이오드를 이용하여 전자로 바꾼 후에 저장하고, 축적된 전자의 수에 비례하여 나타나는 전하량을 전압 신호로 바꾸어서 출력하는 방식을 사용한다. In particular, CMOS image sensors are image sensors fabricated using CMOS fabrication techniques. Each pixel in the CMOS image sensor converts the light signal radiated from the corresponding part of the subject into electrons using a photodiode and stores it, and then converts the amount of charge that appears in proportion to the number of accumulated electrons into a voltage signal and outputs the voltage signal. Use
이러한 CMOS 이미지 센서는 다양한 전자제품들, 예컨대, 모바일 폰(Mobile Phone), PC(Personal Computer)용 카메라(Camera), 비디오 카메라, 및 디지털 카메라 등에서 광범위하게 사용되고 있는 디바이스(Device) 이다. Such a CMOS image sensor is a device widely used in various electronic products, for example, a mobile phone, a camera for a personal computer (PC), a video camera, a digital camera, and the like.
CMOS 이미지 센서는 기존에 이미지 센서로 사용되던 CCD에 비해 구동방식이 간편하며, 신호 처리 회로(Signal Processing Circuit)를 한 칩에 집적할 수 있어서 SoC(System On Chip)가 가능하므로 모듈의 소형화를 가능하게 한다. 또한, 기존에 셋-업(Set-up) 된 CMOS 기술을 호환성 있게 사용할 수 있으므로 제조 단가를 낮출 수 있는 등 많은 장점이 있기 때문에 그 수요가 날로 급증하고 있는 상황이다. The CMOS image sensor is simpler to drive than the CCD used as an image sensor, and it is possible to integrate a signal processing circuit into one chip so that a system on chip (SoC) can be used to make the module smaller. Let's do it. In addition, since the conventional set-up (CMOS) technology can be used interchangeably, there are many advantages such as lowering the manufacturing cost, so the demand is increasing rapidly.
도 1은 일반적인 이미지 센서에 사용되는 4 트랜지스터 단위 픽셀을 나타낸 회로도이다.1 is a circuit diagram illustrating four transistor unit pixels used in a general image sensor.
단위 픽셀은 포토 다이오드(2), 전송 트랜지스터(4), 플로팅 확산(Floating Diffusion) 노드(6), 리셋 트랜지스터(8), 구동 트랜지스터(10) 및 선택 트랜지스터(12)를 포함한다. 이러한 종래의 단위 픽셀은 4개의 트랜지스터(4,8,10,12)와 하나의 포토 다이오드 PD를 포함한다. The unit pixel includes a
여기서, 포토 다이오드(2)는 피사체의 광학상에 대응하는 광 전하를 발생한다. 전송 트랜지스터(4)는 전송 신호 TX에 따라 포토 다이오드(2)에 저장된 광 전하를 플로팅 확산 노드(6)에 전송한다.Here, the
그리고, 리셋 트랜지스터(8)는 리셋 신호 RX에 따라 포토 다이오드(2) 및 플로팅 확산 노드(6)에 저장된 광 전하를 전원전압단 VDD을 통해 방출하여 플로팅 확산 노드(6) 및 포토 다이오드(2)를 리셋한다.In addition, the
또한, 구동 트랜지스터(10)는 플로팅 확산 노드(6)에 저장된 광 전하에 대응하는 전류를 증폭하는 소스 팔로워(source follower) 역할을 수행한다. 선택 트랜지스터(12)는 선택 신호 LX에 따라 픽셀 어레이의 로오(Row) 라인을 선택한다.In addition, the
이러한 종래의 이미지 센서에서는 신호 전하량을 감지하기 위하여 전하량 감지노드(Charge Sensing Node)로서 플로팅 확산 노드(6)를 사용한다. In this conventional image sensor, the
한편, 형광등의 주파수는 국가에 따라 50㎐ 또는 60㎐로 설정된다. 실내 환경에서 형광등을 켠 경우, 100㎐ 또는 120㎐의 AC 조명이 비치는 상황이 만들어진다. 그렇게 되면, 같은 노출 시간을 적용하더라도 노출되는 순간의 조명에 따라 도 2에서와 같이 일정하지 못한 밝기의 영상이 얻어진다. On the other hand, the frequency of the fluorescent lamp is set to 50 Hz or 60 Hz depending on the country. When fluorescent lights are turned on in an indoor environment, a situation is created in which 100 watts or 120 watts of AC light are illuminated. As a result, even when the same exposure time is applied, an image having an inconsistent brightness is obtained as shown in FIG.
이를 해결하기 위하여, 형광등 주기와 동일한 노광 량으로 픽셀을 리셋하면, 도 3에서와 같이 플리커 리스(Flicker less)이 이미지를 얻을 수 있다. In order to solve this problem, if the pixel is reset to the same exposure amount as the fluorescent lamp cycle, flicker less may obtain an image as shown in FIG. 3.
그런데, 형광등의 주기와 동일한 노광 량으로 노출의 주기를 설정한다 하여도, 포토 다이오드가 매우 커서 감도가 매우 좋다면 이미지는 모두 포화(Saturation) 상태로 가게 된다. 결국, 도 4에서와 같이 포화 된 이미지만 남게 되어 다이나믹 범위(Dynamic range)를 거의 확보할 수 없는 상황이 된다. By the way, even if the exposure period is set to the same exposure amount as that of the fluorescent lamp, if the photodiode is very large and the sensitivity is very good, the images all become saturated. As a result, as shown in FIG. 4, only a saturated image remains, and thus a dynamic range is hardly obtained.
이를 해결하기 위해서는 임의 적으로 감도를 매우 작게 하여 형광등 조명 하에서 도 3과 같은 이미지를 얻을 수 있지만, 감도가 작은 경우는 저조도 특성이 취약해지는 치명적인 단점을 가지고 있다. In order to solve this problem, it is possible to arbitrarily reduce the sensitivity to obtain an image as shown in FIG. 3 under fluorescent lighting, but when the sensitivity is small, the low light characteristic has a fatal disadvantage.
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 이중(Dual) 전송 스위치 및 이중(Dual) 플로팅 확산 노드를 포함하여 저조도에서는 감도를 향상시켜 저조도 특성을 향상시키고 고조도에서는 플리커 리스 범위(Flicker less range)를 키워 넓은 다이나믹 범위(Dynamic range)를 확보할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. The present invention includes a dual transmission switch and a dual floating diffusion node to improve sensitivity at low light to improve low light characteristics and flicker less range at high light. The purpose is to increase the range so that a wide dynamic range can be obtained.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서는, 피사체의 광학상에 대응하는 광 전하를 저장하는 포토 다이오드; 제 1전송 신호에 따라 포토 다이오드에 저장된 광 전하를 제 1플로팅 확산 노드로 전송하는 제 1전송 스위치; 제 2전송 신호에 따라 포토 다이오드에 저장된 광 전하를 제 2플로팅 확산 노드로 전송하는 제 2전송 스위치; 전송신호에 따라 제 1플로팅 확산 노드와 제 2플로팅 확산 노드 사이의 연결을 선택적으로 제어하는 감도 조정 스위치; 제 2플로팅 확산 노드에 인가된 전하를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 구동 트랜지스터; 제1플로팅 확산 노드의 전하를 저장하는 제 1커패시터; 및 제 2플로팅 확산 노드의 전하를 저장하는 제 2커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다. An image sensor of the present invention for achieving the above object, the photodiode for storing the optical charge corresponding to the optical image of the subject; A first transfer switch transferring the optical charge stored in the photodiode to the first floating diffusion node according to the first transfer signal; A second transfer switch transferring the optical charge stored in the photodiode to the second floating diffusion node according to the second transfer signal; A sensitivity adjustment switch for selectively controlling a connection between the first floating diffusion node and the second floating diffusion node according to the transmission signal; A driving transistor converting a charge applied to the second floating diffusion node into an electrical signal and outputting the electrical signal; A first capacitor that stores a charge of the first floating diffusion node; And a second capacitor that stores the charge of the second floating diffusion node.
본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다. The present invention has the following effects.
첫째, 이중(Dual) 전송 스위치 및 이중(Dual) 플로팅 확산 노드를 포함하여 저조도에서는 감도를 상승시켜 저조도 특성을 향상시키고 고조도에서는 감도를 감소시켜 픽셀 사이즈가 큰 경우 플리커 리스 범위(Flicker less range)를 확장할 수 있도록 한다. First, it includes a dual transfer switch and a dual floating diffusion node to increase sensitivity at low light to improve low light characteristics, and to reduce sensitivity at high light to reduce the flicker less range for large pixel sizes. To be extended.
둘째, 플리커 리스 범위(Flicker less range)를 확장시킨 센서를 구현하여 넓은 다이나믹 범위(Dynamic range)를 확보할 수 있도록 한다. Second, by implementing a sensor that extends the flicker less range, a wide dynamic range can be obtained.
셋째, 이중 전송 스위치를 사용하여 전송 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 효과를 제공한다. Third, the dual transmission switch provides an effect of improving transmission efficiency.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, additions, and substitutions are possible, and that various modifications, additions and substitutions are possible, within the spirit and scope of the appended claims. As shown in Fig.
도 1은 일반적인 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타낸 회로도.
도 2 내지 도 4는 일반적인 이미지 센서의 문제점을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타낸 회로도.
도 6 및 도 7은 본 발명에서 저조도에서의 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 8 내지 도 10은 본 발명에서 고조도에서의 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 11은 본 발명에서 입사 광량에 따른 픽셀의 출력을 설명하기 위한 도면.1 is a circuit diagram illustrating a unit pixel of a general image sensor.
2 to 4 are diagrams for explaining a problem of a general image sensor.
5 is a circuit diagram illustrating a unit pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
6 and 7 are views for explaining the operation of the image sensor in low light in the present invention.
8 to 10 are views for explaining the operation of the image sensor at high illumination in the present invention.
11 is a view for explaining the output of the pixel according to the incident light amount in the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 5는 본 발명에 따른 이미지 센서에 관한 회로도이다. 5 is a circuit diagram of an image sensor according to the present invention.
본 발명은 포토 다이오드 PD, 감도 조정 스위치(100), 리셋 트랜지스터(102), 구동 트랜지스터(104), 선택 트랜지스터(106), 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110) 및 커패시터 CFDL,CFDH를 포함한다.The present invention provides a photodiode PD, a
여기서, 포토 다이오드 PD는 피사체의 광학상에 대응하는 광 전하를 발생한다. 포토 다이오드 PD는 접지전압단과 노드 A 사이에 순 방향으로 연결된다. Here, the photodiode PD generates an optical charge corresponding to the optical image of the subject. The photodiode PD is connected in a forward direction between the ground voltage terminal and node A.
감도 조정 스위치(100)는 감도조정신호 DFDG에 따라 커패시터 CFDL, CFDH를 분리하거나 합칠 수 있는 역할을 함으로써 감도를 조절할 수 있다. 감도 조정 스위치(100)는 플로팅 확산(Floating Diffusion) 노드 FD2와 플로팅 확산(Floating Diffusion) 노드 FD1 사이에 연결되어 게이트 단자를 통해 감도조정신호 DFDG가 인가된다. The
그리고, 리셋 트랜지스터(102)는 리셋 신호 RX에 따라 포토 다이오드 PD에 저장된 광 전하 및 2개의 플로팅 확산 노드 FD1,FD2에 인가된 광 전하를 전원전압단 VDD을 통해 방출하여 포토 다이오드 PD 및 플로팅 확산 노드 FD1,FD2를 리셋한다. 리셋 트랜지스터(102)는 전원전압(VDD) 인가단과 플로팅 확산 노드 FD2 사이에 연결되어 게이트 단자를 통해 리셋 신호 RX가 인가된다. The
또한, 구동 트랜지스터(104)는 플로팅 확산 노드에 저장된 광 전하에 대응하는 전류를 증폭하는 소스 팔로워(source follower) 역할을 수행한다. 이러한 구동 트랜지스터(104)에 의해 빛 에너기가 전기 신호로 변환된다. 구동 트랜지스터(104)는 전원전압단 VDD과 선택 트랜지스터(106) 사이에 연결되어 게이트 단자가 플로팅 확산(Floating Diffusion) 노드 FD2와 연결된다. In addition, the
선택 트랜지스터(106)는 선택 신호 LX에 따라 픽셀 어레이의 로오(Row) 라인을 선택한다. 선택 트랜지스터(106)는 구동 트랜지스터(104)와 픽셀 출력단 사이에 연결되어 게이트 단자를 통해 선택 신호 LX가 인가된다. The
제 1전송 스위치(108)는 노드 A와 포토 다이오드 PD 및 플로팅 확산 노드 FD1 사이에 연결되어 게이트 단자를 통해 제 1전송 신호 TX_LS가 인가된다. 제 2전송 스위치(110)는 노드 A와 포토 다이오드 PD 및 플로팅 확산 노드 FD2 사이에 연결되어 게이트 단자를 통해 제 2전송 신호 TX_HS가 인가된다. 이러한 2개의 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110)는 포토 다이오드 PD에 연결된다. The
커패시터 CFDH는 플로팅 확산 노드 FD2와 접지전압단 사이에 연결된다. 여기서, 커패시터 CFDH는 공정이 허용하는 범위 내에서 최대한 작은 커패시턴스를 갖도록 설계하는 것이 바람직하다. 그리고, 커패시터 CFDL는 플로팅 확산 노드 FD1와 접지전압단 사이에 연결된다. 여기서, 커패시터 CFDL는 픽셀 사이즈에 따라서 설계 목표 값을 설정하여 디자인하는 것이 바람직한데, 보통 커패시터 CFDL의 값은 커패시터 CFDH 보다 크게 설계한다. The capacitor CFDH is connected between the floating diffusion node FD2 and the ground voltage terminal. Here, the capacitor CFDH is preferably designed to have the smallest possible capacitance within the range allowed by the process. The capacitor CFDL is connected between the floating diffusion node FD1 and the ground voltage terminal. Here, the capacitor CFDL is preferably designed by setting a design target value according to the pixel size. Usually, the value of the capacitor CFDL is designed to be larger than the capacitor CFDH.
이러한 본 발명의 이미지 센서에서는 신호 전하량을 감지하기 위하여 전하량 감지노드(Charge Sensing Node)로서 2개의 플로팅 확산 노드 FD1,FD2를 사용한다. In the image sensor of the present invention, two floating diffusion nodes FD1 and FD2 are used as charge sensing nodes to sense the amount of signal charge.
그리고, 포토 다이오드 PD의 광 전하를 플로팅 확산 노드 FD1,FD2로 각각 전송하기 위한 2개의 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110)를 포함한다. And two first transfer switches 108 and a
여기서, 2개의 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110)는 NMOS 트랜지스터로 구현될 수 있으며, 트랜지스터의 사이즈를 동일하게 설계하거나 다르게 설계할 수도 있다. 하지만, 광 전하의 변환 효율을 각각 다르게 설정하기 위해 트랜지스터의 사이즈를 서로 다르게 설계하는 것이 바람직하다. Here, the two
예를 들면, 제 2전송 스위치(110)는 제 1전송 스위치(108) 보다 작은 사이즈로 설계한다. 이에 따라, 플로팅 확산 노드 FD2와 제 2전송 스위치(110)의 게이트 단의 오버랩 커패시턴스를 작게하여 구동 트랜지스터(104)의 전체 입력 커패시턴스를 작게 함으로써 변환 효율을 더욱 높일 수 있다. For example, the
마찬가지로, 플로팅 확산 노드 FD1,FD2의 변환 효율을 다르게 설정하기 위해 커패시터 CFDH, CFDL를 포함하게 된다. 이러한 커패시터 CFDH, CFDL는 플로팅 확산 노드 FD1,FD2의 커패시턴스(Capacitance)를 구별하기 위해 감도 조정 스위치(100)에 의해 나누어져 있다. Likewise, the capacitors CFDH and CFDL are included to set the conversion efficiency of the floating diffusion nodes FD1 and FD2 differently. These capacitors CFDH and CFDL are divided by the
일반적으로 감시용 및 자동차용 센서는 높은 다이나믹 범위(Dynamic range) 및 고 감도(High sensitivity)가 필수적인데, 이를 구현하기 위해서는 큰 픽셀 사이즈가 필요하다. 그런데, 픽셀 사이즈가 크면 감도가 커지기 때문에 형광등 등 AC 광원이 있는 고조도에서 입사 광량의 크기 차이에 따라 플리커(Flicker) 현상이 발생하게 된다. 이를 해결하기 위해 임의 적으로 변환 이득(Conversion gain)을 낮추어 설계하게 된다. In general, high dynamic range and high sensitivity are essential for surveillance and automotive sensors, which require large pixel sizes. However, since the sensitivity is increased when the pixel size is large, flicker occurs due to the difference in the amount of incident light at high illumination with an AC light source such as a fluorescent lamp. To solve this problem, the conversion gain is designed to be lowered arbitrarily.
여기서, 플리커(Flecker) 현상이란 화면에서 나오는 빛의 세기가 일정하지 않고 시간에 따라 주기적으로 변함으로써 사용자에게 빛의 깜박거림이 느껴지는 현상으로, 플리커는 같은 상태의 화면이 밝기가 일정하지 않고 시간에 따라서 변하는 현상이다.Here, flicker is a phenomenon in which the intensity of light from the screen is not constant and changes periodically with time, so that flickering of the light is felt by the user. It is a changing phenomenon.
하지만, 이러한 경우 저조도에서 감도가 저하되어 보안(Security) 시장에서 가장 중요한 저조도 특성을 확보할 수 없게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 고조도에서는 감도를 작게 하여 플리커 리스 범위(Flicker less range)를 확보하고, 저조도에서는 감도를 높게 하여 저조도 특성을 확보할 수 있도록 한다. 결국, 본 발명은 플리커 리스 범위를 확보하면서 동시에 저조도 특성을 개선할 수 있도록 하는 효과를 갖는다. However, in this case, the sensitivity is low at low light, and thus the most important low light property in the security market cannot be obtained. In order to solve this problem, in the present invention, the flickerless range can be secured by reducing the sensitivity at high illumination, and the low illumination characteristic can be secured by increasing the sensitivity at low illumination. As a result, the present invention has the effect of ensuring the flickerless range and at the same time improve the low light characteristics.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 동작 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다. Referring to the operation of the present invention having such a configuration in detail as follows.
도 6은 저조도에서 이미지 센서의 고감도 데이터 센싱 동작을 나타낸다. 6 illustrates a high sensitivity data sensing operation of the image sensor at low illumination.
먼저, 저조도 상태인 경우 (B)에서와 같이 포토 다이오드 PD의 광 전하가 낮은 레벨이 된다. 그리고, 감도조정신호 DFDG가 로우 레벨 상태를 유지하게 된다. 이에 따라, 감도 조정 스위치(100)가 턴 오프인 상태에서 포토 다이오드 PD를 통해 신호를 리드하게 된다. First, in the low illuminance state, the photocharge of the photodiode PD becomes a low level as in (B). Then, the sensitivity adjustment signal DFDG is maintained at a low level. Accordingly, the signal is read through the photodiode PD while the
감도 조정 스위치(100)가 턴 오프 되면, 플로팅 확산 노드 FD1와 플로팅 확산 노드 FD2 간의 연결이 서로 차단된 상태가 된다. 그리고, 제 2전송 신호 TX_HS가 하이 레벨이 되면, (C)에서와 같이 제 2전송 스위치(110)가 턴 온 된다. 이에 따라, 포토 다이오드 PD에 저장된 광 전하는 플로팅 확산 노드 FD2에 전달된다. When the
이때, 리셋 신호 RX는 로우 레벨이 되어 리셋 트랜지스터(102)는 턴 오프 상태를 유지하게 된다. 마찬가지로 또 다른 제 1전송 스위치(108)는 반드시 턴 오프 상태를 유지해야만 한다. At this time, the reset signal RX is at a low level so that the
이러한 경우 (D)에서와 같이 포토 다이오드 PD에 저장된 광 전하가 플로팅 확산 노드 FD2를 통해 상대적으로 작은 사이즈를 갖는 커패시터 CFDH에 저장된다. 따라서, 플로팅 확산 노드 FD1의 커패시터 CFDL가 감도조정스위치(100)에 의해 단절되어 있으므로, 플로팅 확산 노드 FD2에 연결된 커패시터 CFDH만 변환 효율에 기여함으로써 고 변환 이득을 얻을 수 있다. In this case, as in (D), the optical charge stored in the photodiode PD is stored in the capacitor CFDH having a relatively small size through the floating diffusion node FD2. Therefore, since the capacitor CFDL of the floating diffusion node FD1 is disconnected by the
여기서, 구동 트랜지스터(104)를 통해 플로팅 확산 노드 FD2에서의 신호 차지를 전기적인 신호로 변환하는 수학식은 다음과 같이 정의할 수 있다. Here, the equation for converting the signal charge at the floating diffusion node FD2 into an electrical signal through the driving
[수학식 1][Equation 1]
V = Q/CFDH V = Q / C FDH
여기서, V는 구동 트랜지스터(104)에서 출력되는 전압, Q는 빛에 의해 발생된 신호 전하, CFDH는 플로팅 확산 노드 FD2의 전체 커패시턴스를 말한다.Where V is the voltage output from the driving
이때, 플로팅 확산 노드 FD2의 전체 커패시턴스 CFDH는 플로팅 확산 노드 FD2의 정션(Junction) 커패시턴스, 제 2전송 스위치(110)와 플로팅 확산 노드 FD2의 오버랩(Overlap) 커패시턴스, 리셋 트랜지스터(102)와 플로팅 확산 노드 FD2의 오버랩 커패시턴스, 및 구동 트랜지스터(104)의 게이트 단자와 관련된 기생(Parasitic) 커패시턴스를 모두 포함한다. In this case, the total capacitance C FDH of the floating diffusion node FD2 is the junction capacitance of the floating diffusion node FD2, the overlap capacitance of the
광 전하의 변환 효율을 각각 다르게 설정하기 제 2전송 스위치(110)는 제 1전송 스위치(108) 보다 작은 사이즈로 설계하게 된다. 이에 따라, 커패시터 CFDH와 연결된 플로팅 확산 노드 FD2의 전체 커패시턴스를 작게 설정할 수 있다. Setting the Conversion Efficiency of Optical Charge Differently The
따라서, 저조도 상태에서는 커패시터 CFDH만 동작하게 되어 고감도 모드로 동작하여 저조도 특성을 향상시킬 수 있게 된다. Therefore, in the low light state, only the capacitor CFDH operates to operate in a high sensitivity mode, thereby improving low light characteristics.
도 7은 저조도에서 이미지 센서의 동작 타이밍도이다. 7 is an operation timing diagram of an image sensor at low light.
CMOS 이미지 센서의 픽셀 구동은 크게 프리-리셋(Pre-reset) 동작과 적당한 노출 후 리드 아웃(Read out)을 위한 CDS(Correlated double sampling) 및 ADC(Analog Digital Converting) 동작을 수행한다. 여기서, 프리-리셋은 노광(Exposure)의 시작 포인트를 나타내며, 이전 동작에서 획득한 신호 차지를 모두 리셋시키는 단계이다. The pixel driving of the CMOS image sensor largely performs a pre-reset operation and a correlated double sampling (CDS) and analog digital converting (ADC) operation for proper post-exposure read out. Here, the pre-reset indicates a start point of exposure, and is a step of resetting all the signal charges acquired in the previous operation.
이때, 커패시터 CFDH,CFDL 및 포토 다이오드 PD를 모두 리셋시켜야 하기 때문에 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110), 감도 조정 스위치(100), 및 리셋 트랜지스터(102)는 모두 턴 온 시켜야 한다. 이에 따라, 제 1전송 신호 TX_LS, 제 2전송 신호 TX_HS, 감도조정신호 DFDG, 및 리셋 신호 RX가 하이 레벨로 활성화된다. 반면에, 선택 신호 LX는 로우 레벨로 비활성화되어 선택 트랜지스터(106)는 턴 오프 상태를 유지하게 된다. At this time, since the capacitors CFDH, CFDL, and the photodiode PD must all be reset, the
프리-리셋 후 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110)가 턴 오프 되고, 포토 다이오드 PD는 노광 시간(Exposure time) 만큼 빛을 받아들인다. 포토 다이오드 PD는 빛에 해당되는 만큼 전자(Electron)를 발생하여 포토 다이오드 PD에 저장한다. 이후 저장된 신호 전하는 CDS 및 ADC 동작을 수행하게 되는데, 해당되는 로오(Row)를 선택하기 위한 선택 신호 LX가 하이 레벨로 활성화되어 선택 트랜지스터(106)가 턴 온 된다. After the pre-reset, the
이후에, 리셋 리딩(Reset reading) 단계로 진입하면, 리셋 신호 RX가 로우 레벨로 비활성화되어 리셋 트랜지스터(102)가 턴 오프 상태가 된다. Subsequently, upon entering the reset reading step, the reset signal RX is inactivated to a low level so that the
이어서, 리셋 레벨을 리드하고 제 2전송 신호 TX_HS가 하이 레벨로 활성화되어 제 2전송 스위치(110)만 턴 온 시킴으로써 신호 차지를 리드한다. 이때, CDS 동작을 수행하는 중에는 감도조정신호 DFDG, 제 1전송 신호 TX_LS가 로우 레벨이 되도록 하여 감도 조정 스위치(100), 제 1전송 스위치(108)를 턴 오프 시킨다. Subsequently, the reset level is read and the second transmission signal TX_HS is activated to a high level so that only the
이후에, CDS 동작이 종료되면, 선택신호 LX가 로우 레벨로 비활성화되어 선택 스위치(106)가 턴 오프 된다. Thereafter, when the CDS operation ends, the selection signal LX is deactivated to a low level so that the
이에 따라, 저조도 상태에서는 커패시터 CFDH만 동작하게 되어 고감도 모드로 동작함으로써 저조도 특성을 향상시킬 수 있게 된다. Accordingly, in the low light state, only the capacitor CFDH operates to operate in the high sensitivity mode, thereby improving low light characteristics.
이후에, 아날로그 디지털 변환(ADC) 동작을 통해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 이미지 신호를 획득하게 된다. Subsequently, an analog signal is converted into a digital signal through an analog to digital conversion (ADC) operation to obtain an image signal.
한편, 도 8은 고조도에서 이미지 센서의 저감도 데이터 센싱 동작을 나타낸다. 8 illustrates low-sensitivity data sensing operation of the image sensor at high illumination.
먼저, 고조도 상태인 경우 (E)에서와 같이 포토 다이오드 PD의 광 전하가 높은 레벨이 된다. 그리고, 감도조정신호 DFDG가 하이 레벨 상태가 된다. 이에 따라, 감도 조정 스위치(100)가 턴 온 된 상태에서 포토 다이오드 PD를 통해 신호를 리드하게 된다. First, in the case of a high illuminance state, the photocharge of the photodiode PD becomes a high level as in (E). Then, the sensitivity adjustment signal DFDG is in a high level state. Accordingly, the signal is read through the photodiode PD while the
감도 조정 스위치(100)가 턴 온 되면, 플로팅 확산 노드 FD1와 플로팅 확산 노드 FD2가 서로 연결된다. 그리고, 제 1전송 신호 TX_LS가 하이 레벨이 되면, (F)에서와 같이 제 1전송 스위치(108)가 턴 온 된다. 이에 따라, 포토 다이오드 PD에 저장된 광 전하는 플로팅 확산 노드 FD1,FD2에 전달된다. 이때, 리셋 신호 RX는 로우 레벨이 되어 리셋 트랜지스터(102)는 턴 오프 상태를 유지하게 된다. When the
이러한 경우 (G)에서와 같이 포토 다이오드 PD에 저장된 광 전하가 플로팅 확산 노드 FD1,FD2를 통해 커패시터 CFDL,CFDH에 동시에 저장된다. 따라서, 플로팅 확산 노드 FD1,FD2의 커패시턴스는 커패시터 CFDL의 커패시턴스 + 커패시터 CFDH의 커패시턴스가 되므로 그 값이 증가하게 된다. 이에 따라, 고조도 상태에서는 플로팅 확산 노드 FD1,FD2의 전체 커패시턴스 값이 증가하게 되어 변환 이득이 고감도 센싱 모드 보다 줄어들게 된다.In this case, as in (G), the optical charge stored in the photodiode PD is simultaneously stored in the capacitors CFDL and CFDH through the floating diffusion nodes FD1 and FD2. Therefore, the capacitance of the floating diffusion nodes FD1 and FD2 becomes the capacitance of the capacitor CFDL + the capacitance of the capacitor CFDH, so that the value increases. Accordingly, in the high illuminance state, the total capacitance values of the floating diffusion nodes FD1 and FD2 are increased, so that the conversion gain is smaller than that of the high sensitivity sensing mode.
여기서, 고조도 상태에서의 감도는 커패시터 CFDL의 크기에 반비례하므로, 픽셀의 사이즈에 맞추어 적절히 설계해야 한다. Here, since the sensitivity in the high illuminance state is inversely proportional to the size of the capacitor CFDL, it should be appropriately designed according to the size of the pixel.
구동 트랜지스터(104)를 통해 플로팅 확산 노드 FD1,FD2에서의 신호 차지를 전기적인 신호로 변환하는 수학식은 다음과 같이 정의할 수 있다. Equation for converting the signal charges at the floating diffusion nodes FD1 and FD2 into the electrical signals through the driving
[수학식 2][Equation 2]
V = Q / (CFDL+CFDH)V = Q / (C FDL + C FDH )
여기서, V는 구동 트랜지스터(104)에서 출력되는 전압, Q는 빛에 의해서 발생된 신호 전하, CFDL는 플로팅 확산 노드 FD1의 전체 커패시턴스, CFDH는 플로팅 확산 노드 FD2의 전체 커패시턴스를 말한다.Here, V is the voltage output from the driving
이때, 플로팅 확산 노드 FD1,FD2의 전체 커패시턴스는 플로팅 확산 노드 FD1의 커패시턴스 CFDL, 플로팅 확산 노드 FD2의 커패시턴스 CFDH의 합으로 나타낼 수 있다. In this case, the total capacitance of the floating diffusion nodes FD1 and FD2 may be expressed as the sum of the capacitance C FDL of the floating diffusion node FD1 and the capacitance C FDH of the floating diffusion node FD2.
즉, 플로팅 확산 노드 FD2의 전체 커패시턴스는 플로팅 확산 노드 FD2의 정션(Junction) 커패시턴스, 제 2전송 스위치(110)와 플로팅 확산 노드 FD2의 오버랩(Overlap) 커패시턴스, 리셋 트랜지스터(102)와 플로팅 확산 노드 FD2의 오버랩 커패시턴스, 및 구동 트랜지스터(104)의 게이트 단자와 관련된 기생(Parasitic) 커패시턴스를 모두 포함한다. That is, the total capacitance of the floating diffusion node FD2 is the junction capacitance of the floating diffusion node FD2, the overlap capacitance of the
그리고, 플로팅 확산 노드 FD1의 전체 커패시턴스는 플로팅 확산 노드 FD1의 정션(Junction) 커패시턴스, 제 1전송 스위치(108)와 플로팅 확산 노드 FD1 사이의 오버랩(Overlap) 커패시턴스를 포함한다. The total capacitance of the floating spreading node FD1 includes the junction capacitance of the floating spreading node FD1, and the overlap capacitance between the
광 전하의 변환 효율을 각각 다르게 설정하기 제 2전송 스위치(110)는 제 1전송 스위치(108)보다 작은 사이즈로 설계하게 된다. 이에 따라, 커패시터 CFDH와 연결된 플로팅 확산 노드 FD2의 전체 커패시턴스를 작게 설정할 수 있다. Setting the Conversion Efficiency of Optical Charge Differently The
이러한 본 발명은 고조도 상태에서는 커패시터 CFDH,CFDL가 모두 동작하게 되어 저감도 모드로 동작하게 된다. 저감도 모드로 동작할 경우 최소한의 플리커 (Flicker) 주기의 노출 시간에도 감도가 작기 때문에 플로팅 확산 노드 FD1,FD2가 포화(Saturation) 되지 않는다. 따라서, 본 발명은 저감도 모드에서 다이나믹 범위(Dynamic range)를 확보할 수 있도록 한다. In the present invention, the capacitors CFDH and CFDL operate in the high illuminance state, thereby operating in the low sensitivity mode. When operating in the low sensitivity mode, the floating diffusion nodes FD1 and FD2 do not saturate because the sensitivity is small even during the minimum flicker period exposure time. Therefore, the present invention enables to secure a dynamic range in the low sensitivity mode.
도 9는 고조도에서 이미지 센서의 동작 타이밍도이다. 도 9는 고조도에서 제 1전송 스위치(108)만 턴 온 시키는 경우를 나타낸 동작 타이밍도이다. 전반적인 설명은 도 7의 저조도 상태에서의 동작 타이밍도와 유사하고, 도 9의 실시예에서는 고조도에서 동작이 상이한 부분만 구체적으로 설명하기로 한다. 9 is an operation timing diagram of an image sensor at high illumination. FIG. 9 is an operation timing diagram illustrating a case where only the
먼저, CDS 동작이 시작되면, 신호를 리드 하기에 앞서 선택 신호 LX가 하이 레벨로 활성화되어 선택 트랜지스터(106)가 턴 온 된다. 그리고, 감도조정신호 DFDG가 하이 레벨로 활성화되어 감도 조정 스위치(100)가 턴 온 된다. First, when the CDS operation starts, the select signal LX is activated to a high level before the signal is read, and the
이후에, CDS 동작을 수행하기 위해 제 1전송 신호 TX_LS가 하이 레벨로 활성화되면 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110) 중 제 1전송 스위치(108)만 턴 온 되어 신호 차지를 리드한다.Thereafter, when the first transmission signal TX_LS is activated to a high level to perform the CDS operation, only the
이때, CDS 동작을 수행하는 중에는 감도조정신호 DFDG, 제 1전송 신호 TX_LS가 하이 레벨이 되도록 하여 감도 조정 스위치(100), 제 1전송 스위치(108)를 턴 온 시킨다. At this time, while performing the CDS operation, the sensitivity adjustment signal DFDG and the first transmission signal TX_LS are turned to a high level to turn on the
이후에, CDS 동작이 종료되면, 선택신호 LX가 로우 레벨로 비활성화되어 선택 스위치(106)가 턴 오프 된다. 다음에, 제 1전송 신호 TX_LS가 로우 레벨로 비활성화되어 제 1전송 스위치(108)가 턴 오프 된다. Thereafter, when the CDS operation ends, the selection signal LX is deactivated to a low level so that the
이어서, 아날로그 디지털 변환(ADC) 동작을 통해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 이미지 신호를 획득하게 된다. ADC 동작이 종료된 이후에 감도조정신호 DFDG가 다시 하이 레벨로 활성화되어 감도 조정 스위치(100)가 턴 온 상태가 된다. Subsequently, an analog signal is converted into a digital signal through an analog to digital conversion (ADC) operation to obtain an image signal. After the ADC operation is completed, the sensitivity adjustment signal DFDG is activated again to a high level, so that the
도 10은 고조도에서 이미지 센서의 동작 타이밍도를 나타낸 다른 실시예이다. 도 10은 고조도에서 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110)를 모두 턴 온 시키는 경우를 나타낸 동작 타이밍도이다. 전반적인 설명은 도 9의 고조도 상태에서의 동작 타이밍도와 유사하고, 도 10의 실시예에서는 고조도에서 동작이 상이한 부분만 설명하기로 한다. 10 is another embodiment illustrating an operation timing diagram of an image sensor at high illumination. FIG. 10 is an operation timing diagram illustrating a case in which both the
먼저, CDS 동작이 시작되면, 신호를 리드 하기에 앞서 선택 신호 LX가 하이 레벨로 활성화되어 선택 트랜지스터(106)가 턴 온 된다. 그리고, 감도조정신호 DFDG가 하이 레벨로 활성화되어 감도 조정 스위치(100)가 턴 온 된다. First, when the CDS operation starts, the select signal LX is activated to a high level before the signal is read, and the
이후에, CDS 동작을 수행하기 위해 제 1전송 신호 TX_LS, 제 2전송 신호 TX_HS가 모두 하이 레벨로 활성화되면 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110)가 모두 턴 온 되어 신호 차지를 리드한다.Subsequently, when both the first transmission signal TX_LS and the second transmission signal TX_HS are activated to a high level to perform the CDS operation, the
이때, CDS 동작을 수행하는 중에는 감도조정신호 DFDG, 제 1전송 신호 TX_LS, 제 2전송 신호 TX_HS가 하이 레벨이 되도록 하여 감도 조정 스위치(100), 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110)를 모두 턴 온 시킨다. At this time, during the CDS operation, the sensitivity adjustment signal DFDG, the first transmission signal TX_LS, and the second transmission signal TX_HS are at a high level so that the
도 11은 포토 다이오드 PD가 노출되는 입사 광량에 따라 각 모드에서의 픽셀 출력(PIXEL OUTPUT)을 나타낸 도면이다. FIG. 11 is a diagram illustrating a pixel output (PIXEL OUTPUT) in each mode according to the amount of incident light to which the photodiode PD is exposed.
먼저, (H)는 입사 광량이 낮은 저조도 상태를 나타낸다. 저조도인 고 감도 모드에서는 감도조정신호 DFDG가 로우 레벨로 비활성화되어 감도 조정 스위치(100)가 턴 오프 상태가 된다. 이러한 경우 픽셀의 출력 값, 즉, 상술된 전압 V의 값이 높아지게 된다. First, (H) represents a low illuminance state in which the incident light amount is low. In the low illumination high sensitivity mode, the sensitivity adjustment signal DFDG is deactivated to a low level so that the
즉, 저조도에서는 노출 시간이 길고 고 감도 모드로 동작함으로써 저조도 특성을 향상시킬 수 있도록 한다. That is, in low light, the exposure time is long and the low light characteristics can be improved by operating in the high sensitivity mode.
반면에, (I)는 입사 광량이 높은 고조도 상태를 나타낸다. 고조도인 저 감도 모드에서는 감도조정신호 DFDG가 하이 레벨로 활성화되어 감도 조정 스위치(100)가 턴 온 상태가 된다. 이러한 경우 픽셀의 출력 값, 즉, 상술된 전압 V의 값이 상대적으로 낮아지게 된다.On the other hand, (I) represents a high illuminance state in which the incident light amount is high. In the high illuminance low sensitivity mode, the sensitivity adjustment signal DFDG is activated to a high level so that the
즉, 고조도에서는 저감도 모드로 동작함으로써 플리커 리스 범위(Flicker less range)를 넓힘으로써 전체적인 다이나믹 범위를 확보할 수 있도록 한다. That is, at high light intensity, it operates in a low sensitivity mode, thereby broadening the flicker less range, thereby ensuring the overall dynamic range.
그리고, 입사 광량이 (J)에서와 같이 저조도 상태와 고조도 상태 사이의 레벨에 있을 경우에는, 픽셀의 출력이 일정한 전압 레벨이 된다. 따라서, 본 발명에서는 플리커 리스 범위(Flicker less range)를 넓게 확보하여 다이나믹 범위가 (J)에서와 같이 확장될 수 있게 된다. Then, when the incident light amount is at a level between the low light condition and the high light condition as in (J), the output of the pixel is at a constant voltage level. Therefore, in the present invention, the flicker less range can be secured widely so that the dynamic range can be extended as in (J).
Claims (16)
제 1전송 신호에 따라 상기 포토 다이오드에 저장된 광 전하를 제 1플로팅 확산 노드로 전송하는 제 1전송 스위치;
제 2전송 신호에 따라 상기 포토 다이오드에 저장된 광 전하를 제 2플로팅 확산 노드로 전송하는 제 2전송 스위치;
감도조정신호에 따라 상기 제 1플로팅 확산 노드와 상기 제 2플로팅 확산 노드 사이의 연결을 선택적으로 제어하는 감도 조정 스위치;
상기 제 2플로팅 확산 노드에 인가된 전하를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 구동 트랜지스터;
상기 제 1플로팅 확산 노드의 전하를 저장하는 제 1커패시터; 및
상기 제 2플로팅 확산 노드의 전하를 저장하는 제 2커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. A photo diode for storing an optical charge corresponding to the optical image of the subject;
A first transfer switch transferring the optical charge stored in the photodiode to a first floating diffusion node according to a first transfer signal;
A second transfer switch transferring the optical charge stored in the photodiode to a second floating diffusion node according to a second transfer signal;
A sensitivity adjustment switch for selectively controlling a connection between the first floating diffusion node and the second floating diffusion node according to a sensitivity adjustment signal;
A driving transistor for converting a charge applied to the second floating diffusion node into an electrical signal and outputting the electrical signal;
A first capacitor for storing charge of the first floating diffusion node; And
And a second capacitor for storing charge of the second floating diffusion node.
리셋 신호에 따라 상기 제 2플로팅 확산 노드를 리셋시키는 리셋 트랜지스터; 및
상기 구동 트랜지스터의 출력단에 연결되어 선택 신호에 따라 픽셀 어레이의 로오 라인을 선택하는 선택 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. The method of claim 1,
A reset transistor for resetting the second floating diffusion node according to a reset signal; And
And a selection transistor connected to an output terminal of the driving transistor to select a row line of the pixel array according to a selection signal.
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