KR20210057871A - 이미지 센서, 그것을 포함하는 이미지 장치 및 그것의 동작 방법 - Google Patents

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KR20210057871A
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transistor
node
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윤정빈
김환웅
심은섭
이경호
이홍석
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Abstract

본 발명의 이미지 센서는, 제 1 플로팅 확산 영역 및 제 2 플로팅 확산 영역을 갖는 제 1 픽셀, 제 1 플로팅 확산 영역, 제 2 플로팅 확산 영역, 및 제 3 플로팅 확산 영역을 갖는 제 2 픽셀, 제 1 플로팅 확산 영역, 및 제 2 플로팅 확산 영역을 갖는 제 3 픽셀, 제 1 플로팅 확산 영역, 제 2 플로팅 확산 영역, 및 제 3 플로팅 확산 영역을 갖는 제 4 픽셀을 포함하고, 상기 제 1 픽셀의 상기 제 2 플로팅 확산 영역과 상기 제 2 픽셀의 상기 제 2 플로팅 확산 영역은 제 1 메탈 라인으로 연결되고, 상기 제 2 픽셀의 상기 제 3 플로팅 확산 영역과 상기 제 3 픽셀의 상기 제 3 플로팅 확산 영역은 제 2 메탈 라인으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

이미지 센서, 그것을 포함하는 이미지 장치 및 그것의 동작 방법{IMAGE SENOSOR, IMAGE DEVICE HAVING THE SAME, AND OPERATING METHOD THEROF}
본 발명은 이미지 센서, 그것을 포함하는 이미지 장치, 및 그것의 동작 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시킨다. 최근 들어 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대하고 있다. 이미지 센서로는 전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device) 및 CMOS 이미지 센서가 있다. 이 중, CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고, 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하다. CMOS 이미지 센서는 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 또한, CMOS 이미지 센서는 CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 따라서, CMOS 이미지 센서는 기술 개발과 함께 고해상도가 구현 가능함에 따라 그 사용이 급격히 늘어나고 있다.
본 발명의 목적은 동작 모드에 따라 변환 이득을 제어하는 이미지 센서, 그것을 포함하는 이미지 장치 및 그것의 동작 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는, 제 1 플로팅 확산 영역 및 제 2 플로팅 확산 영역을 갖는 제 1 픽셀; 제 1 플로팅 확산 영역, 제 2 플로팅 확산 영역, 및 제 3 플로팅 확산 영역을 갖는 제 2 픽셀; 제 1 플로팅 확산 영역, 및 제 2 플로팅 확산 영역을 갖는 제 3 픽셀; 제 1 플로팅 확산 영역, 제 2 플로팅 확산 영역, 및 제 3 플로팅 확산 영역을 갖는 제 4 픽셀을 포함하고, 상기 제 1 픽셀의 상기 제 2 플로팅 확산 영역과 상기 제 2 픽셀의 상기 제 2 플로팅 확산 영역은 제 1 메탈 라인으로 연결되고, 상기 제 2 픽셀의 상기 제 3 플로팅 확산 영역과 상기 제 3 픽셀의 상기 제 3 플로팅 확산 영역은 제 2 메탈 라인으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 다른 이미지 센서는, 제 1 픽셀; 제 2 픽셀; 제 3 픽셀; 및 제 4 픽셀을 포함하고, 상기 제 1 내지 제 4 픽셀들의 각각은, 전달 게이트 신호에 응답하여 적어도 하나의 포토 다이오드와 제 1 플로팅 확산 노드를 연결하는 제 1 트랜지스터; 제 1 변환 이득 신호에 응답하여 상기 제 1 플로팅 확산 노드와 제 2 플로팅 확산 노드를 연결하는 제 2 트랜지스터; 상기 2 플로팅 확산 노드에 연결된 드레인을 갖는 제 3 트랜지스터; 픽셀 구동 전압을 제공하는 전원단에 연결된 소스 및 상기 제 1 플로팅 확산 노드에 연결된 게이트를 갖는 제 4 트랜지스터; 및 상기 제 4 트랜지스터의 드레인에 연결된 소스, 컬럼 라인에 연결된 드레인 및 선택 신호를 수신하는 게이트를 갖는 제 5 트랜지스터를 포함하고, 상기 제 1 픽셀의 상기 2 플로팅 확산 노드와 상기 제 2 픽셀의 상기 제 2 플로팅 확산 노드는 메탈 라인으로 연결되고, 상기 제 3 픽셀의 제 2 플로팅 확산 노드와 상기 제 4 픽셀의 상기 제 2 플로팅 확산 노드는 메탈 라인으로 연결되고, 상기 제 2 픽셀의 제 3 플로팅 확산 노드와 상기 제 3 픽셀의 제 3 플로팅 확산 노드는 메탈 라인으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 장치는, 복수의 로우 라인들과 복수의 컬럼 라인들 사이에 배치된 복수의 픽셀들을 갖는 적어도 하나의 픽셀 어레이; 상기 적어도 하나의 픽셀 어레이를 로우 단위로 구동하는 로우 드라이버; 상기 적어도 하나의 픽셀 어레이로부터 생성된 아날로그 픽셀 신호를 디지털 신호로 변환 및 출력하는 리드아웃 회로; 상기 리드아웃 회로로부터 수신한 디지털 신호를 저장하는 컬럼 드라이버; 상기 로우 드라이버, 상기 리드아웃 회로 및 상기 컬럼 드라이버의 동작 타이밍을 제어하는 타이밍 제어기를 포함하고, 상기 타이밍 제어기는 적어도 3개의 동작 모드들에 따라 상기 복수의 픽셀들의 각각의 변환 이득을 가변하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 장치의 동작 방법은, 이미지 센서에서 동작 모드를 수신하는 단계; 및 상기 수신된 동작 모드에 따라 픽셀 그룹의 플로팅 확산 영역의 크기를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 동작 모드는 적어도 3개인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서, 그것을 포함하는 이미지 장치, 및 그것의 동작 방법은, 3개 이상의 동작 모드에 따라 픽셀의 플로팅 확산 영역의 크기를 제어함으로써 변환 이득을 제어할 수 있다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 실시 예에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 실시 예들을 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 장치(10)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서(100)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀 그룹(PXG)을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 픽셀 그룹(PXG)에 대한 회로를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 픽셀 그룹(PXGa)을 예시적으로 보여주는 도면들이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 또 다른 실시 예에 따른 픽셀 그룹(PXGb)을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 픽셀 그룹(PXGc)을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 8a는 2x2 베이어(bayer) 패턴으로 구성된 픽셀을 보여주는 도면이고, 도 8b는 4x4 테트라(tetra) 패턴으로 구성된 픽셀을 보여주는 도면이고, 도 8c는 8x8 Q-cell 패턴으로 구성된 픽셀을 보여주는 도면이고, 도 8d는 적외선(Infrared Light; IR) 서브 픽셀을 갖는 픽셀을 보여주는 도면이다.
도 9a는 각 컬러 서브 픽셀에 대응하는 렌즈를 구비하는 테트라 픽셀을 보여주는 도면이고, 도 9b는 4개의 동일 컬러 서브 픽셀들에 대응하는 렌즈를 구비하는 테트라 픽셀을 보여주는 도면이고, 도 9c는 1x1 서브 픽셀에 대응하는 렌즈를 구비하는 4x4 컬러 필터 픽셀을 보여주는 도면이고, 도 9d는 2x2 서브 픽셀에 대응하는 4x4 컬러 필터 픽셀을 보여주는 도면이고, 도 9e는 4x4 서브 픽셀에 대응하는 4x4 컬러 필터 픽셀을 보여주는 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 2-PD 구조의 픽셀들을 예시적으로 보여주는 도면들이다.
도 11a는 제 1 동작 모드에 따른 픽셀의 동작 타이밍도이고, 도 11b는 제 2 동작 모드에 따른 픽셀의 동작 타이밍도이고, 도 11c는 제 3 동작 모드에 따른 픽셀의 동작 타이밍도이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀 그룹의 픽셀들(PX1 ~ PX4)의 각각의 플로팅 확산 노드들(FD1, FD2, FD3)에 연결에 따른 커패시턴스의 변화를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 13a는 제 1 동작 모드에 따라 픽셀에 대응하는 플로팅 확산 영역의 크기(FD1)를 예시적으로 보여주는 도면이고, 도 13b는 제 2 동작 모드에 따라 픽셀에 대응하는 플로팅 확산 영역의 크기(FD1 + 2FD2)를 보여주는 도면이고, 도 13c는 제 3 동작 모드에 따라 픽셀에 대응하는 플로팅 확산 영역의 크기(FD1 + 4FD + 2FD3) 를 보여주는 도면이다.
도 14a는 영상 촬영 모드일 때, 단위 픽셀에서 영상 신호를 생성하는 과정을 시간 순서대로 보여주는 도면이고, 도 14b는 영상 인식 모드일 때, 단위 픽셀에서 영상 신호를 생성하는 과정을 시간 순서대로 보여주는 도면이다.
도 15a, 도 15b, 및 도 15c는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 픽셀들(PXGd, PXGe, PXGf)을 예시적으로 보여주는 도면들이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀 그룹의 레이아웃 배치에 대한 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 이미지 센서(300)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치(1000)를 예시적으로 보여주는 블록이다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 실시 예에 따른 모바일 장치(2000)를 간단하게 나타낸 도면들이다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 장치(10)의 동작 방법을 예시적으로 보여주는 도면이다.
아래에서는 도면들을 이용하여 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 내용을 명확하고 상세하게 기재할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 장치(10)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 이미지 장치(10)는 이미지 센서(100) 및 이미지 신호 처리기(200, ISP)를 포함할 수 있다.
이미지 센서(100)는 객체를 감지하도록 구현될 수 있다. 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 로우 드라이버(120), 리드아웃 회로(130), 컬럼 드라이버(140), 및 타이밍 제어기(150)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 복수의 로우 라인들(row lines)과 복수의 컬럼 라인들(column lines)을 따라서 어레이 형태로 배치되는 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들의 각각은 특정한 빛의 파장들을 통과시키기 위해 컬러 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터는 가시광 영역의 파장들 중에서 레드 영역의 파장들을 통과시키는 레드 필터, 가시광 영역의 파장들 중에서 그린 영역의 파장들을 통과시키는 그린 필터, 혹은 가시광 영역의 파장들 중에서 블루 영역의 파장들을 통과시키는 블루 필터 중 적어도 하나일 수 있다. 또한, 컬러 필터는 사이언 필터(cyan filter), 옐로우 필터(yellow filter) 및 마젠타 필터(magenta filter) 중에서 적어도 하나일 수 있다.
실시 예에 있어서, 복수의 픽셀들의 각각은 광전 변환 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 픽셀들의 각각(PX)은, 외부에서 입사하는 광 신호에 응답하여 전하를 생성하는 포토 다이오드, 및 포토 다이오드로부터 생성된 전하에 대응하는 전기 신호를 생성하는 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 여기서, 포토 다이오드는 PN 접합 사이에 진성(intrinsic) 반도체 층이 삽입된 구조인 PIN 포토 다이오드일 수 있다. 또한, 포토 다이오드는 PN 접합 사이에 사태(avalanche) 층이 존재하는 APD 포토 다이오드일 수 있다.
실시 예에 있어서, 복수의 픽셀들의 각각은, 적어도 2개의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 픽셀들의 각각은 여러 색상의 빛에 대응하는 픽셀 신호를 생성하거나 자동 초점(auto focus) 기능을 제공하도록, 적어도 2개의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다.
또한, 복수의 픽셀들의 각각은 포토 다이오드들이 생성하는 전하로부터 픽셀 신호를 생성하기 위한 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 여기서, 픽셀 회로는 전송 트랜지스터, 구동(소스-팔로워) 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 적어도 하나의 변환 이득 트랜지스터를 포함할 수 있다. 픽셀 회로는 복수의 픽셀들의 각각으로부터 리셋 전압과 픽셀 전압을 검출하고, 그 차이를 계산함으로써 픽셀 신호를 획득할 수 있다. 픽셀 전압은, 복수의 픽셀들의 각각에 포함된 포토 다이오드들에서 생성된 전하에 대응하는 전압일 수 있다.
실시 예에 있어서, 서로 인접한 적어도 2개의 픽셀들은 하나의 픽셀 그룹을 구성할 수 있다. 여기서 픽셀 그룹에 포함되는 2개 이상 픽셀들은 전송 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 및 변환 이득 트랜지스터 중 적어도 일부를 서로 공유할 수 있다.
로우 드라이버(120)는 픽셀 어레이(110)를 로우 단위로 구동하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(120)는 픽셀 회로의 전송 트랜지스터를 제어하는 전송 제어 신호, 리셋 트랜지스터를 제어하는 리셋 제어 신호, 혹은 선택 트랜지스터를 제어하는 선택 제어 신호를 생성할 수 있다.
리드아웃 회로(130)는 픽셀 어레이(110)로부터 생성된 아날로그 픽셀 신호를 디지털 신호로 변환 및 출력하도록 구현될 수 있다. 리드아웃 회로(130)는 샘플링 회로, 아날로그-디지털 컨버터(analog-to-digital converter, ADC)을 포함할 수 있다. 샘플링 회로는 복수의 샘플러들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 샘플러는 상관 이중 샘플러(correlated double sampler; CDS)일 수 있다. 샘플러는, 로우 드라이버(120)가 선택하는 로우 라인에 포함되는 픽셀들과 컬럼 라인들을 통해 연결되고, 대응하는 픽셀들로부터 리셋 전압 및 픽셀 전압을 검출할 수 있다. 샘플러들은, 리셋 전압과 픽셀 전압 각각을 램프 전압과 비교하고, 그 결과를 출력할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터는 샘플러들이 출력하는 비교 결과를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터는 상관 이중 샘플러가 검출한 리셋 전압 및 픽셀 전압을 디지털 신호로 변환하여 컬럼 드라이버(140)에 전달할 수 있다.
컬럼 드라이버(140)는 디지털 신호를 임시로 저장할 수 있는 래치 혹은 버퍼 회로와 증폭 회로 등을 포함할 수 있다. 컬럼 드라이버(140)는 리드아웃 회로(130)로부터 수신한 디지털 신호를 처리할 수 있다.
타이밍 제어기(150)는, 로우 드라이버(120), 리드아웃 회로(130), 혹은 컬럼 드라이버(140)의 동작 타이밍을 제어하도록 구현될 수 있다. 특히, 타이밍 제어기(150)는 3개 이상의 동작 모드들에 따라 픽셀의 변환 이득을 가변하도록 동작 타이밍을 제어할 수 있다. 실시 예에 있어서, 타이밍 제어기(150)는 동작 모드에 따라 픽셀 주변의 정션 캐퍼시턴스(junction capacitance) 혹은 메탈 캐퍼시턴스(metal capacitance)를 이용하여 캐퍼시턴스 비율을 조절함으로써, 픽셀의 변환 이득을 제어할 수 있다. 예를 들어, 타이밍 제어기(150)는 동작 모드에 따라 픽셀 내부의 적어도 하나의 트랜지스터를 온/오프 시킴으로써 변환 이득에 대응하는 플로팅 확산(floating diffusion) 영역 혹은 전하 저장(charge storage) 영역의 크기를 가변할 수 있다.
이미지 신호 처리기(200)는 리드아웃 회로(130)로부터 출력되는 이미지 데이터를 처리하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 이미지 신호 처리기(200)는 이미지 데이터를 처리하여 결과 이미지를 생성하고, 결과 이미지를 디스플레이로 전송하거나 메모리로 저장시킬 수 있다. 예를 들어, 이미지 신호 처리기(200)는 수신된 프레임 데이터에 대하여 컬러 인터폴레이션(color interpolation), 컬러 보정(color correction), 감마 보정(gamma correction), 컬러 공간 변환(color space conversion), 에지 보정 등과 같은 신호 처리 동작을 수행하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 장치(10)는, 3개 이상의 동작 모드들에 따라 변환 이득을 제어하는 픽셀들을 갖는 이미지 센서(100)를 구비함으로써, 촬영 모드별 SNR(signal-to-noise ratio), 다이나믹 레인지(dynamic range) 관점에서 최적화를 달성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서(100)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 로우 드라이버(120), 및 리드아웃 회로(130)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 복수의 로우 라인들(ROW)과 복수의 컬럼 라인들(CL)의 교차점들에 마련되는 복수의 픽셀들(PX11-PXMN)을 포함할 수 있다.
로우 드라이버(120)는 복수의 로우 라인들(ROW)을 통해 복수의 픽셀들(PX11-PXMN)을 제어하는 데에 필요한 신호를 입력할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(120)는 복수의 로우 라인들(ROW)을 통해 복수의 픽셀들(PX11-PXMN)에 리셋 제어 신호(RG), 전송 제어 신호(TG), 혹은 선택 제어 신호(SEL)를 제공할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 복수의 로우 라인들(ROW)의 각각을 순차적으로 선택할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 소정의 수평 주기 동안 복수의 로우 라인들(ROW) 중 하나를 선택할 수 있다.
리드아웃 회로(130)는 램프 전압 생성기(131), 샘플링 회로(132) 및 아날로그-디지털 컨버터(133)를 포함할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(133)가 출력하는 데이터(DATA)는 컬럼 드라이버(140, 도 1 참조)에 입력될 수 있다.
램프 전압 생성기(131)는 램프 활성화 신호에 응답하여 램프 신호(RMP)를 생성하도록 구현될 수 있다. 여기서 램프 신호(RMP)는 시간에 비례하여 전압이 증가하거나 감소하는 형태의 신호이다.
샘플링 회로(132)는, 복수의 픽셀들(PX11 - PXMN) 중에서, 로우 드라이버(120)가 스캔한 로우 라인에 연결된 일부의 픽셀들로부터 리셋 전압과 픽셀 전압을 획득할 수 있다. 샘플링 회로(132)는 복수의 샘플러들(SA)을 포함하며, 복수의 샘플러들(SA)은 상관 이중 샘플러일 수 있다. 샘플러들(SA) 각각은, 제 1 입력단을 통해 램프 전압 생성기(131)의 램프 신호(RMP)를 입력받고, 제 2 입력단을 통해 복수의 픽셀들(PX11 ~ PXMN)로부터 리셋 전압/픽셀 전압을 입력 받을 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(133)는 샘플링 회로(132)의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환함으로써 픽셀 데이터(DATA)를 출력할 수 있다.
한편, 이미지 센서(100)는 2-스택 구조로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제 1 층에 픽셀 어레이 및 주변회로(로우 디코더, CDS, ADC)가 배치되고, 제 2층에 로직 회로(전원회로, I/O 인터페이스, ISP 등등)이 구성될 수 있다. 다른 예에 있어서, 제 1 층에 픽셀 어레이만 배치하고, 제 2 층에 주변 회로 및 로직 회로가 배치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀 그룹(PXG)을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 픽셀 그룹(PXG)은 4개의 픽셀들(PX1, PX2, PX3, PX4)을 포함할 수 있다. 픽셀 그룹(PXG)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 종류의 픽셀들(PX1, PX4) 및 제 2 종류의 픽셀들(PX2, PX3)을 포함할 수 있다.
제 1 종류의 픽셀들(PX1, PX4)의 각각은 포토 다이오드(PD), 전달 게이트 신호(TG)에 응답하여 턴-온하는 전달 트랜지스터, 리셋 게이트 신호(RG)에 응답하여 턴-온하는 리셋 트랜지스터, 제 1 변환 이득 신호(CGS1)에 응답하여 턴-온하는 제 1 변환 이득 트랜지스터를 포함할 수 있다. 여기서 리셋 트랜지스터의 드레인은 픽셀 구동 전압(VPIX)에 연결될 수 있다. 실시 예에 있어서, 전달 트랜지스터와 제 1 변환 이득 트랜지스터 사이에 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)에 대응하는 제 1 플로팅 확산 영역(111-1 혹은 114-1)이 존재할 수 있다. 실시 예에 있어서, 제 1 변환 이득 트랜지스터와 리셋 트랜지스터 사이에 제 2 플로팅 확산 노드(FD2)에 대응하는 제 2 플로팅 확산 영역(111-2 혹은 114-2)이 존재할 수 있다. 제 1 종류의 픽셀들(PX1, PX4)의 각각은 2개의 플로팅 확산 영역들(111-1, 111-2; 114-1, 114-2)을 포함할 수 있다.
제 1 변환 이득 트랜지스터는 제 1 변환 이득 신호(CGS1)에 응답하여 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)와 제 2 플로팅 확산 노드(FD2)를 전기적으로 연결함으로써, 대응하는 픽셀의 전체적인 플로팅 확산 영역의 캐퍼시턴스를 조절할 수 있다.
실시 예에 있어서, 제 1 픽셀(PX1)의 제 2 플로팅 확산 노드(FD2; 111-2)는 메탈 라인(101-1)을 통하여 제 2 픽셀(PX2)의 제 2 플로팅 확산 노드(FD2; 112-2)에 연결될 수 있다. 실시 예에 있어서, 제 3 픽셀(PX3)의 제 2 플로팅 확산 노드(FD2; 113-2)는 메탈 라인(101-2)을 통하여 제 4 픽셀(PX4)의 제 2 플로팅 확산 노드(FD2; 114-2)에 연결될 수 있다.
또한, 제 2 종류의 픽셀들(PX2, PX3)의 각각은 포토 다이오드(PD), 전달 게이트 신호(TG)에 응답하여 턴-온하는 전달 트랜지스터, 제 1 변환 이득 신호(CGS1)에 응답하여 턴-온하는 제 1 변환 이득 트랜지스터, 및 제 2 변환 이득 신호(CGS2)에 응답하여 턴-온하는 제 2 변환 이득 트랜지스터를 포함할 수 있다. 실시 예에 있어서, 전달 트랜지스터와 제 1 변환 이득 트랜지스터 사이에 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)에 대응하는 제 1 플로팅 확산 영역(112-1 혹은 113-1)이 존재할 수 있다. 실시 예에 있어서, 제 1 변환 이득 트랜지스터와 제 2 변환 이득 트랜지스터 사이에 제 2 플로팅 확산 노드(FD2)에 대응하는 제 2 플로팅 확산 영역(112-2 혹은 113-2)이 존재할 수 있다. 실시 예에 있어서, 제 2 변환 이득 트랜지스터의 드레인에 제 3 플로팅 확산 노드(FD3)에 대응하는 제 3 플로팅 확산 영역(112-3 혹은 113-3)이 존재할 수 있다. 제 2 종류의 픽셀들(PX2, PX3)의 각각은 3개의 플로팅 확산 영역들(112-1, 112-2, 112-3; 113-1, 113-2, 113-3)을 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 제 2 픽셀(PX2)의 제 3 플로팅 확산 노드(FD3; 112-3)는 메탈 라인(102)을 통하여 제 3 픽셀(PX3)의 제 3 플로팅 확산 노드(FD3; 113-3)에 연결될 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 픽셀 그룹(PXG)은, 서로 대칭적으로 구현된 이웃한 픽셀 쌍들(PX1-PX2, PX2-PX3, PX3-PX4)을 포함할 수 있다. 하지만, 본 발명의 픽셀 그룹(PXG)이 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다.
한편, 도 3에 도시된 픽셀 그룹(PXG)은 4개의 픽셀들(PX1 ~ PX4)로 구성되고 있지만, 본 발명의 픽셀 그룹이 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다. 본 발명의 픽셀 그룹(PXG)은, 적어도 하나의 변환 이득 트랜지스터를 갖는 픽셀과 이웃한 픽셀을 구비하고, 메탈 라인을 통하여 픽셀과 이웃한 픽셀에서 변환 이득 트랜지스터에 대응하는 플로팅 확산 노드(FD2 혹은 FD3)들을 연결할 수 있는 임의의 구조일 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 픽셀 그룹(PXG)에 대한 회로를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 픽셀 그룹(PXG)은 하나의 컬럼 라인(CL)에 연결된 4개의 픽셀들(PX1 ~ PX4)을 포함할 수 있다.
제 1 픽셀(PX1)은, 하나의 포토 다이오드(PD), 제 1 트랜지스터(T11), 제 2 트랜지스터(T12), 제 3 트랜지스터(T13), 제 4 트랜지스터(T14), 및 제 5 트랜지스터(T15)를 포함할 수 있다. 제 1 트랜지스터(T11)는 포토 다이오드(PD)와 제 1 픽셀(PX1)의 제 1 플로팅 노드(FD1) 사이에 연결되고, 전달 게이트 신호(TG)를 입력 받는 게이트를 포함할 수 있다. 제 2 트랜지스터(T12)는 제 1 픽셀(PX1)의 제 1 플로팅 노드(FD1)와 제 1 픽셀(PX1)의 제 2 플로팅 노드(FD2) 사이에 연결되고, 제 1 변환 이득 신호(CGS1)를 입력 받는 게이트를 포함할 수 있다. 제 3 트랜지스터(T13)는 픽셀 구동 전압(VPIX)과 제 1 픽셀(PX1)의 제 2 플로팅 노드(FD2) 사이에 연결되고, 리셋 게이트 신호(RG)를 입력 받는 게이트를 포함할 수 있다. 제 4 트랜지스터(T14)는 픽셀 구동 전압(VPIX)에 연결된 드레인, 및 제 1 픽셀(PX1)의 제 1 플로팅 노드(FD1)에 연결된 게이트를 포함할 수 있다. 제 5 트랜지스터(T15)는 제 4 트랜지스터(T14)의 소스에 연결된 드레인, 컬럼 라인(CL)에 연결된 소스, 및 선택 신호(SEL)에 연결된 게이트를 포함할 수 있다.
제 2 픽셀(PX2)은, 하나의 포토 다이오드(PD), 제 1 트랜지스터(T21), 제 2 트랜지스터(T22), 제 3 트랜지스터(T23), 제 4 트랜지스터(T24), 및 제 5 트랜지스터(T25)를 포함할 수 있다. 제 1 트랜지스터(T21)는 포토 다이오드(PD)와 제 2 픽셀(PX2)의 제 1 플로팅 노드(FD1) 사이에 연결되고, 전달 게이트 신호(TG)를 입력 받는 게이트를 포함할 수 있다. 제 2 트랜지스터(T22)는 제 2 픽셀(PX2)의 제 1 플로팅 노드(FD1)와 제 2 픽셀(PX2)의 제 2 플로팅 노드(FD2) 사이에 연결되고, 제 1 변환 이득 신호(CGS1)를 입력 받는 게이트를 포함할 수 있다. 여기서 제 2 픽셀(PX2)의 제 2 플로팅 노드(FD2)는 메탈 라인(101-1)을 통하여 제 1 픽셀(PX1)의 제 2 플로팅 노드(FD2)에 연결될 수 있다. 제 3 트랜지스터(T23)는 제 2 픽셀(PX2)의 제 2 플로팅 노드(FD2)와 제 2 픽셀(PX2)의 제 3 플로팅 노드(FD3) 사이에 연결되고, 제 2 변환 이득 신호(CGS2)를 입력 받는 게이트를 포함할 수 있다. 제 4 트랜지스터(T24)는 픽셀 구동 전압(VPIX)에 연결된 드레인, 및 제 2 픽셀(PX2)의 제 1 플로팅 노드(FD1)에 연결된 게이트를 포함할 수 있다. 제 5 트랜지스터(T25)는 제 4 트랜지스터(T24)의 소스에 연결된 드레인, 컬럼 라인(CL)에 연결된 소스, 및 선택 신호(SEL)에 연결된 게이트를 포함할 수 있다.
제 3 픽셀(PX3)은, 하나의 포토 다이오드(PD), 제 1 트랜지스터(T31), 제 2 트랜지스터(T32), 제 3 트랜지스터(T33), 제 4 트랜지스터(T34), 및 제 5 트랜지스터(T35)를 포함할 수 있다. 제 1 트랜지스터(T31)는 포토 다이오드(PD)와 제 3 픽셀(PX3)의 제 1 플로팅 노드(FD1) 사이에 연결되고, 전달 게이트 신호(TG)를 입력 받는 게이트를 포함할 수 있다. 제 2 트랜지스터(T32)는 제 3 픽셀(PX3)의 제 1 플로팅 노드(FD1)와 제 3 픽셀(PX3)의 제 2 플로팅 노드(FD2) 사이에 연결되고, 제 1 변환 이득 신호(CGS1)를 입력 받는 게이트를 포함할 수 있다. 제 3 트랜지스터(T33)는 제 3 픽셀(PX3)의 제 2 플로팅 노드(FD2)와 제 3 픽셀(PX3)의 제 3 플로팅 노드(FD3) 사이에 연결되고, 제 2 변환 이득 신호(CGS2)를 입력 받는 게이트를 포함할 수 있다. 여기서 제 3 픽셀(PX3)의 제 3 플로팅 노드(FD3)는 메탈 라인(102)을 통하여 제 2 픽셀(PX2)의 제 3 플로팅 노드(FD3)에 연결될 수 있다. 제 4 트랜지스터(T34)는 픽셀 구동 전압(VPIX)에 연결된 드레인, 및 제 3 픽셀(PX3)의 제 1 플로팅 노드(FD1)에 연결된 게이트를 포함할 수 있다. 제 5 트랜지스터(T35)는 제 4 트랜지스터(T34)의 소스에 연결된 드레인, 컬럼 라인(CL)에 연결된 소스, 및 선택 신호(SEL)에 연결된 게이트를 포함할 수 있다.
제 4 픽셀(PX4)은, 하나의 포토 다이오드(PD), 제 1 트랜지스터(T41), 제 2 트랜지스터(T42), 제 3 트랜지스터(T43), 제 4 트랜지스터(T44), 및 제 5 트랜지스터(T45)를 포함할 수 있다. 제 1 트랜지스터(T41)는 포토 다이오드(PD)와 제 4 픽셀(PX4)의 제 1 플로팅 노드(FD1) 사이에 연결되고, 전달 게이트 신호(TG)를 입력 받는 게이트를 포함할 수 있다. 제 2 트랜지스터(T42)는 제 4 픽셀(PX4)의 제 1 플로팅 노드(FD1)와 제 4 픽셀(PX4)의 제 2 플로팅 노드(FD2) 사이에 연결되고, 제 1 변환 이득 신호(CGS1)를 입력 받는 게이트를 포함할 수 있다. 제 3 트랜지스터(T43)는 픽셀 구동 전압(VPIX)과 제 4 픽셀(PX4)의 제 2 플로팅 노드(FD2) 사이에 연결되고, 리셋 게이트 신호(RG)를 입력 받는 게이트를 포함할 수 있다. 여기서 제 4 픽셀(PX4)의 제 2 플로팅 노드(FD2)는 메탈 라인(101-2)을 통하여 제 3 픽셀(PX3)의 제 2 플로팅 노드(FD2)에 연결될 수 있다. 제 4 트랜지스터(T44)는 픽셀 구동 전압(VPIX)에 연결된 드레인, 및 제 4 픽셀(PX4)의 제 1 플로팅 노드(FD1)에 연결된 게이트를 포함할 수 있다. 제 5 트랜지스터(T45)는 제 4 트랜지스터(T44)의 소스에 연결된 드레인, 컬럼 라인(CL)에 연결된 소스, 및 선택 신호(SEL)에 연결된 게이트를 포함할 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 픽셀들(PX1 ~ PX4)의 각각은 5개의 트랜지스터들을 포함하고 있다. 하지만, 본 발명의 픽셀을 구성하는 트랜지스터의 개수가 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다.
한편, 도 4에 도시된 픽셀들(PX1 ~ PX4)의 각각은 하나의 포토 다이오드에 연결되고 있다. 하지만, 본 발명의 픽셀이 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 픽셀 그룹(PXGa)을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 5a를 참조하면, 픽셀 그룹(PXGa)은 도 4에 도시된 픽셀 그룹(PXG)과 비교하여, 제 1 플로팅 노드(FD1)에 연결된 복수의 포토 다이오드들을 포함하고 있다. 도 5a에 도시된 픽셀 그룹(PXG)의 픽셀들은 포토 다이오드 비공유(non-shared) 구조의 픽셀들이고, 도 5b에 도시된 픽셀 그룹(PXGa')의 픽셀들은 하나의 포토 다이오드를 공유하는 공유(shared) 구조의 픽셀들이다.
한편, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제 1 전달 게이트 신호(TG1) 내지 제 k (2 이상의 정수)전달 게이트 신호(TGk)에 응답하여 대응하는 포토 다이오드는 대응하는 플로팅 확산 노드에 연결될 수 있다.
한편, 도 4, 도 5a 및 도 5b에 도시된 픽셀 그룹들(PXG, PXGa, PXGa')의 각각은 하나의 컬럼 라인(CL)에 복수의 픽셀들이 연결되고 있다. 하지만, 본 발명의 픽셀 그룹이 여기에 제한되지 않을 것이다. 본 발명의 픽셀 그룹은 각 픽셀이 각각의 컬럼 라인으로 연결될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 또 다른 실시 예에 따른 픽셀 그룹(PXGb)을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 픽셀 그룹(PXGb)은 도 4에 도시된 픽셀 그룹(PXGa)과 비교하여 컬럼 라인들(CL1 ~ CL4)의 각각에 연결된 대응하는 픽셀의 선택 트랜지스터의 출력단을 포함할 수 있다. 즉, 픽셀 그룹(PXGb)의 픽셀들의 각각은 대응하는 컬럼 라인에 연결될 수 있다.
한편, 도 3 내지 도 6에 도시된 픽셀 그룹들(PXG, PXGa, PXGb)의 각각은 서로 대칭적인 구조로 구현된 픽셀과 이웃 픽셀을 포함하고 있다. 하지만, 본 발명의 픽셀 그룹이 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다. 본 발명의 픽셀 그룹은 동일한 구조의 픽셀들로 구현될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 픽셀 그룹(PXGc)을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 7을 참조하면, 픽셀 그룹(PXGc)은 도 3에 도시된 픽셀 그룹(PXG)과 다르게 동일한 구조의 제 4 개의 픽셀들(PX1a, PX2a, PX3a, PX4a)을 포함할 수 있다.
한편, 도 3 내지 도 7에 도시된 픽셀 그룹들(PXG, PXGa, PXGb, PXGc)의 각각은 4개의 픽셀들을 포함하고 있다. 하지만, 본 발명의 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들의 개수가 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀 그룹은 다양한 컬러 패턴으로 구현될 수 있다.
도 8a는 2x2 베이어(bayer) 패턴으로 구성된 픽셀을 보여주는 도면이고, 도 8b는 4x4 테트라(tetra) 패턴으로 구성된 픽셀을 보여주는 도면이고, 도 8c는 8x8 Q-cell 패턴으로 구성된 픽셀을 보여주는 도면이고, 도 8d는 적외선(Infrared Light; IR) 서브 픽셀을 갖는 픽셀을 보여주는 도면이다.
한편, 도 8a, 도 8b, 도 8c 및 도 8d에 도시된 베이어 패턴은, 레드 서브 픽셀(R), 블루 서브 픽셀(B), 그린 서브 픽셀(G)을 포함하고 있다. 하지만, 본 발명의 베이어 패턴이 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다. 본 발명의 베이어 패턴은, 레드 서브 픽셀(R), 블루 서브 픽셀(B), 그린 서브 픽셀(G), 혹은 화이트 서브 픽셀(W)을 적절하게 배치함으로써 다양하게 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀 그룹은 다양한 크기의 렌즈를 포함할 수 있다.
도 9a는 각 컬러 서브 픽셀에 대응하는 렌즈를 구비하는 테트라 픽셀을 보여주는 도면이고, 도 9b는 4개의 동일 컬러 서브 픽셀들에 대응하는 렌즈를 구비하는 테트라 픽셀을 보여주는 도면이고, 도 9c는 1x1 서브 픽셀에 대응하는 렌즈를 구비하는 4x4 컬러 필터 픽셀을 보여주는 도면이고, 도 9d는 2x2 서브 픽셀에 대응하는 4x4 컬러 필터 픽셀을 보여주는 도면이고, 도 9e는 4x4 서브 픽셀에 대응하는 4x4 컬러 필터 픽셀을 보여주는 도면이다.
한편, 도 9a, 도 9b, 도 9c, 도 9d, 및 도 9e에 도시된 컬러 필터 픽셀 및 그것에 대응하는 렌즈의 크기는 실시 예들에 불과하다고 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀은 하나의 플로팅 확산 영역을 공유하는 2-PD 구조로 구현될 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 2-PD 구조의 픽셀들을 예시적으로 보여주는 도면들이다. 도 10a을 참조하면, 2-PD 픽셀은 In-Pixel DTI(Deep Trench Isolation)에 의해 좌측 PD와 우측 PD를 분리하고, 도 10b을 참조하면 2-PD 픽셀은 PN 정션에 의해 좌측 PD와 우측 PD를 분리할 수 있다.
플로팅 확산 영역(FD)은 픽셀에 배치된 한 쌍의 좌측 PD와 우측 PD와 공통으로 연결될 수 있다. 즉, 제 1 플로팅 확산 영역(FD1)은 4개의 광전 변환 소자들과 공통으로 연결될 수 있다. 플로팅 확산 영역(FD)은 예를 들어, N형의 불순물을 포함할 수 있다. 제 1 픽셀(PX1)의 기판 상에 배치된 제 1 및 제 2 전달 게이트(TG1, TG2) 및 제 2 픽셀(PX2)의 기판 상에 배치된 제 1 및 제 2 전달 게이트들(TG1, TG2)은 플로팅 확산 영역(FD)을 공유할 수 있다.
한편, 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 동작 모드에 따라 변환 이득 신호들(CGS1, CGS2)을 다르게 제어할 수 있다.
도 11a는 제 1 동작 모드에 따른 픽셀의 동작 타이밍도이고, 도 11b는 제 2 동작 모드에 따른 픽셀의 동작 타이밍도이고, 도 11c는 제 3 동작 모드에 따른 픽셀의 동작 타이밍도이다.
리셋 모드에서, 리셋 게이트 신호(RG), 전하 전달 게이트 신호(TG), 제 1 및 제 2 변환 이득 신호들(CGS1, CGS2)을 활성화함으로써, 리셋 트랜지스터(T13, 도 4 참조) 혹은 전달 트랜지스터(T11, 도 4 참조)가 턴-온 될 수 있다. 이에 따라, 제 1 플로팅 노드(FD1)에 픽셀 구동 전압(VPIX)이 제공되고, 포토 다이오드(PD) 및 플로팅 확산 노드(FD)의 전하들이 초기화될 수 있다. 이후에, 광 집적 모드(EIT)에서 전달 트랜지스터(T11)가 턴-오프된 후 다시 턴-온 될 때까지(즉, 광전 변환 시간 동안), 포토 다이오드(PD)에서 광 전하들이 생성 및 축적될 수 있다.
실시 예에 있어서, 이미지 장치(10, 도 1 참조)의 동작 모드에서 따라 제 1 및 제 2 변환 이득 제어 신호들(CGS1, CGS2)을 제어함으로써, 단위 픽셀들 별로 변환 이득이 가변 될 수 있다. 예를 들어, 도 11a는 제 1 동작 모드에 따라 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)에 대응하는 변환 이득을 갖는 타이밍도이고, 도 11b는 제 2 동작 모드에 따라 제 1 및 제 2 플로팅 확산 노드들(FD1, FD2)에 대응하는 변환 이득을 갖는 타이밍도이고, 도 11c는 제 3 동작 모드에 따라 제 1 내지 제 3 플로팅 확산 노드들(FD1, FD2, FD3)에 대응하는 변환 이득을 갖는 타이밍도이다.
실시 예에 있어서, 제 1 및 제 2 변환 이득 제어 신호들(CGS1, CGS2)의 제어에 따라, 동작하는 픽셀에 대응하는 플로팅 확산 영역의 크기가 결정될 수 있다.
이와 같이, 제 1 및 제 2 픽셀들의 변환 이득을 제어한 후, 리셋 게이트 신호(RG)가 비활성화되고, 이때, 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)의 리셋 전위를 검출하여 기준 신호가 출력될 수 있다. 이후에, 기준 신호를 출력한 후, 전하 전달 게이트 신호(TG)가 활성화될 수 있다. 따라서, 포토 다이오드(PD)에 집적된 광전하들이 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)로 전달될 수 있다. 전달 게이트 신호(TG)가 비활성화된 후, 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)의 전위를 검출함으로써, 픽셀 신호가 출력될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀 그룹의 픽셀들(PX1 ~ PX4)의 각각의 플로팅 확산 노드들(FD1, FD2, FD3)에 연결에 따른 커패시턴스의 변화를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 12에 도시된 바와 같이 제 1 픽셀(PX1)의 제 2 플로팅 확산 노드(FD2)와 제 2 픽셀(PX2)의 제 2 플로팅 확산 노드(FD2)는 메탈 라인으로 연결되고, 제 3 픽셀(PX3)의 제 2 플로팅 확산 노드(FD2)와 제 4 픽셀(PX4)의 제 2 플로팅 확산 노드(FD2)는 메탈 라인으로 연결되고, 제 2 픽셀(PX2)의 제 3 플로팅 확산 노드(FD3)와 제 3 픽셀(PX3)의 제 3 플로팅 확산 노드(FD3)는 메탈 라인으로 연결되어 있다고 가정하겠다. 한편, 적어도 하나의 메탈 라인을 이용하여 플로팅 확산 노드들 사이의 연결은 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다.
제 1 동작 모드에서 제 1 픽셀(PX1)의 제 1 변환 이득 트랜지스터(CGT11)가 턴-오프 될 때, 제 1 픽셀(PX1)의 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)에 대응하는 제 1 커패시턴스(C1)가 형성될 수 있다.
제 2 동작 모드에서 제 1 픽셀(PX1)의 제 1 변환 이득 트랜지스터(CGT11)가 턴-온 되고, 제 2 픽셀(PX2)의 제 2 변환 이득 트랜지스터(CGT22)가 턴-오프 될 때, 제 1 픽셀(PX1)의 제 1 플로팅 확산 노드(FD1), 제 1 픽셀(PX1)의 제 2 플로팅 확산 노드(FD2), 및 제 2 픽셀(PX2)의 제 2 플로팅 확산 노드(FD2)에 대응하는 제 2 커패시턴스(C2)가 형성될 수 있다. 여기서 제 1 픽셀(PX1)의 제 2 플로팅 확산 노드(FD2)와 제 2 픽셀(PX2)의 제 2 플로팅 확산 노드(FD2)는 메탈 라인으로 연결될 수 있다.
제 3 동작 모드에서 제 1 픽셀(PX1)의 제 1 변환 이득 트랜지스터(CGT11)가 턴-온 되고, 제 2 픽셀(PX2)의 제 2 변환 이득 트랜지스터(CGT22)가 턴-온 되고, 제 3 픽셀(PX2)의 제 2 변환 이득 트랜지스터(CGT32)가 턴-온 될 때, 제 1 픽셀(PX1)의 제 1 및 제 2 플로팅 확산 노드들(FD1, FD2), 제 2 픽셀(PX2)의 제 2 및 제 3 플로팅 확산 노드들(FD2, FD3), 제 3 픽셀(PX2)의 제 2 및 제 3 플로팅 확산 노드들(FD2, FD3), 및 제 4 픽셀(PX2)의 제 2 플로팅 확산 노드(FD2)에 대응하는 제 3 커패시턴스(C3)가 형성될 수 있다.
한편, 도 11a, 도 11b, 도 11c는 본 발명의 실시 예들에 불과하다고 이해되어야 할 것이다. 예를 들어, 리셋 게이트 신호(RG) 및 선택 신호(SEC)는 온/오프 시간은 다양하게 변경 가능하다.
도 12에 도시된 바와 같이, 각 픽셀의 플로팅 확산 노드들을 연결하는 변환 이득 트랜지스터들의 온/오프 동작에 따라 픽셀 동작에 이용하는 다양한 커패시턴스들이 형성될 수 있다.
도 13a는 제 1 동작 모드에 따라 픽셀에 대응하는 플로팅 확산 영역의 크기(FD1)를 예시적으로 보여주는 도면이고, 도 13b는 제 2 동작 모드에 따라 픽셀에 대응하는 플로팅 확산 영역의 크기(FD1 + 2FD2)를 보여주는 도면이고, 도 13c는 제 3 동작 모드에 따라 픽셀에 대응하는 플로팅 확산 영역의 크기(FD1 + 4FD + 2FD3) 를 보여주는 도면이다. 도 13a, 도 13b, 및 도 13c에 도시된 바와 같이 동작 모드에 따라 플로팅 확산 영역의 크기가 달라질 수 있다. 이러한 플로팅 확산 영역의 크기의 변경은 포토 다이오드(FD)에서 전달되는 동일한 전하량에 따라 변환되는 전압의 레벨을 변경할 것이다. 이는 변환 이득의 조절을 의미한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서(100)는 3개 이상의 동작 모드들에 따라 플로팅 확산 영역의 크기를 다르게 함으로써, 최적의 변환 이득을 가질 수 있다.
도 14a는 영상 촬영 모드일 때, 단위 픽셀에서 영상 신호를 생성하는 과정을 시간 순서대로 보여주는 도면이고, 도 14b는 영상 인식 모드일 때, 단위 픽셀에서 영상 신호를 생성하는 과정을 시간 순서대로 보여주는 도면이다.
도 14a에 도시된 바와 같이, 영상 촬영 모드일 때 픽셀 회로는 노출(Exposure), 리셋(Reset), 이송(Transfer)의 과정을 거쳐, 영상 신호를 생성할 수 있다. 먼저, 리셋 트랜지스터(RX)와 전달 트랜지스터(TX)를 온(on) 시킨 후, 리셋 트랜지스터(RX)와 전달 트랜지스터(TX)를 오프(off) 시키고, 빛에 노출시킬 수 있다. 이때, 선택 트랜지스터(SX)를 온(on)시켜 리셋 전압 레벨을 읽을 수 있다. 이후, 일정 시간 동안 포토 다이오드(PD)에 생성된 광전하를 FD 노드로 전달하기 위하여 전달 트랜지스터(TX)를 온(on)시킨 후, 신호 전압 레벨을 읽을 수 있다. 이때, 포토 다이오드(PD)의 전하를 FD 노드로 모두 전달하기 위해서는 FD 노드를 큰 전원 전압으로 리셋 해야 할 필요가 있는데, 큰 전원 전압을 사용할 경우 전력 소모가 커질 수 있다. 한편, 읽어 들인 신호 전압 레벨과 리셋 전압 레벨의 차가 일정 시간 동안 입력된 빛에 상응하는 픽셀의 회로의 영상 신호가 될 수 있다.
도 14b에 도시된 바와 같이, 영상 인식 모드일 때, 픽셀 회로는 리셋(Reset), 노출(Exposure), 리드아웃(Readout)의 과정을 거쳐, 영상 신호를 생성할 수 있다. 도 7b에서 알 수 있듯이, 영상 인식 모드일 때, 전달 트랜지스터(TX)는 항상 온(on)일 수 있다. 이에 따라, 포토 다이오드(PD)와 FD 노드는 도통할 수 있다. 영상 인식 모드일 때는, 영상 촬영 모드일 때 픽셀 회로의 동작 방식인 전자 전달 방식을 사용하지 않고, 포토 다이오드(PD)와 FD 노드에 축적되는 전자의 전압을 읽어내는 방식을 사용할 수 있다. 이하, 영상 인식 모드일 때, 픽셀 회로에서 포토 다이오드(PD)와 FD 노드에 축적되는 전자의 전압을 읽어내는 방식을 설명한다.
도 14b를 참고하면, 전달 트랜지스터(TX)에는 직류 전압이 인가되어, 항상 온(on) 되므로, 포토 다이오드(PD)와 FD 노드의 전위(electron potential)가 동일하게 됨을 알 수 있다. 이때, 직류 전압이 전달 트랜지스터(TX)에 인가되더라도, 전달 트랜지스터(TX)의 게이트에는 전류가 흐르지 않으므로, 전달 트랜지스터(TX)의 게이트에서의 전력 소모는 0이 될 수 있다.
먼저, 리셋 트랜지스터(RX)는 포토 다이오드(PD)와 도통된 FD 노드를 작은 전원 전압을 이용하여, 리셋 전압 레벨로 설정할 수 있다. 그 후, 픽셀 회로는 일정 시간 동안 빛에 노출될 수 있다. 선택 트랜지스터를 온(on) 시켜 입사광에 의해 변경된 FD 노드의 신호 전압 레벨을 획득할 수 있다. 이와 같이, 읽어 들인 신호 전압 레벨과 리셋 전압 레벨의 차가 일정 시간 동안 입력된 빛에 상응하는 픽셀의 회로의 영상 신호가 될 수 있다. 영상 촬영 모드일 때의 전자 전달 방식과 달리, 영상 인식 모드일 때는 전하 전달을 위해 높은 리셋 전압을 확보할 필요가 없으므로, 저전압을 통한 리셋이 가능하며, 마찬가지로, 소스 팔로워(source follower)의 전압도 낮출 수 있고, 전하 강압시에도 영상 신호를 읽어 낼 수 있다.
한편, 도 3 내지 도 14에서 설명한 픽셀 그룹에서 어느 하나의 픽셀과 이웃한 픽셀은 구조가 서로 다르다. 하지만, 본 발명의 픽셀 그룹이 여기에 제한될 필요는 없다. 본 발명의 픽셀 그룹은 동일한 구성을 갖는 픽셀로 구현될 수도 있다.
도 15a, 도 15b, 및 도 15c는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 픽셀들(PXGd, PXGe, PXGf)을 예시적으로 보여주는 도면들이다.
도 15a를 참조하면, 픽셀(PXGd)은, 전달 트랜지스터(TX), 소스 팔로워 트랜지스터(SFX), 선택 트랜지스터(SX), 리셋 트랜지스터(RX), 및 변환 이득 트랜지스터들(CGT1, CGT2)을 포함할 수 있다. 전달 트랜지스터(TX)는 전달 게이트 신호(TG)에 응답하여 포토 다이오드(PD)와 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)를 연결할 수 있다. 소스 팔로워 트랜지스터(SFX)는 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)의 전압에 응답하여 픽셀 구동 전압(VPIX)을 선택 트랜지스터(SX)의 드레인으로 제공할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 소스 팔로워 트랜지스터(SFX)의 드레인과 출력단(OUT)을 연결할 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 게이트 신호(RG)에 응답하여 픽셀 구동 전압(VPIX)을 제공하는 전원단과 제 3 플로팅 확산 노드(FD3)를 연결할 수 있다. 제 1 변환 이득 트랜지스터(CGT1)는 제 1 변환 이득 신호(CGS1)에 응답하여 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)와 제 2 플로팅 확산 노드(FD2 )를 연결할 수 있다. 제 2 변환 이득 트랜지스터(CGT2)는 제 2 변환 이득 신호(CGS2)에 응답하여 제 2 플로팅 확산 노드(FD2)와 제 3 플로팅 확산 노드(FD3)를 연결할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 픽셀(PXGd)은 동작 모드에 따라 변환 이득 신호들(CGS1. CGS2)을 제어함으로써 플로팅 확산 영역의 크기를 가변함으로써 변환 이득을 최적화할 수 있다.
도 15b을 참조하면, 픽셀(PXGe)의 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)에 2개의 포토 다이오드들이 연결될 수 있다. 2개의 포토 다이오드들은 대응하는 전달 게이트 신호들(TG1 혹은 TG2)에 응답하여 턴-온하는 전달 트랜지스터들(TX1, TX2)에 의해 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)에 연결될 수 있다.
도 15c을 참조하면, 픽셀(PXGf)의 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)에 1개의 포토 다이오드이 연결될 수 있다. 하나의 포토 다이오드는 전달 게이트 신호들(TG1 혹은 TG2)에 응답하여 턴-온하는 전달 트랜지스터들(TX1, TX2)에 의해 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)에 연결될 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀 그룹의 레이아웃 배치에 대한 실시 예를 보여주는 도면이다. 도 16을 참조하면, 각 픽셀에서 오른쪽 하단에는 전달 게이트 신호(TG)를 수신하는 전달 트랜지스터의 게이트가 배치되고, 왼쪽 하단에는 제 1 변환 이득 신호(CGS1)를 수신하는 제 1 변환 이득 트랜지스터의 게이트가 배치되고, 왼쪽 상단에는 리셋 게이트 신호(RG)를 수신하는 리셋 트랜지스터의 게이트가 배치되거나 제 2 변환 이득 신호(CGS2)를 수신하는 제 2 변환 이득 트랜지스터의 게이트가 배치될 수 있다.
실시 예에 있어서, 전달 트랜지스터의 게이트의 근처에 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)이 배치되고, 제 1 변환 이득 트랜지스터의 게이트의 근처에 제 2 플로팅 확산 노드(FD2)가 배치되고, 제 2 변환 이득 트랜지스터의 게이트의 근처에 제 3 플로팅 확산 노드(FD3)가 배치되고 리셋 트랜지스터의 게이트의 근처에 픽셀 구동 전압(VPIX)를 수신하는 전원단이 배치될 수 있다.
한편, 도 16에 도시된 트랜지스터들의 게이트들/전원단/플로팅 확산 노드의 배치는 실시 예에 불과하다고 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 복수의 픽셀 어레이들을 구비할 수도 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 이미지 센서(300)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 17을 참조하면, 이미지 센서(300)는 픽셀 어레이(310), 제어 유닛(325), 로우 디코더(333), 로우 드라이버(335), 컬럼 디코더(353), 컬럼 드라이버 (355), 및 ADC(370)을 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(310)는 피사체로부터 반사되는 빛을 감지하여 피사체의 대상 정보(OBI1) 및/혹은 피사체의 이미지 정보(IMI)를 발생할 수 있다. 픽셀 어레이(310)는 2차원 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(310)는 복수의 픽셀 레이어들(311, 313, 및 315)을 포함할 수 있다. 실시 예에 있어서, 제 1 픽셀 어레이(311)는 컬러 픽셀 어레이(color pixel array; CPA)일 수 있다. 예를 들어 컬러 픽셀 어레이는 베이어 패턴의 픽셀들을 구비할 수 있다. 실시 예에 있어서, 제 2 픽셀 어레이(313)는 뎁쓰 픽셀 어레이(depth pixel array; DPA)일 수 있다. 예를 들어, 뎁쓰 픽셀 어레이는 복수의 2-PD 픽셀 혹은 메탈 쉴드 픽셀을 구비할 수 있다. 실시 예에 있어서, 제 2 픽셀 어레이(313)는 온도에 따른 뎁쓰 보정을 수행하기 위한 적어도 하나의 온도 센서를 포함할 수 있다. 실시 예에 있어서, 제 3 픽셀 어레이(215)는 써멀 픽셀 어레이(thermal pixel array; TPA)일 수 있다. 예를 들어 써멀 픽셀 어레이는 복수의 온도 픽셀들을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 픽셀 어레이의 개수가 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다. 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀 어레이는 서로 다른 기능을 수행하기 위한 적어도 2개의 픽셀 레이어들 포함할 수 있다.
제어 유닛(325)은 로우 디코더(333), 로우 드라이버(335), 컬럼 디코더(353), 컬럼 드라이버(355), 및 복수의 ADCs(371, 373, 375) 각각의 동작을 제어하기 위한 제어 신호(들)를 발생할 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(325)은 적층된 복수의 픽셀 레이어들(311, 313, 315) 각각에 포함된 복수의 로우 라인들 중에서 특정한 로우 라인을 선택하기 위한 복수의 로우 제어 신호들을 발생할 수 있다. 실시 예에 있어서, 제어 유닛(325)은 픽셀 어레이(310)와 다른 레이어에 배치될 수 있다.
로우 디코더(333)는 제어 유닛(325)으로부터 출력된 복수의 로우 제어 신호들, 예를 들어 로우 어드레스 신호들을 디코딩하고 디코딩 결과에 따라 복수의 로우 선택 신호들을 출력할 수 있다. 로우 드라이버(335)는 로우 디코더(333)로부터 출력된 복수의 로우 선택 신호들 각각에 응답하여 복수의 픽셀 레이어들(311, 313, 315) 각각에 포함된 복수의 로우들 중에서 적어도 하나의 로우에 포함된 픽셀들을 구동할 수 있다.
컬럼 디코더(353)는 제어 유닛(325)으로부터 출력된 복수의 컬럼 제어 신호들, 예를 들어 컬럼 어드레스 신호들을 디코딩하고 디코딩 결과에 따라 복수의 컬럼 선택 신호들을 출력할 수 있다. 컬럼 드라이버(355)는 컬럼 디코더(353)로부터 출력된 복수의 컬럼 선택 신호들 각각에 응답하여 복수의 픽셀 레이어들(311, 313, 315) 각각에 포함된 복수의 컬럼 라인들 각각을 구동할 수 있다.
한편, 도 17에 도시된 이미지 센서(300)는 하나의 로우 드라이버(335)와 하나의 컬럼 드라이버(355)를 포함하고 있지만, 본 발명이 여기에 제한될 필요는 없다. 실시 예에 따라 이미지 센서(300)는 복수의 픽셀 레이어들(311, 313, 315) 각각의 로우 라인들 혹은 컬럼 라인들을 구동하기 위한 복수의 로우 드라이버들 혹은 복수의 컬럼 드라이버들을 포함할 수도 있다. 한편, 이미지 센서(300)는 복수의 로우 디코더들 혹은 복수의 컬럼 디코더들을 포함할 수 있다.
복수의 ADCs(371, 373, 375) 각각은 복수의 픽셀 레이어들(311, 313, 315)의 각각으로부터 출력되는 신호들을 아날로그-디지털 변환하고, 아날로그-디지털 변환된 신호들을 이미지 데이터(DATA)로서 ISP(200)로 출력할 수 있다. 예를 들어, 이미지 데이터(DATA)는 대상 정보 혹은 이미지 정보를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 복수의 ADC들(371, 373, 375) 각각은 복수의 픽셀 레이어들(311, 313, 315) 각각으로부터 출력되는 신호들을 상관 이중 샘플링(correlated double sampling(CDS))하는 CDS 회로를 더 포함할 수 있다. 이때, 복수의 ADC들(371, 373, 375) 각각은 상관 이중 샘플링된 신호와 램프 신호를 비교하고, 비교 결과를 이미지 데이터(DATA)로써 출력할 수 있다.
이미지 신호 제어기(ISP, 200)는 이미지 데이터(DATA)를 디스플레이 하도록 처리할 수 있다. 또한, 이미지 신호 제어기(200)는 도 1 내지 도 17에서 상술된 바와 같이 동작 모드에 따라 이미지 센서(300)가 최적의 변환 이득을 구비하도록 제어 유닛(325)를 제어할 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치(1000)를 예시적으로 보여주는 블록이다. 네트워크 환경에서 전자 장치(1000)는 제 1 네트워크(예를 들어, 근거리 무선 통신)를 통하여 다른 전자 장치와 통신하거나, 혹은 제 2 네트워크(예를 들어, 원거리 무선 통신)를 통하여 다른 전자 장치 혹은 서버와 통신할 수 있다.
도 18을 참조하면, 전자 장치(1000)는 프로세서(1200), 메모리(1300), 입력 장치(1500), 음향 출력 장치(1550), 표시 장치(1600), 오디오 모듈(1700), 센서 모듈(1760), 인터페이스(1770), 햅틱 모듈(1790), 카메라 모듈(1800), 전력 관리 모듈(1880), 배터리(1890), 통신 모듈(1900), 가입자 식별 모듈(1960), 및 안테나 모듈(1970)을 포함할 수 있다. 실시 예에 있어서, 전자 장치(1000)는, 구성요소들 중 적어도 하나가 생략되거나 다른 구성 요소가 추가될 수 있다. 예를 들어, 표시장치(1600)는 임베디드된 센서 모듈(1760; 지문 센서, 홍채 센서, 혹은 조도 센서)의 경우와 같이, 일부의 구성요소들이 통합되어 구현될 수 있다.
프로세서(1200)는 소프트웨어(예를 들어, 프로그램(1400))를 구동하여 프로세서(1200)에 연결된 전자 장치(1000)의 적어도 하나의 다른 구성요소(예를 들어, 하드웨어 혹은 소프트웨어 구성요소)을 제어하고, 다양한 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다.
프로세서(1200)는 다른 구성요소(예를 들어, 센서 모듈(1760), 통신 모듈(1900))로부터 수신된 명령 혹은 데이터를 휘발성 메모리(1320)에 로드하여 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(1340)에 저장할 수 있다.
실시 예에 있어서, 프로세서(1200)는 메인 프로세서(1210; 중앙 처리 장치 혹은 어플리케이션 프로세서)와는 독립적으로 운영되고, 추가로/대체적으로, 메인 프로세서(1210)보다 저전력을 사용하거나, 혹은 지정된 기능에 특화된 보조 프로세서(1230; 그래픽 처리 프로세서, 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서, 인공 지능 프로세서)를 포함할 수 있다.
보조 프로세서(1230)는 메인 프로세서(1210)와 별개로 혹은 임베디드되어 운영될 수 있다. 보조 프로세서(1230)는, 메인 프로세서(1210)가 인액티브(슬립) 상태에 있는 동안 메인 프로세서(1210)를 대신하여, 혹은 메인 프로세서(1210)가 액티브(어플리케이션 수행) 상태에 있는 동안 메인 프로세서(1210)와 함께, 전자 장치(1000)의 구성요소들 중 적어도 하나의 구성요소(예: 표시 장치(1600), 센서 모듈(1760), 혹은 통신 모듈(1900))와 관련된 기능 혹은 상태들의 적어도 일부를 제어할 수 있다. 실시 예에 있어서, 보조 프로세서(1230)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성 요소(예를 들어, 카메라 모듈(1800) 혹은 통신 모듈(1900))의 일부 구성 요소로서 구현될 수 있다.
메모리(1300)는, 전자 장치(1000)의 적어도 하나의 구성요소(예를 들어, 프로세서(1200) 혹은 센서 모듈(1760))에 의해 사용되는 다양한 데이터, 예를 들어, 소프트웨어 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 혹은 출력 데이터를 저장할 수 있다. 메모리(1300)는, 휘발성 메모리(1320) 혹은 비휘발성 메모리(1340)를 포함할 수 있다.
프로그램(1400)은 메모리(1300)에 저장되는 소프트웨어로서, 운영 체제(1420), 미들웨어(1440) 혹은 어플리케이션(1460)을 포함할 수 있다.
입력 장치(1500)는, 전자 장치(1000)의 구성요소(프로세서(1200))에 사용될 명령 혹은 데이터를 전자 장치(1000)의 외부(사용자)로부터 수신하기 위한 장치로서, 예를 들어, 마이크, 마우스, 혹은 키보드를 포함할 수 있다.
음향 출력 장치(1550)는 음향 신호를 전자 장치(1000)의 외부로 출력하기 위한 장치로서, 예를 들면, 멀티미디어 재생 혹은 녹음 재생과 같이 일반적인 용도로 사용되는 스피커와 전화 수신 전용으로 사용되는 리시버를 포함할 수 있다. 실시 예에 있어서, 리시버는 스피커와 일체 혹은 별도로 형성될 수 있다.
표시 장치(1600)는 전자 장치(1000)의 사용자에게 정보를 시각적으로 제공하도록 구현될 수 있다. 예를 들어 표시 장치(1600)는, 디스플레이, 홀로그램 장치, 혹은 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 실시 예에 있어서, 표시 장치(1600)는 터치 회로(touch circuitry) 혹은 터치에 대한 압력의 세기를 측정할 수 있는 압력 센서를 포함할 수 있다.
오디오 모듈(1700)은 소리와 전기 신호를 쌍방향으로 변환시킬 수 있다. 실시 예에 있어서, 오디오 모듈(1700)은, 입력 장치(1500)를 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 장치(1550), 혹은 전자 장치(1000)와 유선 혹은 무선으로 연결된 외부 전자 장치(스피커 혹은 헤드폰))를 통해 소리를 출력할 수 있다.
센서 모듈(1760)은 전자 장치(1000)의 내부의 작동 상태(전력 혹은 온도), 혹은 외부의 환경 상태에 대응하는 전기 신호 혹은 데이터 값을 생성할 수 있다. 예를 들어, 센서 모듈(1760)은, 제스처 센서, 자이로 센서, 기압센서, 마그네틱 센서, 가속도 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 혹은 조도 센서를 포함할 수 있다.
인터페이스(1770)는 외부 전자 장치와 유선 혹은 무선으로 연결할 수 있는 지정된 프로토콜을 지원할 수 있다. 실시 예에 있어서, 인터페이스(1770)는 HDMI(high definition multimedia interface), USB(universal serial bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 혹은 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.
연결 단자(1780)는 전자 장치(1000)와 외부 전자 장치를 물리적으로 연결시킬 수 있는 커넥터(예를 들어, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 혹은 오디오 커넥터(헤드폰 커넥터))를 포함할 수 있다.
햅틱 모듈(1790)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 혹은 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(진동 혹은 움직임) 혹은 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 햅틱 모듈(1790)은, 예를 들면, 모터, 압전 소자, 혹은 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.
카메라 모듈(1800)은 정지 영상 및 동영상을 촬영하도록 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, 카메라 모듈(1800)은 하나 이상의 렌즈, 이미지 센서, 이미지 시그널 프로세서, 혹은 플래시를 포함할 수 있다. 카메라 모듈(1800)은, 도 1 내지 도 17에서 설명된 바와 같이 3개 이상의 동작 모드들에 따라 최적으로 변환 이득을 선택하는 픽셀들 및 이러한 픽셀들을 제어할 수 있다.
전력 관리 모듈(1880)은 전자 장치(1000)에 공급되는 전력을 관리하기 위한 모듈로서, 예를 들면, PMIC(power management integrated circuit)의 적어도 일부로서 구성될 수 있다. 배터리(1890)는 전자 장치(1000)의 적어도 하나의 구성 요소에 전력을 공급하기 위한 장치로써, 예를 들면, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 혹은 연료 전지를 포함할 수 있다.
통신 모듈(1900)은 전자 장치(1000)와 외부 전자 장치 간의 유선 혹은 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(1900)은 프로세서(1200; 어플리케이션 프로세서)와 독립적으로 운영되는, 유선 통신 혹은 무선 통신을 지원하는 하나 이상의 커뮤니케이션 프로세서를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 통신 모듈(1900)은 무선 통신 모듈(1920; 셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, 혹은 GNSS(global navigation satellite system) 통신 모듈) 혹은 유선 통신 모듈(1940; LAN(local area network) 통신 모듈, 혹은 전력선 통신 모듈))을 포함할 수 있다. 통신 모듈(1900)은 대응하는 유/무선 통신 모듈을 이용하여 제 1 네트워크(예를 들어, 블루투스, WiFi direct 혹은 IrDA(infrared data association) 같은 근거리 통신 네트워크) 혹은 제 2 네트워크(예를 들어, 셀룰러 네트워크, 인터넷, 혹은 컴퓨터 네트워크(LAN 혹은 WAN)와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 외부 전자 장치와 통신할 수 있다. 실시 예에 있어서, 통신 모듈(1900)은 하나의 칩으로 구현되거나 혹은 각각 별도의 칩으로 구현될 수 있다.
실시 예에 있어서, 무선 통신 모듈(1920)은 가입자 식별 모듈(1960)에 저장된 사용자 정보를 이용하여 통신 네트워크 내에서 전자 장치(1000)를 구별 및 인증할 수 있다.
안테나 모듈(1970)은 신호 혹은 전력을 외부로 송신하거나 외부로부터 수신하기 위한 하나 이상의 안테나들을 포함할 수 있다. 실시 예에 있어서, 통신 모듈(1900)은 통신 방식에 적합한 안테나를 통하여 신호를 외부 전자 장치로 송신하거나, 외부 전자 장치로부터 수신할 수 있다.
구성요소들 중 일부 구성요소들은 주변 기기들 간 통신 방식(예: 버스, GPIO(general purpose input/output), SPI(serial peripheral interface), 혹은 MIPI(mobile industry processor interface))를 통해 서로 연결되어 신호(예: 명령 혹은 데이터)를 상호간에 교환할 수 있다.
실시 예에 있어서, 명령 혹은 데이터는 제 2 네트워크에 연결된 서버를 통해서 전자 장치(1000)와 외부의 전자 장치 간에 송신 혹은 수신될 수 있다. 전자 장치 각각은 전자 장치(1000)와 동일한 혹은 다른 종류의 장치일 수 있다. 실시 예에 있어서, 전자 장치(1000)에서 실행되는 동작들의 전부 혹은 일부는 다른 하나 혹은 복수의 외부 전자 장치에서 실행될 수 있다. 실시 예에 있어서, 전자 장치(1000)가 어떤 기능이나 서비스를 자동으로 혹은 요청에 의하여 수행해야 할 경우에, 전자 장치(1000)는 기능 혹은 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 혹은 추가적으로, 그와 연관된 적어도 일부 기능을 외부 전자 장치에게 요청할 수 있다. 요청을 수신한 외부 전자 장치는 요청된 기능 혹은 추가 기능을 실행하고, 그 결과를 전자 장치(1000)로 전달할 수 있다. 전자 장치(1000)는 수신된 결과를 그대로 혹은 추가적으로 처리하여 요청된 기능이나 서비스를 제공할 수 있다. 이를 위하여, 예를 들어, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 혹은 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다.
한편, 전자 장치(1000)는 다양한 형태의 장치가 될 수 있다. 예를 들어, 전자 장치(1000)는 휴대용 통신 장치(예를 들어, 스마트폰), 컴퓨터 장치, 휴대용 멀티미디어 장치, 휴대용 의료 기기, 카메라, 웨어러블 장치, 혹은 가전 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
문서에서 사용된 용어 "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 혹은 펌웨어로 구성된 유닛을 포함하며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 혹은 회로 등의 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은, 일체로 구성된 부품 문서의 다양한 실시 예들은 기기(machine)(예: 컴퓨터)로 읽을 수 있는 저장 매체(machine-readable storage media)(예: 내장 메모리(1360) 혹은 외장 메모리(1380))에 저장된 명령어를 포함하는 소프트웨어(예: 프로그램(1400))로 구현될 수 있다. 기기는, 저장 매체로부터 저장된 명령어를 호출하고, 호출된 명령어에 따라 동작이 가능한 장치로서, 개시된 실시 예들에 따른 전자 장치(예: 전자 장치(1000))를 포함할 수 있다. 명령이 프로세서(예: 프로세서(1200))에 의해 실행될 경우, 프로세서가 직접, 혹은 프로세서의 제어하에 다른 구성요소들을 이용하여 명령에 해당하는 기능을 수행할 수 있다. 명령은 컴파일러 혹은 인터프리터에 의해 생성 혹은 실행되는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장매체는, 비일시적(non-transitory) 저장매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, '비일시적'은 저장매체가 신호(signal)를 포함하지 않으며 실재(tangible)한다는 것을 의미할 뿐 데이터가 저장매체에 반영구적 혹은 임시적으로 저장됨을 구분하지 않는다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 실시 예에 따른 모바일 장치(2000)를 간단하게 나타낸 도면들이다. 도 19a와 도 19b를 참조하면, 모바일 장치(2000)는 하우징(2200), 디스플레이(2500), 카메라(2600, 2700, 2800) 등을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 디스플레이(2500)는 하우징(2200)의 전면 전체를 실질적으로 커버할 수 있으며, 모바일 장치(2000)의 동작 모드, 혹은 실행 중인 애플리케이션 등에 따라 제 1 영역(2300)과 제 2 영역(2400) 등으로 구분되어 동작할 수 있다.
도 19a를 참조하면, 전면 카메라(2600, 2700)는 서로 다른 특성을 갖는 제 1 전면 카메라(2600)와 제 2 전면 카메라(2700) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 전면 카메라(2600)와 제 2 전면 카메라(2700)는 조리개 값, 초점 거리, 화각 등에서 서로 다른 값을 가질 수 있다. 여기서 제 1 전면 카메라(2600)는 일반 카메라일 수 있으며, 제 2 전면 카메라(2700)는 ToF(Time-of-Flight) 카메라일 수 있다. 제 2 전면 카메라(2700)가 ToF 카메라일 경우, 별도의 광원과 결합하여 거리 측정, 깊이 맵 생성, 및 얼굴 인식 등의 기능을 제공할 수 있다.
모바일 장치(2000)의 후면을 나타낸 도 19b를 참조하면, 모바일 장치(2000)는 후면 카메라(2800)와 발광부(2900)를 포함할 수 있다. 후면 카메라(2800)는, 전면 카메라(2600, 2700)와 마찬가지로, 조리개 값, 화각, 이미지 센서의 화소 수 중 적어도 하나가 서로 다른 복수의 후면 카메라들(2800A ~ 2800C)을 포함할 수 있다. 발광부(2900)는 LED 등을 광원으로 채용할 수 있으며, 후면 카메라(2800)를 이용하는 애플리케이션에서 플래시로 동작할 수 있다.
복수의 카메라들(2600, 2700, 2800)의 각각은, 렌즈, 이미지 센서, 모터부 및 엔진부를 포함할 수 있다. 여기서 이미지 센서는 도 1 내지 도 17에서 설명된 바와 같이 동작 모드에 따라 변환 이득을 가변하는 픽셀들에 의해 구현될 수 있다.
이미지 센서는 클록 신호에 기초하여 RGB 데이터를 제공할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 또는 CSI(Camera Serial Interface)를 통하여 엔진부와 인터페이싱 할 수 있다. 모터부는 엔진부로부터 수신된 제어 신호에 응답하여 렌즈의 포커스를 조절하거나, 셔터링(Shuttering)을 수행할 수 있다. 엔진부는 이미지 센서 및 모터부를 제어할 수 있다. 또한, 엔진부는 이미지 센서로부터 수신된 RGB 데이터에 기초하여 휘도 성분, 휘도 성분과 청색 성분의 차, 및 휘도 성분과 적색 성분의 차를 포함하는 YUV 데이터(YUV)를 생성하거나, 압축 데이터, 예를 들어 JPEG(Joint Photography Experts Group) 데이터를 생성할 수 있다. 엔진부는 호스트/어플리케이션에 연결될 수 있으며, 엔진부는 마스터 클록에 기초하여 YUV 데이터(YUV) 또는 JPEG 데이터를 호스트/어플리케이션에 제공할 수 있다. 또한, 엔진부는 SPI(Serial Peripheral Interface) 또는 I2C(Inter Integrated Circuit)를 통하여 호스트/어플리케이션과 인터페이싱할 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 장치(10)의 동작 방법을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 1 내지 도 20을 참조하면, 이미지 장치(10)의 동작 방법은 다음과 같다. 이미지 장치(10)는 동작 모드를 수신할 수 있다(S110). 여기서 동작 모드는 사용자의 선택 혹은 내부적인 정책에 따라 결정될 수 있다. 이후에 선택된 동작 모드에 따라 이미지 장치(10)의 이미지 센서는 적어도 하나의 트랜지스터를 온/오프 제어함으로써 픽셀의 플로팅 확산 영역의 크기를 변경할 수 있다(S120). 여기서 플로팅 확산 영역의 크기는, 픽셀 주변의 정션 커패시턴스 혹은 메탈 커패시턴스를 이용하여 조절 가능하다. 이에 따라 동작 모드에 최적으로 선택된 플로팅 확산 영역의 크기에 대응하는 변환 이득이 결정될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 픽셀은, 3개 이상의 변환 이득(CG)을 구현할 수 있다. 실시 예에 있어서, 픽셀은 non-shared 픽셀 혹은 shared 픽셀 구조로 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, 픽셀의 변환 이득은 주변 픽셀의 커패시턴스를 이용하는 가변 될 수 있다. 실시 예에 있어서, 픽셀의 변환 이득은 Row 방향, column 방향에 있는 픽셀의 커패시턴스를 이용하여 가변 될 수 있다. 실시 예에 있어서, 픽셀의 변환 이득은 유닛 픽셀에서 멀티 스위치(멀티-트랜지스터)로 CG ratio에 의해 가변 될 수 있다.
한편, 본 발명의 이미지 센서는 다이나믹 비전 센서(dynamic vision sensor; DVS)에 적용 가능하다.
한편, 상술된 본 발명의 내용은 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들에 불과하다. 본 발명은 구체적이고 실제로 이용할 수 있는 수단 자체뿐 아니라, 장차 기술로 활용할 수 있는 추상적이고 개념적인 아이디어인 기술적 사상을 포함할 것이다.
10: 이미지 장치
100: 이미지 센서
200: 이미지 신호 처리기
111-1, 112-1, 113-1, 114-1: 제 1 플로팅 확산 영역
111-2, 112-2, 113-2, 114-2: 제 2 플로팅 확산 영역
112-3, 113-3: 제 3 플로팅 확산 영역
PX1, PX2, PX3, PX4: 픽셀
PXG, PXGa, PXGb, PXGc: 픽셀 그룹
FD1: 제 1 플로팅 확산 노드
FD2: 제 2 플로팅 확산 노드
FD3: 제 3 플로팅 확산 노드
101-1, 101-2: 제 1 메탈 라인
102: 제 2 메탈 라인
VPIX: 픽셀 구동 전압

Claims (20)

  1. 제 1 플로팅 확산 영역 및 제 2 플로팅 확산 영역을 갖는 제 1 픽셀;
    제 1 플로팅 확산 영역, 제 2 플로팅 확산 영역, 및 제 3 플로팅 확산 영역을 갖는 제 2 픽셀;
    제 1 플로팅 확산 영역, 및 제 2 플로팅 확산 영역을 갖는 제 3 픽셀;
    제 1 플로팅 확산 영역, 제 2 플로팅 확산 영역, 및 제 3 플로팅 확산 영역을 갖는 제 4 픽셀을 포함하고,
    상기 제 1 픽셀의 상기 제 2 플로팅 확산 영역과 상기 제 2 픽셀의 상기 제 2 플로팅 확산 영역은 제 1 메탈 라인으로 연결되고,
    상기 제 2 픽셀의 상기 제 3 플로팅 확산 영역과 상기 제 3 픽셀의 상기 제 3 플로팅 확산 영역은 제 2 메탈 라인으로 연결되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 상기 제 4 픽셀들의 각각은 적어도 하나의 포토 다이오드를 포함하는 이미지 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 상기 제 4 픽셀들의 각각은, 전달 게이트 신호에 응답하여 상기 적어도 하나의 포토 다이오드와 제 1 플로팅 확산 영역에 대응하는 제 1 플로팅 확산 노드를 연결하는 전달 트랜지스터; 및 제 1 변환 이득 신호에 응답하여 제 2 플로팅 확산 영역에 대응하는 제 2 플로팅 확산 노드를 연결하는 제 1 변환 이득 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 픽셀 및 상기 제 4 픽셀의 각각은, 리셋 게이트 신호에 응답하여 픽셀 구동 전압을 상기 제 2 플로팅 확산 노드에 제공하는 리셋 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 픽셀 및 상기 제 3 픽셀의 각각은, 제 2 변환 이득 신호에 응답하여 상기 제 2 플로팅 확산 노드와 제 3 플로팅 확산 영역에 대응하는 제 3 플로팅 확산 노드를 연결하는 제 2 변환 이득 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 픽셀의 상기 제 2 플로팅 확산 영역과 상기 제 4 픽셀의 상기 제 2 플로팅 확산 영역은 메탈 라인으로 연결되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 픽셀들의 각각은,
    제 1 플로팅 확산 영역에 대응하는 제 1 플로팅 확산 노드에 연결된 게이트, 및 픽셀 구동 전압을 제공 받는 소스를 갖는 소스 팔로워 트랜지스터; 및
    선택 신호를 수신하는 게이트, 상기 소스 팔로워 트랜지스터의 드레인에 연결된 소스 및 출력 라인에 연결된 드레인을 갖는 선택 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 픽셀 및 상기 제 2 픽셀은 서로 대칭적으로 구현되고,
    상기 제 2 픽셀 및 상기 제 3 픽셀은 서로 대칭적으로 구현되고,
    상기 제 3 픽셀과 및 상기 제 4 픽셀은 서로 대칭적으로 구현되는 것으로 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 제 1 픽셀;
    제 2 픽셀;
    제 3 픽셀; 및
    제 4 픽셀을 포함하고,
    상기 제 1 내지 제 4 픽셀들의 각각은,
    전달 게이트 신호에 응답하여 적어도 하나의 포토 다이오드와 제 1 플로팅 확산 노드를 연결하는 제 1 트랜지스터;
    제 1 변환 이득 신호에 응답하여 상기 제 1 플로팅 확산 노드와 제 2 플로팅 확산 노드를 연결하는 제 2 트랜지스터;
    상기 2 플로팅 확산 노드에 연결된 드레인을 갖는 제 3 트랜지스터;
    픽셀 구동 전압을 제공하는 전원단에 연결된 소스 및 상기 제 1 플로팅 확산 노드에 연결된 게이트를 갖는 제 4 트랜지스터; 및
    상기 제 4 트랜지스터의 드레인에 연결된 소스, 컬럼 라인에 연결된 드레인 및 선택 신호를 수신하는 게이트를 갖는 제 5 트랜지스터를 포함하고,
    상기 제 1 픽셀의 상기 2 플로팅 확산 노드와 상기 제 2 픽셀의 상기 제 2 플로팅 확산 노드는 메탈 라인으로 연결되고,
    상기 제 3 픽셀의 제 2 플로팅 확산 노드와 상기 제 4 픽셀의 상기 제 2 플로팅 확산 노드는 메탈 라인으로 연결되고,
    상기 제 2 픽셀의 제 3 플로팅 확산 노드와 상기 제 3 픽셀의 제 3 플로팅 확산 노드는 메탈 라인으로 연결되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 픽셀들은 하나의 컬럼 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 픽셀들의 각각은 대응하는 컬럼 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 포토 다이오드는, DTI(deep trench isolation) 분리막에 의해 분리되는 2-PD 구조로 구현되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 포토 다이오드는 PN 정션에 의해 분리되는 2-PD 구조로 구현되는 것으로 특징으로 하는 이미지 센서.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 픽셀 및 상기 제 4 픽셀의 각각의 상기 제 3 트랜지스터는, 리셋 게이트 신호에 응답하여 상기 전원단과 상기 제 2 플로팅 노드를 연결하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 픽셀 및 상기 제 3 픽셀의 각각의 상기 제 3 트랜지스터는, 제 2 변환 이득 신호에 응답하여 상기 제 2 플로팅 확산 노드와 상기 제 3 플로팅 확산 노드를 연결하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  16. 제 15 항에 있어서,
    동작 모드에 따라 픽셀의 플로팅 확산 영역의 크기를 변경하기 위하여 상기 제 1 변환 이득 신호 및 상기 제 2 변환 이득 신호가 제어되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  17. 이미지 장치의 동작 방법에 있어서,
    이미지 센서에서 동작 모드를 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 동작 모드에 따라 픽셀 그룹의 플로팅 확산 영역의 크기를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 동작 모드는 적어도 3개인 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 픽셀 그룹은,
    제 1 플로팅 확산 영역 및 제 2 플로팅 확산 영역을 갖는 제 1 픽셀;
    제 1 플로팅 확산 영역, 제 2 플로팅 확산 영역, 및 제 3 플로팅 확산 영역을 갖는 제 2 픽셀;
    제 1 플로팅 확산 영역, 및 제 2 플로팅 확산 영역을 갖는 제 3 픽셀;
    제 1 플로팅 확산 영역, 제 2 플로팅 확산 영역, 및 제 3 플로팅 확산 영역을 갖는 제 4 픽셀을 포함하고,
    상기 제 1 픽셀의 상기 제 2 플로팅 확산 영역과 상기 제 2 픽셀의 상기 제 2 플로팅 확산 영역은 제 1 메탈 라인으로 연결되고,
    상기 제 2 픽셀의 상기 제 3 플로팅 확산 영역과 상기 제 3 픽셀의 상기 제 3 플로팅 확산 영역은 제 2 메탈 라인으로 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 픽셀 그룹은, 제 1 플로팅 확산 영역, 제 2 플로팅 확산 영역, 및 제 3 플로팅 확산 영역을 갖는 복수의 픽셀들을 포함하고,
    상기 복수의 픽셀들의 각각은,
    제 1 변환 이득 신호에 응답하여 상기 제 1 플로팅 확산 영역과 상기 제 2 플로팅 확산 영역을 연결하는 제 1 변환 이득 트랜지스터; 및
    제 2 변환 이득 신호에 응답하여 상기 제 2 플로팅 확산 영역과 상기 제 3 플로팅 확산 영역을 연결하는 제 2 변환 이득 트랜지스터를 포함하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 플로팅 확산 영역의 크기를 제어하는 단계는,
    상기 플로팅 확산 영역의 크기를 가변하기 위하여 상기 동작 모드에 따라 상기 제 1 변환 이득 신호 및 상기 제 2 변환 이득 신호의 타이밍을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220321816A1 (en) * 2019-06-26 2022-10-06 Sony Semiconductor Solutions Corporation Imaging device
KR20210057871A (ko) * 2019-11-12 2021-05-24 삼성전자주식회사 이미지 센서, 그것을 포함하는 이미지 장치 및 그것의 동작 방법
US11336848B1 (en) * 2021-03-02 2022-05-17 Semiconductor Components Industries, Llc Image sensors having dielectric relaxation correction circuitry
KR20220135626A (ko) * 2021-03-31 2022-10-07 에스케이하이닉스 주식회사 이미지 센싱 장치
WO2023181735A1 (ja) * 2022-03-25 2023-09-28 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 撮像素子及び撮像装置
WO2023189071A1 (ja) * 2022-03-28 2023-10-05 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 撮像装置及び電子機器

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7075049B2 (en) 2003-06-11 2006-07-11 Micron Technology, Inc. Dual conversion gain imagers
US20070035649A1 (en) 2005-08-10 2007-02-15 Micron Technology, Inc. Image pixel reset through dual conversion gain gate
US20090237540A1 (en) 2008-03-20 2009-09-24 Micron Technology, Inc. Imager method and apparatus having combined gate signals
JP5664175B2 (ja) * 2010-11-29 2015-02-04 ソニー株式会社 固体撮像装置とその駆動方法、及び電子機器
US9247170B2 (en) 2012-09-20 2016-01-26 Semiconductor Components Industries, Llc Triple conversion gain image sensor pixels
US8773562B1 (en) 2013-01-31 2014-07-08 Apple Inc. Vertically stacked image sensor
JP2015012127A (ja) * 2013-06-28 2015-01-19 ソニー株式会社 固体撮像素子および電子機器
US9277147B2 (en) 2013-08-23 2016-03-01 Semiconductor Components Industries, Llc Multimode pixel readout for enhanced dynamic range
JP2015103958A (ja) * 2013-11-25 2015-06-04 ルネサスエレクトロニクス株式会社 撮像装置
JP6393083B2 (ja) * 2014-05-27 2018-09-19 キヤノン株式会社 撮像素子及びその制御方法、及び撮像装置
JP6856974B2 (ja) * 2015-03-31 2021-04-14 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 固体撮像素子および電子機器
KR102541701B1 (ko) 2016-01-15 2023-06-13 삼성전자주식회사 씨모스 이미지 센서
JP6832649B2 (ja) * 2016-08-17 2021-02-24 ブリルニクス インク 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器
CN114339036A (zh) 2017-03-30 2022-04-12 株式会社尼康 摄像元件及摄像装置
WO2018190363A1 (ja) 2017-04-12 2018-10-18 ブリルニクスジャパン株式会社 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器
US10432879B2 (en) 2018-01-16 2019-10-01 Omnivision Technologies, Inc. Dual conversion gain high dynamic range image sensor readout circuit memory storage structure
US10559614B2 (en) 2018-03-09 2020-02-11 Semiconductor Components Industries, Llc Dual conversion gain circuitry with buried channels
KR102446297B1 (ko) * 2018-05-02 2022-09-23 에스케이하이닉스 주식회사 엑스트라 트랜스퍼 트랜지스터 및 엑스트라 플로팅 디퓨전 영역을 포함하는 이미지 센서
KR20210054092A (ko) * 2019-11-04 2021-05-13 삼성전자주식회사 서로 거울 대칭인 픽셀들을 포함하는 이미지 센서
KR20210057871A (ko) * 2019-11-12 2021-05-24 삼성전자주식회사 이미지 센서, 그것을 포함하는 이미지 장치 및 그것의 동작 방법

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