WO2018151498A1 - 픽셀의 구동방법 및 이를 이용하는 cmos 이미지센서 - Google Patents

픽셀의 구동방법 및 이를 이용하는 cmos 이미지센서 Download PDF

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WO2018151498A1
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WO
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charge
signal
exposure period
unit
pixel
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Application number
PCT/KR2018/001867
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English (en)
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Inventor
한상만
하승재
문보현
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(주)픽셀플러스
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/745—Detection of flicker frequency or suppression of flicker wherein the flicker is caused by illumination, e.g. due to fluorescent tube illumination or pulsed LED illumination
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise

Definitions

  • the present invention relates to an image sensor, and to a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) image sensor for converting an external optical signal into an electrical image signal and a method of driving pixels included in the CMOS image sensor.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • an image sensor is a device that converts an external optical image signal into an electrical image signal.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • the pixel unit converts the light signal radiated from the corresponding part of the object into electrons using a photodiode, stores the converted light signal, and converts the amount of charge appearing in proportion to the accumulated number of electrons into a voltage signal.
  • CMOS image sensor generally includes a photoelectric conversion element that generates charges according to the amount of incident light and accumulates therein, a transfer transistor that transfers charges accumulated in the photoelectric conversion element, a floating diffusion region (FD) that converts the transferred charges into a voltage, A plurality of pixels including a reset transistor for resetting charge transferred to the floating diffusion region FD, an amplifying transistor for reading a voltage-converted signal in the floating diffusion region, and a selection transistor for selecting a line for reading a signal among XY pixel addresses It consists of
  • the image sensor has only one image according to one exposure information, and thus has a limitation in that it cannot express a band of various illuminances.
  • the conventional image sensor has a problem in that the bright part is well expressed when the exposure time is short when the image having the extremely bright image and the dark image are simultaneously present, but the dark part is less overall the exposure time.
  • the conventional image sensor has a problem that it is difficult to acquire information of both dark and bright parts without loss and the dynamic range is narrowed.
  • a commonly used method is a multi expose method of synthesizing a plurality of images taken at different exposure times.
  • this method requires a plurality of sampling processes in order to synthesize a plurality of image signals having different exposure times, and there is a burden that memory is an essential element in the image sensor. Memory makes the chip larger and loses price competitiveness.
  • An object of the present invention is to provide a CMOS image sensor using a pixel driving method capable of increasing the dynamic range by using a pixel having a separate charge holding means in addition to the floating diffusion region and changing the driving timing for exposure control of the pixel. It is.
  • a CMOS image sensor includes a photoelectric conversion element that generates charge and accumulates therein corresponding to an amount of incident light, and a charge holding unit that holds a charge transferred from the photoelectric conversion element. And a pixel unit in which a plurality of unit pixels including a floating diffusion region storing charges transferred from the charge holding unit are arranged in a matrix form; And a pixel driver configured to sequentially perform exposure control with a predetermined time difference on a row-by-row basis, wherein the pixel driver includes the photoelectric conversion element during the first exposure period after the first exposure period elapses after the initialization of the unit pixel.
  • An intermediate reset operation for resetting a charge exceeding a predetermined intermediate level accumulation amount among the charges accumulated in the memory; and the intermediate level accumulation amount among the charges accumulated in the photoelectric conversion element after a second exposure period after completion of the intermediate reset operation.
  • a first transfer operation for transferring excess first signal charges to the charge holding unit and a second transfer transfer of the first signal charges transferred by the first transfer operation to the floating diffusion region; Characterized in performing the operation.
  • the pixel driver repeatedly performs the intermediate reset operation two or more times.
  • the pixel driver transfers all the charge accumulated in the photoelectric conversion element to the charge holding unit as a second signal charge after the elapse of the third exposure period after the completion of the first transfer operation, and the third transfer.
  • a fourth transfer operation of transferring the second signal charge stored in the charge holding unit to the floating diffusion region by the operation.
  • the unit pixel further includes a first transfer transistor for transferring the charge accumulated in the photoelectric conversion element to the charge holding unit, and a second transfer transistor for transferring the charge held in the charge holding unit to the floating diffusion region.
  • the pixel driver may turn off the first transfer transistor and the high potential level to completely turn on the first transfer transistor after the first exposure period has passed after initialization of the unit pixel.
  • Performing the intermediate reset operation by turning on the intermediate potential level, which is an intermediate value between the low potential levels, and turning on the first transfer transistor to the intermediate potential level after the second exposure period elapses after the intermediate reset operation. 1 performs a transfer operation, and after completion of the first transfer operation, It is possible to perform said third transfer operation by turning on the first transfer transistor to a high potential level, and performing said fourth transfer operation after a period of time determined in advance by turning on the second transfer transistor.
  • a fifth transfer operation in which the pixel driver transfers the third signal charges accumulated in the photoelectric conversion element to the charge holding unit after the fourth exposure period and after the fourth exposure period, after initializing the unit pixel after completion of the fourth transfer operation. And a sixth transfer operation of transferring the third signal charges transferred by the fifth transfer operation and stored in the charge holding unit to the floating diffusion region.
  • the pixel driver reads the value of the first signal charge stored in the floating diffusion region by the second transfer operation, analog-to-digital converts it into a short exposure output signal, and transmits the floating signal by the fourth transfer operation. Read the value of the second signal charge stored in the diffusion region to analog-to-digital conversion to a long exposure output signal, and by reading the value of the third signal charge transmitted by the sixth transfer operation stored in the floating diffusion region very short Analog-to-digital conversion is possible with the exposure output signal.
  • the pixel driver is a final output signal output to the outside when the value of the short exposure output signal is "DS", the value of the long exposure output signal is "DL” and the value of the very short exposure output signal is "DVS”. (Dout) can be determined by Equation 1.
  • Another aspect of the present invention for achieving the above object is a photoelectric conversion element for generating a charge to accumulate therein corresponding to the amount of incident light, a charge holding unit for holding a charge transferred from the photoelectric conversion element, and the charge
  • a pixel driving method in which a plurality of unit pixels including a floating diffusion region storing charges transferred from a holding unit is arranged in a matrix form and sequentially performs exposure control with a predetermined time difference for each row.
  • the pixel driving method includes a charge exceeding a predetermined intermediate level accumulation amount among charges accumulated in the photoelectric conversion element during the first exposure period after the first exposure period after the initialization of the unit pixel after the row-by-row exposure is started.
  • An intermediate reset step of resetting A first transfer step of transferring, after the completion of the intermediate reset step, the first signal charges exceeding the intermediate level accumulation amount among the charges accumulated in the photoelectric conversion element to the charge holding unit;
  • a fourth transfer step of transferring the second signal charges transferred by the third transfer step and stored in the charge holding unit to the floating diffusion region A fourth transfer step of transferring the second signal charges transferred by the third transfer step and stored in the charge holding unit to the floating diffusion region.
  • the present invention can solve the problem that sensitivity is reduced at low illumination by accumulating only in the photoelectric conversion element when the charge generated by the photoelectric conversion during the exposure period is below a predetermined luminance, and the charge generated by the photoelectric conversion during the exposure period.
  • the dynamic range can be increased by accumulating in both the photoelectric conversion element and the charge holding unit.
  • the present invention is not limited to the short exposure mode and the long exposure mode. long) Since there is no time difference between exposure modes, motion blur due to the time difference can be eliminated.
  • the present invention since the present invention sequentially reads the first signal charge corresponding to the short exposure mode and the second signal charge corresponding to the long exposure mode, the present invention can save data for a short exposure time. There is no need to reduce the area used for memory, saving money.
  • the present invention can optionally perform a very short exposure mode to cope with additional dynamic range expansion as needed.
  • FIG. 1 is a block diagram of a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a pixel driver according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a configuration of a unit pixel according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a timing diagram illustrating a pixel driving method according to an embodiment of the present invention.
  • 5 to 11 are potential diagrams for explaining the potential corresponding to the timing diagram of FIG. 4.
  • FIG. 12 is a graph illustrating a pixel driving method according to an embodiment of the present invention.
  • CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 12.
  • the CMOS image sensor 1 includes a pixel unit 100, a pixel driver 200, and a signal processor 300 formed on a semiconductor substrate (not shown).
  • a plurality of unit pixels having photoelectric conversion elements that generate charges and accumulate therein corresponding to the amount of incident light are arranged in a matrix in two dimensions.
  • the unit pixel 110 includes the photoelectric conversion element 111, the first transfer transistor 112, the charge holding unit 113, the second transfer transistor 114, and the floating diffusion region FD. Diffusion) 115, a reset transistor 116, an amplifying transistor 117, a selection transistor 118, and an exhaust transistor 119.
  • the photoelectric conversion element 111 may be generally provided as a photodiode PD.
  • the photodiode PD generates a charge corresponding to the incident light amount and accumulates therein.
  • the photodiode PD may be formed by forming a P-type layer on the substrate surface side and embedding the N-type buried layer with respect to the P-type well layer formed on the N-type substrate.
  • the first transfer transistor 112 is connected between the photoelectric conversion element 111 and the charge holding unit 113 and receives the first transfer control signal TX1 through the gate terminal.
  • the high potential level of the first transmission control signal TX1 applied to turn on the first transmission transistor 112 may be set to the power supply voltage VDD.
  • the first transfer transistor 112 may be implemented as an NMOS transistor.
  • the charge holding unit 113 is disposed between the photoelectric conversion element 111 and the floating diffusion region 115 and stores charges transferred from the photoelectric conversion element 111 when the first transfer transistor 112 is turned on. The charge stored in the charge holding unit 113 is transferred to the floating diffusion region 115 by the turn-on of the second transfer transistor 114.
  • the second transfer transistor 114 is connected between the charge holding unit 113 and the floating diffusion region 115, and the second transfer control signal TX2 is applied through the gate terminal.
  • the second transfer transistor 114 is turned on by the high potential of the second transfer control signal TX2, the charge accumulated in the charge holding unit 113 is transferred to the floating diffusion region 115.
  • the high potential level of the second transmission control signal TX2 supplied for turning on the second transmission transistor 114 may be set to the power supply voltage VDD.
  • the second transfer transistor 114 may be implemented as an NMOS transistor.
  • the floating diffusion region 115 stores the charges transferred from the charge holding part 113 when the second transfer transistor 114 is turned on.
  • the floating diffusion region 115 serves as a charge amount sensing node for sensing the signal charge amount of a unit pixel.
  • the reset transistor 116 is connected between the VDD of the power supply voltage terminal and the floating diffusion region 115, and the reset control signal RX is applied through the gate terminal.
  • the reset transistor 116 When the reset transistor 116 is turned on by the high potential of the reset control signal RX, the charge stored in the floating diffusion region 115 is discharged through the VDD of the power supply voltage terminal. In this regard, the reset transistor 116 may reset the charge stored in the floating diffusion region 115.
  • the amplifying transistor 117 is connected between the power supply voltage terminal VDD and the selection transistor 118 and a gate terminal is connected to the floating diffusion region 115.
  • the amplifying transistor 117 serves as a source follower for amplifying a current corresponding to the charge stored in the floating diffusion region 115.
  • the amplifying transistor 117 converts the charge stored in the floating diffusion region 115 into an electrical signal and outputs the electric charge to the outside of the unit pixel 110 through the selection transistor 118.
  • the selection transistor 118 is connected between the amplifying transistor 117 and the vertical signal line, and the selection control signal LS is applied through the gate terminal.
  • the selection transistor 118 is turned on by the selection control signal LS, the signal amplified by the amplifying transistor 117 is transmitted to the outside of the unit pixel 110 through the vertical signal line.
  • the discharge transistor 119 is disposed adjacent to the photoelectric conversion element 111 and serves to discharge the accumulated charge of the photoelectric conversion element 111.
  • the discharge transistor 119 discharges the charge of the photoelectric conversion element 111 when the high potential of the discharge control signal TXD is applied to the gate electrode at the start of exposure.
  • the discharge transistor 119 can prevent the photoelectric conversion element 111 from saturating during the readout period after the end of the exposure so that the charge overflows.
  • the pixel structure including the emission transistor 119 is adopted, but as another embodiment, the first transmission control signal TX1 and the second transmission control signal TX2 are not introduced into the configuration of the emission transistor 119. And the reset control signal RX are all applied at the high potential level to turn on the first transmission transistor 112, the second transmission transistor 114, and the reset transistor 116 to perform the same function as the emission transistor 119. Can be.
  • the pixel driver 200 performs various functions of controlling the operation of the pixel unit 100 and processing and transmitting an electrical signal output from the pixel unit 100 to the signal processor 300.
  • One of the main features of the present embodiment of the pixel driver 200 relates to exposure control of the pixel unit 100.
  • the pixel driver 200 sequentially performs exposure control with a predetermined time difference for the pixel unit 100 row by row. Perform. A detailed operation relating to the exposure control of the pixel driver 200 will be described later.
  • the pixel driver 200 includes a vertical driving module 210, a column processing module 230, a horizontal driving module 250, and a control module 260.
  • the vertical driving module 210 is configured by a shift register or an address decoder, and drives the unit pixel 110 of the pixel unit 100.
  • the vertical driving module 210 sequentially drives the unit pixels 110 of the pixel unit 100 in order to read signals from the unit pixels 110.
  • the vertical driving module 210 performs an electronic shutter operation of resetting unnecessary charges from the photoelectric conversion element 111 of the unit pixel 110 of the row to be read.
  • the vertical driving module 210 supplies a signal output from each unit pixel 110 to the column processing module 230.
  • the column processing module 230 performs a correlated double sampling (CDS) process, an analog-to-digital conversion, and a digitally converted signal on a signal input from each unit pixel 110 of the selected row. do.
  • CDS correlated double sampling
  • the column processing module 230 outputs the converted digital signal to the signal processor 300.
  • the column processing module 230 may classify and read an electrical signal output to the outside of the unit pixel 110 by turning on the amplifying transistor 117 into a reset level or a signal level. For this read operation, the selection transistor 118 should be turned on by the selection control signal LS.
  • the horizontal driving module 250 is configured by a shift register, an address decoder, or the like, and sequentially selects the unit pixels 110 corresponding to the pixel columns of the column processing module 230. By the selection and scanning by the horizontal driving module 250, the pixel signals processed by the column processing module 230 are sequentially output.
  • the control module 260 is configured by a timing generator for generating various timing signals, and includes a vertical drive module 210, a column processing module 230, and a horizontal drive module based on various timing signals generated by the timing generator. 250) and the like.
  • the control module 260 performs exposure control on the pixel unit 100 through the vertical driving module 210.
  • the pixel driver 200 sequentially performs exposure control with a predetermined time difference for each pixel unit.
  • a timing diagram is illustrated for only two of the plurality of rows.
  • the pixel driver 200 may be configured to have the reset control signal RX maintained at the high potential level and thus the reset transistor 116 is turned on. 2
  • the second transmission transistor 114 and the discharge transistor 119 are turned on by applying the transmission control signal TX2 and the emission control signal TXD to the high potential level.
  • the electric charge remaining in the photoelectric conversion element 111, the charge holding part 113, and the floating diffusion region 115 may be reset, and thus the unit pixel 110 may be initialized before the start of row-by-row exposure.
  • the pixel driver 200 performs an emission control signal TXD and a first transmission control signal TX1 after initialization of the unit pixel 110.
  • FIG. The emission transistor 119, the first transmission transistor 112, and the second transmission transistor 114 are turned off by applying the second transmission control signal TX2 at a low potential level.
  • the state of "2" in the potential diagram of FIG. 5 is maintained during the first exposure period T1, and charges are accumulated in the photoelectric conversion element 111 during this period.
  • the first exposure period T1 is short for convenience, but the first exposure period T1 may correspond to approximately one half of the entire exposure period.
  • the pixel driver 200 sets the first transfer control signal TX1 to the intermediate potential level after the first exposure period T1 has elapsed.
  • the first transmission transistor 112 is turned on to a predetermined intermediate level by applying the same.
  • the intermediate potential level may be set to a median value between a high potential level for completely turning on the first transmission transistor 112 and a low potential level for completely turning off the first transmission transistor 112.
  • the pixel driver 200 transmits the charges exceeding the intermediate potential accumulation amount determined by the intermediate potential level among the charges accumulated in the photoelectric conversion element 111 to the charge holding unit 113 during the first exposure period T1. Can be.
  • the charge transferred to the charge holding unit 113 is It does not exist.
  • the pixel driver 200 may perform a first operation in a state in which the reset transistor 116 is turned on. An intermediate reset operation of turning off the transmission transistor 112 and turning on the second transmission transistor 114 is performed.
  • the pixel driver 200 may reset the charge stored in the charge holding unit 113.
  • the pixel driver 200 turns off the second transfer transistor 114.
  • the pixel driver 200 may repeatedly perform one or more operations corresponding to "(3)" to "(6)". In the present embodiment, the above operation is performed two times, but it may be performed only once and may be set to perform three or more times.
  • offset noise components such as threshold unevenness due to the intermediate potential level applied to the first transfer transistor 119 of the unit pixel 110 and total charge amount unevenness of each unit pixel 110 can be removed. Can be.
  • the pixel driver 200 again performs a first transmission control signal (i) after an operation corresponding to "(3)” to "(6)".
  • TX1 the first transmission control signal
  • the pixel driver 200 has an intermediate potential accumulation amount determined by the intermediate potential level among the charges accumulated in the photoelectric conversion element 111 after the completion of the second exposure period T2 after completion of the intermediate reset operation by " (3) ".
  • a first transfer operation of transferring the first signal charge exceeding the charge holding unit 113 may be performed.
  • the first signal charge is the photoelectric conversion element only during the actual second exposure period T2. And the charge accumulated in 111).
  • the second exposure period T2 is set smaller than the first exposure period T1.
  • the second exposure period T2 starts from the time when the last intermediate reset operation is completed.
  • the pixel driver 200 turns off the first transfer transistor 112. As a result, charges are additionally accumulated in the intermediate potential accumulation amount remaining in the photoelectric conversion element 111 after the above-described first transfer operation.
  • the pixel driver 200 resets the floating diffusion region 115 while the reset control signal RX maintains the high potential level.
  • the selection control signal LS is applied at the high potential level to start the read mode.
  • the pixel driver 200 applies the selection control signal LS at a high potential level and immediately resets the reset control signal RX. Switching to the potential level, the charge value of the floating diffusion region 115 reset at “ (10) " is read at the reset level of the short exposure mode.
  • the reading of the reset level is performed when the reset level sampling control signal R_SH is at the high potential level.
  • the amplifying transistor 117 converts the electric charge stored in the reset floating diffusion region 115 into an electrical signal.
  • the electrical signal converted by the amplifying transistor 117 is read by the column processing module 230 of the pixel driver 200 via the selection transistor 118.
  • the pixel driver 200 maintains the reset control signal RX at a high potential level until just before the reset level is read, thereby overflowing while the charges are accumulated in the photoelectric conversion element 111, so that the floating diffusion region 115 is formed.
  • the dark signal generated from the charge transmitted to the second transmission transistor 114 and the floating diffusion region 115 may be removed.
  • the pixel driver 200 turns on the second transfer transistor 114 after reading the reset level by "(11)."
  • a second transmission operation for transmitting the first signal charge stored in the unit 113 to the floating diffusion region 115 is performed.
  • the turn-on of the second transmission transistor 114 is performed when the second transmission control signal TX2 is at the high potential level.
  • the pixel driver 200 turns off the second transfer transistor 114 after the second transfer operation by “(13)”.
  • the first signal charge stored in the floating diffusion region 115 is read at the signal level of the short exposure mode. Specific operations related to reading will be described later.
  • the reading of the signal level is performed when the signal level sampling control signal S_SH is at the high potential level.
  • the amplifying transistor 117 converts the first signal charge stored in the floating diffusion region 115 into an electrical signal.
  • the electrical signal converted by the amplifying transistor 117 is read by the column processing module 230 of the pixel driver 200 via the selection transistor 118.
  • the column processing module 230 reads an electrical signal input from each unit pixel 110 at a reset level and a signal level to perform correlation double sampling processing and analog-digital conversion.
  • the pixel driver 200 turns on the reset transistor 116 to reset the floating diffusion region 115.
  • the second signal charge accumulated in the photoelectric conversion element 111 after the third exposure period T3 has elapsed after completion of the above-described first transfer operation is transferred to the charge holding unit 113.
  • a third transmission operation for transmitting is performed.
  • the second signal charge is an additional charge accumulated in the photoelectric conversion element 111 during the third exposure period T3 to the intermediate potential accumulation amount remaining in the photoelectric conversion element 111 when the above-described first transfer operation is completed.
  • the pixel driver 200 applies the reset level sampling control signal R_SH to the high potential level to reset the charge value stored in the floating diffusion region 115 reset by " 14 " To read.
  • the pixel driver 200 turns off the first transmission transistor 112 and the second transmission.
  • the transistor 114 is turned on to transfer the second signal charge transmitted by " (15) " to the floating diffusion region 115.
  • the pixel driver 200 turns off the second transfer transistor 114 and sets the signal level sampling control signal S_SH to the high potential level.
  • the second signal charges stored in the floating diffusion region 115 are read at the signal level in the long exposure mode by application of?
  • the operation of the pixel driver 200 described with reference to FIGS. 10 and 11 is selective to the operations of "(1)" to "18" shown in the timing diagram of FIG. 4 and FIGS. 5 to 9. This operation is added to.
  • the CMOS image sensor 1 may implement a very short exposure mode in addition to the short exposure mode and the long exposure mode.
  • This very short exposure mode is generally the operating mode that is selected when it is necessary to further expand the dynamic range.
  • the pixel driver 200 turns on the reset transistor 116, the second transfer transistor 114, and the discharge transistor 119 by photoelectric conversion.
  • the charge remaining in the element 111, the charge holding portion 113, and the floating diffusion region 115 is reset.
  • the pixel driver 200 turns off the second transfer transistor 114 and the discharge transistor 119 to turn on the photoelectric conversion element 111.
  • the floating diffusion region 115 is reset by accumulating electric charges and keeping the reset transistor 116 turned on.
  • the selection control signal LS is applied at a high potential level to proceed with the read mode.
  • the pixel driver 200 turns off the reset transistor 116 and resets the reset level sampling control signal R_SH.
  • the charge value stored in the floating diffusion region 115 reset by " 20 " by being applied at the high potential level is read out as the reset level of the very short exposure mode.
  • the pixel driver 200 performs a first transfer transistor 112 after the fourth exposure period T4 elapses after the reset by "(19).” ) Is turned on to perform the fifth transfer operation of transferring the third signal charges accumulated in the photoelectric conversion element 111 to the charge holding unit 113 during the fourth exposure period T4.
  • the pixel driver 200 turns off the first transfer transistor 112 and the second transfer transistor 114.
  • FIG. By turning on, the sixth transfer operation of transferring the third signal charge stored in the charge holding unit 113 to the floating diffusion region 115 is performed.
  • the pixel driver 200 turns off the second transfer transistor 114 and sets the signal level sampling control signal S_SH to the high potential level.
  • the third signal charge stored in the floating diffusion region 115 is read at a signal level of a very short exposure mode by applying to.
  • FIG. 12 is a graph for describing an operation of the pixel driver 200. Referring to FIG. 12, a change in the amount of charge accumulated in the photoelectric conversion element 111 during the exposure period may be confirmed.
  • the intermediate potential accumulation amount (A in FIG. 12) refers to the amount of charges that can be accumulated in the photoelectric conversion element 111 when the intermediate potential level is applied to the second transfer transistor 114.
  • the amount of charge accumulated in the photoelectric conversion element 111 is the maximum accumulation amount (see FIG. 12. The change does not exceed B).
  • the maximum accumulation amount is the maximum amount of charge that can be accumulated in the photoelectric conversion element 111 and is the maximum that can be accumulated in the photoelectric conversion element 111 when the second transfer transistor 114 and the discharge transistor 119 are turned off.
  • the waveform shown in FIG. 12C is generated when the first transmission control signal TX1 of the intermediate potential level is applied to the first transmission transistor 112.
  • the read operation may be performed by the column processing module 230 of the pixel driver 200.
  • the read operation is performed in the "(11)", “(13)", “(15)”, “(18)", “(22)", and “(26)” states of the timing diagram of FIG.
  • the read operation performed in the "(22)" and "(26)" states is an optional operation.
  • the column processing module 230 converts the AD into a short exposure output signal D S using the reset level and the signal level read in "(11)" and “(13)". (Analog-digital) conversion.
  • the column processing module 230 converts the AD into a long exposure output signal D L using the reset level and the signal level read at " (15) " and “ (18) ". (Analog-digital) conversion.
  • the column processing module 230 uses the reset level and the signal level read at " (22) " and " 26 " to obtain a very short exposure output signal DVS. To analog (digital to digital) conversion.
  • the pixel driver 200 may output each of the exposure output signals DS, DL, and DVS converted as described above to the signal processor 300.
  • the column processing module 230 does not output the exposure output signals DS, DL, and DVS to the signal processing unit 300 as described above, and then goes through the following processing. It can be output to (300).
  • the column processing module 230 has the value of the exposure output signal in the short exposure mode as "DS", the value of the exposure output signal in the long exposure mode as "DL”, and is very short.
  • the value of the exposure output signal in the exposure mode is "DVS”
  • the value of the final output signal, "Dout” output to the signal processor 300 may be determined by Equation 1.
  • DL_max is the Max output code of DL
  • DS_max is the Max output code of DS
  • TL is an exposure period corresponding to a long exposure mode
  • the first exposure period T1 and the second exposure period T2 and The third exposure period T3 is added
  • TS is the exposure period corresponding to the short exposure mode
  • the second exposure period T2 is the exposure period corresponding to the very short exposure mode.
  • This is the fourth exposure period T4.
  • C is a constant and is a value that can be varied by the margin coefficient of each exposure mode conversion. When the exposure output signals DS, DL, and DVS are each 10 bits, the C value may be set to 0.8.
  • the exposure output signals DS, DL, and DVS are 10 bits for each pixel, a total of 30 bits of data may be output. If there is no exposure output signal DVS in a very short exposure mode, a total of 20 bits of data are output.
  • the CMOS image sensor 1 has the intermediate potential of the first transfer transistor 112 in the state where the second transfer transistor 114 is turned off through the pixel driver 200 in the middle of the total exposure period. Turn on one or more times by level.
  • the first transfer transistor 112 functions as an intermediate charge transfer unit that transfers the photocharge generated beyond the intermediate potential level to the charge holding unit 113 as the first signal charge.
  • the first transfer transistor 112 is a charge holding unit that charges a charge exceeding a predetermined amount of charge generated by photoelectric conversion in the photoelectric conversion element 111 and determined by a voltage value of an intermediate potential level as the first signal charge. (113).
  • the CMOS image sensor solves a problem in that the charge generated by the photoelectric conversion during the exposure period is accumulated only in the photoelectric conversion element 111 when the incident light is below a certain luminance, that is, when the light is weak, thereby reducing the sensitivity at low light.
  • the charge generated by the photoelectric conversion during the exposure period is greater than a predetermined illuminance, that is, when the light is strong, the charge may be accumulated in both the photoelectric conversion element 111 and the charge holding unit 113 to increase the dynamic range. have.
  • the dynamic range can be additionally extended by transferring and storing charges to the charge holding unit 113 that are no longer accumulated due to the saturation of the photoelectric conversion element 111.
  • the CMOS image sensor according to the present exemplary embodiment includes a first exposure period T1 and a third exposure period T3 corresponding to a long exposure mode in which a second exposure period T2 corresponding to a short exposure mode is long. Since there is no time difference between the short exposure mode and the long exposure mode, motion blur due to the time difference can be eliminated.
  • the first signal charge corresponding to the short exposure mode corresponds to the charge accumulated in the second exposure period T2 and the second signal charge corresponding to the long exposure mode corresponds to the first exposure period T1 and the first signal charge. It corresponds to the charge accumulated in the three exposure periods T3.
  • the CMOS image sensor according to the present embodiment sequentially reads the first signal charge corresponding to the short exposure mode and the second signal charge corresponding to the long exposure mode. You don't have to retain as much data as time, which reduces the area used for memory, saving you money.
  • CMOS image sensor may selectively perform a very short exposure mode as needed, and may correspond to an additional dynamic range extension as necessary.
  • CMOS image sensors It can be widely used in various kinds of CMOS image sensors.

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Abstract

본 발명은 CMOS 이미지센서에 관한 것으로, 상기 발명은 광전변환소자와, 상기 광전변환소자로부터 전송되는 전하를 유지하는 전하유지부와, 상기 전하유지부로부터 전송되는 전하를 저장하는 부유확산영역을 구비하는 복수의 단위픽셀이 매트릭스 형태로 배치된 픽셀부; 및 상기 픽셀부를 행별로 일정 시차를 두고 순차적으로 노광제어를 수행하는 픽셀구동부를 포함하고, 상기 픽셀구동부는 상기 단위픽셀의 초기화 후 제1 노광기간의 경과 후 상기 제1 노광기간 동안 상기 광전변환소자에 축적된 전하 중 사전에 정해진 중간레벨 축적량을 초과하는 전하를 리셋하는 중간리셋 동작과, 상기 중간리셋 동작 완료 후 제2 노광기간의 경과 후 상기 광전변환소자에 축적된 전하 중 상기 중간레벨 축적량을 초과하는 제1 신호전하를 상기 전하유지부로 전송하는 제1 전송동작과, 상기 제1 전송동작에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 상기 제1 신호전하를 상기 부유확산영역으로 전송하는 제2 전송동작을 수행하는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 본 발명은 노광기간 중에 광전변환에 의해 발생된 전하가 입사광이 일정 휘도 이하인 경우 광전변환소자에만 축적됨으로써 저조도에서 감도가 감소되는 문제를 해결할 수 있고, 노광기간 중에 광전변환에 의해 발생된 전하가 입사광이 일정 조도 이상일 경우 광전변환소자 및 전하유지부 양쪽에 축적됨으로써 다이내믹 레인지를 증대시킬 수 있다.

Description

픽셀의 구동방법 및 이를 이용하는 CMOS 이미지센서
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 외부의 광학 신호를 전기적 영상신호로 변환하는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지 센서와 CMOS 이미지센서에 포함된 픽셀의 구동방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 외부의 광학 영상신호를 전기 영상신호로 변환하는 장치이다.
특히, CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 제작된 이미지 센서이다. CMOS 이미지센서에서 픽셀부는 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.
CMOS 이미지센서는 일반적으로 입사광량에 따라 전하를 발생하여 내부에 축적하는 광전변환소자, 광전변환소자에 축적된 전하를 전송하는 전송 트랜지스터, 전송되는 전하를 전압으로 변환하는 부유확산영역(FD), 부유확산영역(FD)에 전송된 전하를 리셋하는 리셋트랜지스터, 부유확산영역에서 전압 변환된 신호를 읽어 내는 증폭트랜지스터와 X-Y화소 어드레스 중 신호를 읽어내는 라인을 선택하는 선택트랜지스터를 포함하는 복수의 화소로 구성되어 있다
일반적인 이미지센서는 하나의 노출 정보에 따라 하나의 이미지만 존재 하므로 다양한 조도의 대역을 표현할 수 없는 한계를 가지고 있다.
즉 종래 이미지센서는 극히 밝은 이미지와 어두운 이미지가 동시에 존재하는 영상을 촬영하게 되면 노출 시간이 적은 경우에는 밝은 부분이 잘 표현되나 어두운 부분은 노출 시간이 적어 전체적으로 어둡게 표현되는 문제가 있다.
또한 종래 이미지센서는 노출 시간이 긴 경우에는 어두운 부분의 물체는 잘 구별되어 보이지만, 밝은 부분에 해당하는 픽셀이 모두 포화(Saturation) 되어 이미지가 온통 하얗게 되어 영상의 구별이 어려운 문제가 있다.
이와 같이 종래 이미지센서는 어두운 부분과 밝은 부분 모두의 정보를 손실 없이 획득하기 어렵고 다이내믹 범위가 좁아지는 문제를 가지고 있다.
이를 해결하기 위해 다양한 방법이 제안되었다. 이중 보편적으로 사용되는 방법은 여러 노출 시간으로 찍은 복수의 이미지를 합성하는 멀티 익스포즈(Multi expose)방식이다.
그러나 이러한 방식은 노출 시간을 달리하는 복수의 화상 신호를 합성하기 위해서는 복수의 샘플링 과정이 필요하며, 이를 위해서 이미지센서에 메모리가 필수적 요소가 되는 부담이 있다. 메모리는 칩의 면적을 크게 만들어 가격 경쟁력을 잃게 만든다.
또한 종래 방식은 복수의 노출시간이 서로 달라 복수의 이미지의 합성 시에 이미지에서 모션 블루(Motion Blur) 등의 왜곡이 일어 날 수 있고, 복수의 노출 시간을 이용하기 때문에 하나의 노출 시간을 이용할 때보다 노출 시간이 줄어들어 저조도 부분의 감도가 노말 동작 시와 비교하여 감소하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 부유확산영역 외 별도의 전하유지 수단을 가지는 픽셀을 이용하고 이 픽셀의 노광제어를 위한 구동 타이밍을 변경함으로써 다이내믹 레인지를 증대할 수 있는 픽셀의 구동방법 이를 이용하는 CMOS 이미지센서를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 CMOS 이미지센서는, 입사광량에 대응하여 전하를 발생하여 내부에 축적하는 광전변환소자와, 상기 광전변환소자로부터 전송되는 전하를 유지하는 전하유지부와, 상기 전하유지부로부터 전송되는 전하를 저장하는 부유확산영역을 구비하는 복수의 단위픽셀이 매트릭스 형태로 배치된 픽셀부; 및 상기 픽셀부를 행별로 일정 시차를 두고 순차적으로 노광제어를 수행하는 픽셀구동부를 포함하고, 상기 픽셀구동부는 상기 단위픽셀의 초기화 후 제1 노광기간의 경과 후 상기 제1 노광기간 동안 상기 광전변환소자에 축적된 전하 중 사전에 정해진 중간레벨 축적량을 초과하는 전하를 리셋하는 중간리셋 동작과, 상기 중간리셋 동작 완료 후 제2 노광기간의 경과 후 상기 광전변환소자에 축적된 전하 중 상기 중간레벨 축적량을 초과하는 제1 신호전하를 상기 전하유지부로 전송하는 제1 전송동작과, 상기 제1 전송동작에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 상기 제1 신호전하를 상기 부유확산영역으로 전송하는 제2 전송동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 픽셀구동부는 상기 중간리셋 동작을 2회 이상 반복 수행한다. 또한 상기 픽셀구동부는 상기 제1 전송동작 완료 후 제3 노광기간의 경과 후 상기 광전변환소자에 축적된 모든 전하를 제2 신호전하로서 상기 전하유지부로 전송하는 제3 전송동작과, 상기 제3 전송동작에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 상기 제2 신호전하를 상기 부유확산영역으로 전송하는 제4 전송동작을 수행할 수 있다.
상기 단위픽셀은 상기 광전변환소자에 축적된 전하를 상기 전하유지부로 전송하기 위한 제1 전송트랜지스터와, 상기 전하유지부에 유지된 전하를 상기 부유확산영역으로 전송하기 위한 제2 전송트랜지스터를 더 구비하고, 상기 픽셀구동부는 상기 단위픽셀의 초기화 후 상기 제1 노광기간의 경과 후 상기 제1 전송트랜지스터를 상기 제1 전송트랜지스터를 완전히 턴온시키기 위한 고전위 레벨과 상기 제1 전송트랜지스터를 완전히 턴오프시키기 위한 저전위 레벨 사이의 중간 값인 중간전위 레벨로 턴온시킴으로써 상기 중간리셋 동작을 수행하고, 상기 중간리셋 동작 후 상기 제2 노광기간의 경과 후 상기 제1 전송트랜지스터를 상기 중간전위 레벨로 턴온시킴으로써 상기 제1 전송동작을 수행하며, 상기 제1 전송동작 완료 후 제3 노광기간의 경과 후 상기 제1 전송트랜지스터를 고전위 레벨로 턴온시킴으로써 상기 제3 전송동작을 수행하고, 사전에 정해진 기간 경과 후 상기 제2 전송트랜지스터를 턴온시킴으로써 상기 제4 전송동작을 수행할 수 있다.
상기 픽셀구동부는 제4 전송동작 완료 후 상기 단위픽셀을 초기화한 후 제4 노광기간의 경과 후 상기 노광기간 동안 상기 광전변환소자에 축적된 제3 신호전하를 상기 전하유지부로 전송하는 제5 전송동작과, 상기 제5 전송동작에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 상기 제3 신호전하를 상기 부유확산영역으로 전송하는 제6 전송동작을 수행할 수 있다.
상기 픽셀구동부는 상기 제2 전송동작에 의하여 전송되어 상기 부유확산영역에 저장된 제1 신호전하의 값을 판독하여 짧은 노광출력신호로 아날로그-디지털 변환하고, 상기 제4 전송동작에 의하여 전송되어 상기 부유확산영역에 저장된 제2 신호전하의 값을 판독하여 긴 노광출력신호로 아날로그-디지털 변환하며, 상기 제6 전송동작에 의하여 전송되어 상기 부유확산영역에 저장된 제3 신호전하의 값을 판독하여 매우 짧은 노광출력신호로 아날로그-디지털 변환할 수 있다.
상기 픽셀구동부는 상기 짧은 노광출력신호의 값이 "DS"이고 상기 긴 노광출력신호의 값이 "DL"이며 상기 매우 짧은 노광출력신호의 값이 "DVS"인 경우, 외부로 출력되는 최종출력신호(Dout)를 수식 1에 의해 결정할 수 있다.
수식 1:
Figure PCTKR2018001867-appb-I000001
(여기서, DL_max = DL의 Max 출력 code, DS_max = DS의 Max 출력 code, TL = 상기 제1 노광기간 + 상기 제2 노광기간 + 상기 제3 노광기간, TS = 상기 제2 노광기간, TVS = 상기 제4 노광기간, C = 상수)
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면은 입사광량에 대응하여 전하를 발생하여 내부에 축적하는 광전변환소자와, 상기 광전변환소자로부터 전송되는 전하를 유지하는 전하유지부와, 상기 전하유지부로부터 전송되는 전하를 저장하는 부유확산영역을 구비하는 복수의 단위픽셀이 매트릭스 형태로 배치된 픽셀부를 행별로 일정 시차를 두고 순차적으로 노광 제어를 수행하는 픽셀의 구동방법에 관한 것이다.
상기 픽셀의 구동방법은 행별 노광이 시작된 후 상기 단위픽셀의 초기화 후 제1 노광기간의 경과 후 상기 제1 노광기간 동안 상기 광전변환소자에 축적된 전하 중 사전에 정해진 중간레벨 축적량을 초과하는 전하를 리셋하는 중간리셋 단계; 상기 중간리셋 단계 완료 후 제2 노광기간의 경과 후 상기 광전변환소자에 축적된 전하 중 상기 중간레벨 축적량을 초과하는 제1 신호전하를 상기 전하유지부로 전송하는 제1 전송단계; 상기 제1 전송단계에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 상기 제1 신호전하를 상기 부유확산영역으로 전송하는 제2 전송단계; 상기 제1 전송단계 완료 후 제3 노광기간의 경과 후 상기 광전변환소자에 축적된 모든 전하를 제2 신호전하로서 상기 전하유지부로 전송하는 제3 전송단계; 및 상기 제3 전송단계에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 상기 제2 신호전하를 상기 부유확산영역으로 전송하는 제4 전송단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명은 노광기간 중에 광전변환에 의해 발생된 전하가 입사광이 일정 휘도 이하인 경우 광전변환소자에만 축적됨으로써 저조도에서 감도가 감소되는 문제를 해결할 수 있고, 노광기간 중에 광전변환에 의해 발생된 전하가 입사광이 일정 조도 이상일 경우 광전변환소자 및 전하유지부 양쪽에 축적됨으로써 다이내믹 레인지를 증대시킬 수 있다.
또한 본 발명은 짧은(short) 노광모드에 대응하는 제2 노광기간이 긴(long) 노광모드에 대응하는 제1 노광기간과 제3 노광기간의 사이에 위치하므로 짧은(short) 노광모드와 긴(long) 노광모드 사이의 시간차가 없어 시간차에 의한 모션 블러(motion blur)가 제거될 수 있다.
또한 본 발명은 짧은(short) 노광모드에 대응하는 제1 신호전하와 긴(long) 노광모드에 대응하는 제2 신호전하를 연이어 판독하기 때문에 종래와 달리 짧은 노광을 위한 시간 만큼의 데이터를 보존할 필요가 없어 메모리에 사용되는 면적을 줄일 수 있으므로 비용을 절감할 수 있다.
또한 본 발명은 선택적으로 매우 짧은(very short) 노광모드를 수행할 수 있어 필요에 따라 추가적인 다이내믹 레인지의 확장에 대응할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀구동부의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 픽셀의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 구동방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 5 내지 도 11은 도 4의 타이밍도에 대응하는 포텐셜을 설명하기 위한 포텐셜도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 구동방법을 설명하기 위한 그래프이다.
이하 도 1 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지센서에 대해 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 CMOS 이미지센서(1)는 도시되지 않은 반도체기판상에 형성된 픽셀부(100), 픽셀구동부(200), 신호처리부(300)를 포함한다.
픽셀부(100)는 입사광량에 대응하여 전하를 발생하여 내부에 축적하는 광전변환소자를 갖는 복수의 단위픽셀들이 행렬 형태로 2차원으로 배치되어 있다.
이하 도 2를 참조하여 단위픽셀(110)에 대해서 설명한다. 도 2에 도시된 바와 같이 단위픽셀(110)은 광전변환소자(111), 제1 전송트랜지스터(112), 전하유지부(113), 제2 전송트랜지스터(114), 부유확산영역(FD, Floating Diffusion)(115), 리셋트랜지스터(116), 증폭트랜지스터(117), 선택트랜지스터(118), 배출트랜지스터(119)를 포함한다.
광전변환소자(111)는 일반적으로 포토다이오드(PD)로 마련될 수 있다. 포토다이오드(PD)는 입사광량에 대응하여 전하를 발생하여 내부에 축적한다. 예를 들면 포토다이오드(PD)는 N형 기판 상에 형성된 P형 웰층에 대하여, P형층을 기판 표면 측에 형성하고 N형 매립층을 매립함으로써 형성될 수 있다.
제1 전송트랜지스터(112)는 광전변환소자(111)와 전하유지부(113) 사이에 연결되고 게이트 단자를 통해 제1 전송제어신호(TX1)가 인가된다. 제1 전송트랜지스터(112)가 제1 전송제어신호(TX1)의 고전위에 의해 턴온되면 광전변환소자(111)에 축적된 전하가 전하유지부(113)로 전송된다. 제1 전송트랜지스터(112)의 턴온을 위해 인가되는 제1 전송제어신호(TX1)의 고전위 레벨은 전원전압 VDD로 설정될 수 있다. 일예로서 제1 전송트랜지스터(112)는 NMOS 트랜지스터로 구현될 수 있다.
전하유지부(113)는 광전변환소자(111)와 부유확산영역(115) 사이에 배치되고, 제1 전송트랜지스터(112)의 턴온시 광전변환소자(111)로부터 전송된 전하를 저장한다. 전하유지부(113)에 저장된 전하는 제2 전송트랜지스터(114)의 턴온에 의해 부유확산영역(115)으로 전송된다.
제2 전송트랜지스터(114)는 전하유지부(113)와 부유확산영역(115) 사이에 연결되고 게이트 단자를 통해 제2 전송제어신호(TX2)가 인가된다. 제2 전송트랜지스터(114)가 제2 전송제어신호(TX2)의 고전위에 의해 턴온되면 전하유지부(113)에 축적된 전하가 부유확산영역(115)으로 전송된다. 제2 전송트랜지스터(114)의 턴온을 위해 공급되는 제2 전송제어신호(TX2)의 고전위 레벨은 전원전압 VDD로 설정될 수 있다. 일예로서 제2 전송트랜지스터(114)는 NMOS 트랜지스터로 구현될 수 있다.
부유확산영역(115)은 제2 전송트랜지스터(114)의 턴온시 전하유지부(113)로부터 전송된 전하를 저장한다. 부유확산영역(115)은 단위픽셀의 신호 전하량을 감지하기 위한 전하량 감지노드의 역할을 수행한다.
리셋트랜지스터(116)는 전원전압단의 VDD와 부유확산영역(115) 사이에 연결되고 게이트 단자를 통해 리셋제어신호(RX)가 인가된다. 리셋트랜지스터(116)가 리셋제어신호(RX)의 고전위에 의해 턴온되면 부유확산영역(115)에 저장된 전하가 전원전압단의 VDD를 통해 방출된다. 이에 이해 리셋트랜지스터(116)는 부유확산영역(115)에 저장된 전하를 리셋할 수 있다.
증폭트랜지스터(117)는 전원전압단 VDD와 선택트랜지스터(118) 사이에 연결되고 게이트 단자가 부유확산영역(115)에 연결된다. 이에 의해 증폭트랜지스터(117)는 부유확산영역(115)에 저장된 전하에 대응하는 전류를 증폭하는 소스팔로우(source follower)의 역할을 수행한다. 증폭트랜지스터(117)는 부유확산영역(115)에 저장된 전하를 전기적 신호로 변환하여 선택트랜지스터(118)를 통해 단위픽셀(110)의 외부로 출력시키는 기능을 수행한다.
선택트랜지스터(118)는 증폭트랜지스터(117)와 수직 신호선의 사이에 연결되고 게이트 단자를 통해 선택제어신호(LS)가 인가된다. 선택트랜지스터(118)가 선택제어신호(LS)에 의해 턴온되면 증폭트랜지스터(117)에 증폭된 신호가 수직 신호선을 통해 단위픽셀(110)의 외부로 전송된다.
배출트랜지스터(119)는 광전변환소자(111)에 인접하여 배치되고 광전변환소자(111)의 축적 전하를 배출하는 역할을 수행한다. 배출트랜지스터(119)는 노광 개시 시에 게이트 전극에 배출제어신호(TXD)의 고전위가 인가되면 광전변환소자(111)의 전하를 배출한다. 배출트랜지스터(119)는 노광 종료 후의 판독 기간 중에 광전변환소자(111)가 포화되어 전하가 오버플로우되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에서는 배출트랜지스터(119)가 구비된 화소 구조를 채택하였지만, 다른 실시예로서 배출트랜지스터(119)의 구성을 도입하지 않고 제1 전송제어신호(TX1), 제2 전송제어신호(TX2) 및 리셋제어신호(RX)를 모두 고전위 레벨로 인가하여 제1 전송트랜지스터(112), 제2 전송트랜지스터(114) 및 리셋트랜지스터(116)를 턴온함으로써 배출트랜지스터(119)와 동일한 기능을 수행할 수 있다.
픽셀구동부(200)는 픽셀부(100)의 동작을 제어함과 더불어 픽셀부(100)로부터 출력된 전기적 신호를 처리하여 신호처리부(300)로 전달하는 다양한 기능을 수행한다.
픽셀구동부(200)에 대한 본 실시예의 주요 특징 중 하나는 픽셀부(100)의 노광제어에 관한 것으로, 픽셀구동부(200)는 픽셀부(100)를 행별로 일정 시차를 두고 순차적으로 노광제어를 수행한다. 픽셀구동부(200)의 노광제어에 관한 구체적 동작에 대해서는 후술한다.
이하 도 3을 참조하여 픽셀구동부(200)에 대해 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이 픽셀구동부(200)는 수직구동모듈(210), 컬럼처리모듈(230), 수평구동모듈(250), 제어모듈(260)을 포함한다.
수직구동모듈(210)은 시프트 레지스터 또는 어드레스 디코더 등에 의해 구성되며, 픽셀부(100)의 단위픽셀(110)을 구동한다. 수직구동모듈(210)은 단위픽셀(110)로부터 신호를 판독하기 위해, 픽셀부(100)의 단위픽셀(110)을 행 단위로 차례로 구동시킨다.
또한 수직구동모듈(210)은 판독되는 행의 단위픽셀(110)의 광전변환소자(111)로부터 불필요한 전하를 리셋시키는 전자셔터동작을 수행한다. 수직구동모듈(210)은 각각의 단위픽셀(110)로부터 출력되는 신호를 컬럼처리모듈(230)로 공급한다.
컬럼처리모듈(230)은 선택된 행의 각각의 단위픽셀(110)로부터 입력되는 신호에 대하여 상관이중샘플링(CDS, Correlated Double Sampling) 처리와, 아날로그-디지털 변환, 디지털 변환된 신호의 저장 등을 수행한다. 컬럼처리모듈(230)은 변환된 디지털 신호를 신호처리부(300)로 출력한다.
컬럼처리모듈(230)은 증폭트랜지스터(117)의 턴온에 의해 단위픽셀(110)의 외부로 출력되는 전기적 신호를 리셋레벨 또는 신호레벨로 구분하여 판독할 수 있다. 이러한 판독동작을 위해서는 선택제어신호(LS)에 의해 선택트랜지스터(118)가 턴온된 상태여야 한다.
수평구동모듈(250)은 시프트 레지스터 또는 어드레스 디코더 등에 의해 구성되며, 컬럼처리모듈(230)의 화소열에 대응하는 단위픽셀(110)을 차례대로 선택한다. 이 수평구동모듈(250)에 의한 선택 및 주사에 의해, 컬럼처리모듈(230)에서 신호 처리된 화소 신호가 차례대로 출력된다.
제어모듈(260)은 각종의 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 발생기 등에 의해 구성되며, 타이밍 발생기에서 생성된 각종의 타이밍 신호를 기초로 수직구동모듈(210), 컬럼처리모듈(230) 및 수평구동모듈(250) 등의 제어를 수행한다. 제어모듈(260)은 수직구동모듈(210)을 통해 픽셀부(100)에 대한 노광제어를 수행한다.
이하에서는 도 4 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀의 구동방법에 대해 설명한다.
픽셀구동부(200)는 픽셀부를 행별로 일정 시차를 두고 순차적으로 노광제어를 수행한다. 도 4에서는 편의상 다수의 행들 중 2개의 행에 대해서만 타이밍도를 예시적으로 도시하였다.
도 4의 타이밍도 및 도 5의 포텐셜도 "(1)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 리셋제어신호(RX)가 고전위 레벨을 유지하여 리셋트랜지스터(116)가 턴온된 상태에서 제2 전송제어신호(TX2) 및 배출제어신호(TXD)를 고전위 레벨로 인가함으로써 제2 전송트랜지스터(114) 및 배출트랜지스터(119)를 턴온시킨다. 이에 의해 광전변환소자(111), 전하유지부(113), 부유확산영역(115)에 남아있는 전하가 리셋됨으로써 행별 노광의 시작 전 단위픽셀(110)이 초기화될 수 있다.
도 4의 타이밍도 및 도 5의 포텐셜도의 "(2)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 단위픽셀(110)의 초기화 후 배출제어신호(TXD), 제1 전송제어신호(TX1), 제2 전송제어신호(TX2)를 저전위 레벨로 인가함으로써 배출트랜지스터(119), 제1 전송트랜지스터(112), 제2 전송트랜지스터(114)를 턴오프시킨다.
도 5의 포텐셜도의"2"의 상태는 제1 노광기간(T1) 동안 유지되고, 이 기간 동안 광전변환소자(111)에 전하가 축적된다. 도 4의 타이밍도 상에는 편의상 제1 노광기간(T1)이 짧게 나타났으나, 제1 노광기간(T1)은 전체 노광기간의 대략 1/2에 해당할 수 있다.
도 4의 타이밍도 및 도 5의 포텐셜도의 "(3)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 제1 노광기간(T1)의 경과 후 제1 전송제어신호(TX1)를 중간전위 레벨로 인가함으로써 제1 전송트랜지스터(112)를 사전에 정해진 중간레벨로 턴온시킨다. 중간전위 레벨은 제1 전송트랜지스터(112)를 완전 턴온시키기 위한 고전위 레벨과 제1 전송트랜지스터(112)를 완전히 턴오프시키기 위한 저전위 레벨 사이의 중간값으로 설정될 수 있다.
이에 의해 픽셀구동부(200)는 제1 노광기간(T1) 동안 광전변환소자(111)에 축적된 전하 중 중간전위 레벨에 의해 결정되는 중간전위 축적량을 초과하는 전하를 전하유지부(113)로 전송할 수 있다.
만약 제1 노광기간(T1) 동안 입사된 광이 저조도의 광이여서 이 기간 광전변환소자(111)에 축적된 전하가 상기 중간전위 축적량을 초과하지 못한 경우에는 전하유지부(113)로 전송되는 전하는 존재하지 않게 된다.
도 4의 타이밍도 및 도 5 및 도 6의 포텐셜도의 "(4)", "(5)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 리셋트랜지스터(116)가 턴온을 유지한 상태에서 제1 전송트랜지스터(112)를 턴오프하고 제2 전송트랜지스터(114)를 턴온하는 중간리셋 동작을 수행한다.
이에 의해 픽셀구동부(200)는 전하유지부(113)에 저장된 전하를 리셋할 수 있다.
도 4의 타이밍도 및 도 6의 포텐셜도의 "(6)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 제2 전송트랜지스터(114)를 턴오프한다.
픽셀구동부(200)는 위의 "(3)"~"(6)"에 해당하는 동작을 1회 이상 반복 수행할 수 있다. 본 실시예에서는 위의 동작이 2회 수행하는 것을 예로 들었으나, 1회만 수행할 수 있고, 3회 이상 수행하도록 설정될 수 있다.
이와 같은 중간리셋 동작에 의해 단위화소(110)의 제1 전송트랜지스터(119)에 인가되는 중간전위 레벨에 의한 임계값 불균일과 각 단위화소(110)의 총 전하량 불균일 등의 오프셋 노이즈 성분을 제거할 수 있다.
도 4의 타이밍도 및 도 6의 포텐셜도의 "(7)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 "(3)"~"(6)"에 해당하는 동작 이후 다시 제1 전송제어신호(TX1)를 중간전위 레벨로 인가함으로써 제1 전송트랜지스터(112)를 사전에 정해진 중간레벨로 턴온시킨다.
픽셀구동부(200)는 "(3)"에 의한 중간리셋 동작의 완료 후 제2 노광기간(T2)의 경과 후 광전변환소자(111)에 축적된 전하 중 중간전위 레벨에 의해 결정되는 중간전위 축적량을 초과하는 제1 신호전하를 전하유지부(113)로 전송하는 제1 전송동작을 수행할 수 있다.
제2 노광기간(T2)의 시작 전 광전변환소자(111)에는 이미 중간전위 축적량에 대응하는 전하가 이미 남아있는 상태이므로, 제1 신호전하는 실제 제2 노광기간(T2) 동안에만 광전변환소자(111)에 축적된 전하를 의미한다.
또한 제2 노광기간(T2)은 제1 노광기간(T1) 보다 작게 설정된다.
중간리셋 동작이 여러 번 수행된 경우 제2 노광기간(T2)은 맨 마지막 수행된 중간리셋 동작이 완료된 시점부터 시작한다.
도 4의 타이밍도 및 도 6 및 도 7의 포텐셜도의 "(8)","(9)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 제1 전송트랜지스터(112)를 턴오프시킨다. 이에 의해 전술한 제1 전송동작 후 광전변환소자(111)에 잔류한 중간전위 축적량에 전하가 추가적으로 축적된다.
도 4의 타이밍도 및 도7의 포텐셜도의 "(10)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 리셋제어신호(RX)가 고전위 레벨을 유지하여 부유확산영역(115)을 리셋하고, 선택제어신호(LS)를 고전위 레벨로 인가하여 판독모드를 시작한다.
도 4의 타이밍도 및 도 7의 포텐셜도의 "(11)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 선택제어신호(LS)를 고전위 레벨로 인가한 후 바로 리셋제어신호(RX)를 저전위 레벨로 전환하고, 위의 "(10)"에서 리셋된 부유확산영역(115)의 전하값을 짧은(short) 노광모드의 리셋레벨로 판독한다.
리셋레벨의 판독은 리셋레벨 샘플링 제어신호(R_SH)가 고전위 레벨인 경우 수행된다. 증폭트랜지스터(117)는 리셋된 부유확산영역(115)에 저장된 전하를 전기적 신호로 변환한다. 증폭트랜지스터(117)에 의해 변환된 전기적 신호는 선택트랜지스터(118)를 거쳐 픽셀구동부(200)의 컬럼처리모듈(230)에 의해 판독된다.
픽셀구동부(200)는 리셋제어신호(RX)를 리셋레벨의 판독이 이루어지기 직전까지 고전위 레벨로 유지함으로써, 광전변환소자(111)에 전하가 축적되는 동안 오버플로우되어 부유확산영역(115)으로 전송되는 전하나 제2 전송트랜지스터(114) 및 부유확산영역(115)에서 발생되는 dark 신호를 제거할 수 있다.
도 4의 타이밍도 및 도 7의 포텐셜도의 "(12)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 "(11)"에 의한 리셋레벨 판독 후 제2 전송트랜지스터(114)를 턴온하여 전하유지부(113)에 저장된 제1 신호전하를 부유확산영역(115)으로 전송하는 제2 전송동작을 수행한다. 이러한 제2 전송트랜지스터(114)의 턴온은 제2 전송제어신호(TX2)가 고전위 레벨일 때 수행된다.
도 4의 타이밍도 및 도 8의 포텐셜도의 "(13)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 "(13)"에 의한 제2 전송동작 후 제2 전송트랜지스터(114)를 턴오프하고, 부유확산영역(115)에 저장된 제1 신호전하를 짧은(short) 노광모드의 신호레벨로 판독한다. 판독과 관련된 구체적 동작은 후술한다.
신호레벨의 판독은 신호레벨 샘플링 제어신호(S_SH)가 고전위 레벨인 경우 수행된다. 증폭트랜지스터(117)는 부유확산영역(115)에 저장된 제1 신호전하를 전기적 신호로 변환한다. 증폭트랜지스터(117)에 의해 변환된 전기적 신호는 선택트랜지스터(118)를 거쳐 픽셀구동부(200)의 컬럼처리모듈(230)에 의해 판독된다.
즉 컬럼처리모듈(230)은 각각의 단위픽셀(110)들로 부터 입력된 전기적 신호를 리셋레벨 및 신호레벨로 판독하여 상관이중샘플링 처리와 아날로그-디지털 변환 등을 수행한다.
도 4의 타이밍도 및 도 8의 포텐셜도의 "(14)", "(15)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 리셋트랜지스터(116)를 턴온하여 부유확산영역(115)을 리셋하고, 제1 전송트랜지스터(112)를 턴온하여 전술한 제1 전송동작 완료 후 제3 노광기간(T3)의 경과 후 광전변환소자(111)에 축적된 제2 신호전하를 전하유지부(113)로 전송하는 제3 전송동작을 수행한다.
제2 신호전하는 전술한 제1 전송동작 완료시에 광전변환소자(111)에 잔류한 중간전위 축적량에 제3 노광기간(T3) 동안 광전변환소자(111)에 추가적으로 축적된 전하를 더한 것이다.
픽셀구동부(200)는 리셋레벨 샘플링 제어신호(R_SH)를 고전위 레벨로 인가함으로써"(14)"에 의해 리셋된 부유확산영역(115)에 저장된 전하값을 긴(long) 노광모드의 리셋레벨로 판독한다.
도 4의 타이밍도 및 도 8 및 도 9의 포텐셜도의 "(16)", "(17)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 제1 전송트랜지스터(112)를 턴오프하고 제2 전송트랜지스터(114)를 턴온하여 "(15)"에 의해 전송된 제2 신호전하를 부유확산영역(115)으로 전송한다.
도 4의 타이밍도 및 도 9의 포텐셜도의 "(18)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 제2 전송트랜지스터(114)를 턴오프하고 신호레벨 샘플링 제어신호(S_SH)를 고전위 레벨로 인가함으로써 부유확산영역(115)에 저장된 제2 신호전하를 긴(long) 노광모드의 신호레벨로 판독한다.
이하에서는 도 10 및 도 11을 참조하여 설명하는 픽셀구동부(200)의 동작은 전술한 도 4의 타이밍도 및 도 5 내지 도 9에 나타난 "(1)"~"(18)"의 동작에 선택적으로 부가되는 동작이다.
이와 같은 동작이 선택되면 본 실시예에 따른 CMOS 이미지센서(1)는 짧은(short) 노광모드 및 긴(long) 노광모드 외에 추가적으로 매우 짧은(very short) 노광모드를 구현할 수 있다. 이러한 매우 짧은(very short) 노광모드는 일반적으로 다이내믹 레인지를 추가적으로 확대할 필요가 있는 경우 선택되는 동작모드이다.
도 4의 타이밍도 및 도 10의 포텐셜도 "(19)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 리셋트랜지스터(116), 제2 전송트랜지스터(114) 및 배출트랜지스터(119)를 턴온시킴으로써 광전변환소자(111), 전하유지부(113), 부유확산영역(115)에 남아있는 전하를 리셋한다.
도 4의 타이밍도 및 도 10의 포텐셜도 "(20)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 제2 전송트랜지스터(114) 및 배출트랜지스터(119)를 턴오프시키고 광전변환소자(111)에 전하를 축적하고, 리셋트랜지스터(116)를 턴온 상태로 유지함으로써 부유확산영역(115)을 리셋한다. "(20)"상태에서 선택제어신호(LS)가 고전위 레벨로 인가되어 판독모드가 진행된다.
도 4의 타이밍도 및 도 10의 포텐셜도 "(21)"및 "(22)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 리셋트랜지스터(116)를 턴오프하고 리셋레벨 샘플링 제어신호(R_SH)를 고전위 레벨로 인가하여 "20"에 의해 리셋된 부유확산영역(115)에 저장된 전하값을 매우 짧은(very short) 노광모드의 리셋레벨로 판독한다.
도 4의 타이밍도 및 도 11의 포텐셜도 "(23)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 "(19)"에 의한 리셋 후 제4 노광기간(T4) 경과 후 제1 전송트랜지스터(112)를 턴온함으로서 제4 노광기간(T4) 동안 광전변환소자(111)에 축적된 제3 신호전하를 전하유지부(113)로 전송하는 제5 전송동작을 수행한다.
도 4의 타이밍도 및 도 11의 포텐셜도 "(24)", "(25)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 제1 전송트랜지스터(112)를 턴오프하고 제2 전송트랜지스터(114)를 턴온함으로서 전하유지부(113)에 저장된 제3 신호전하를 부유확산영역(115)으로 전송하는 제6 전송동작을 수행한다.
도 4의 타이밍도 및 도 11의 포텐셜도 "(26)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 제2 전송트랜지스터(114)를 턴오프하고, 신호레벨 샘플링 제어신호(S_SH)를 고전위 레벨로 인가함으로써 부유확산영역(115)에 저장된 제3 신호전하를 매우 짧은(very short) 노광모드의 신호레벨로 판독한다.
이하에서는 도 12를 참조하여 본 실시예에 따른 픽셀구동부(200)의 동작을 설명한다.
도 12는 픽셀구동부(200)의 동작을 설명하기 위한 그래프이다. 도 12를 참조하면 노광기간 동안 광전변환소자(111)에 축적되는 전하량의 변화를 확인할 수 있다.
도 12를 참조하면, 노광기간 동안 저조도광이 입사되어 광전변환소자(111)에 축적된 전하량이 중간전위 축적량을 초과하지 않는 경우에는, 광전변환소자(111)에 축적된 전하량의 그래프는 선형을 나타낸다. 중간전위 축적량(도 12의 A)은 제2 전송트랜지스터(114)에 중간전위 레벨 인가시 광전변환소자(111)에서 축적 가능한 전하량을 의미한다.
도 12를 참조하면, 노광기간 동안 고조도광이 입사되어 광전변환소자(111)에 축적된 전하량이 중간전위 축적량을 초과하는 경우, 광전변환소자(111)에 축적된 전하량은 최대 축적량(도 12의 B)을 넘지 않는 범위에서 변화된다.
최대 축적량은 광전변환소자(111)에서 축적 가능한 최대 전하량으로서 제2 전송트랜지스터(114) 및 배출트랜지스터(119)가 턴오프된 경우에 광전변환소자(111)에 축적 가능한 최대의 최대, 즉 제2 전송트랜지스터(114)에 중간전위 레벨 인가시 광전변환소자(111)에서 축적 가능한 최대 전하량을 의미한다. 도 12의 C와 같이 나타난 파형은 제1 전송트랜지스터(112)에 중간전위 레벨의 제1 전송제어신호(TX1)가 인가된 경우에 발생한다.
이하에서는 전술한 픽셀구동부(200)의 동작 중 리셋레벨 및 신호레벨의 판독과 관련하여 구체적으로 설명한다. 판독 동작은 픽셀구동부(200)의 컬럼처리모듈(230)에 의해 수행될 수 있다.
판독 동작은 도 4의 타이밍도의 "(11)", "(13)", "(15)", "(18)", "(22)", "(26)"상태에서 수행된다. 여기서 "(22)", "(26)"상태에서 수행되는 판독 동작은 선택적 동작이다.
짧은(short) 노광모드에서, 컬럼처리모듈(230)은 "(11)" 및 "(13)"에서 판독된 리셋레벨과 신호레벨을 이용하여 짧은(short) 노광출력신호(DS)로 AD(아날로그-디지털) 변환한다.
긴(long) 노광모드에서, 컬럼처리모듈(230)은 "(15)", "(18)"에서 판독된 리셋레벨과 신호레벨을 이용하여 긴(long) 노광출력신호(DL)로 AD(아날로그-디지털) 변환한다.
매우 짧은(very short) 노광모드에서, 컬럼처리모듈(230)은 "(22)", "(26)"에서 판독된 리셋레벨과 신호레벨을 이용하여 매우 짧은(very short) 노광출력신호(DVS)로 AD(아날로그-디지털) 변환한다.
픽셀구동부(200)는 이와 같이 변환된 각 노광출력신호(DS, DL, DVS)를 신호처리부(300)로 출력할 수 있다.
한편 본 실시예에 대한 변형된 형태로서, 컬럼처리모듈(230)은 위와 같이 노광출력신호(DS, DL, DVS)를 신호처리부(300)로 출력하지 않고 다음과 같은 처리 과정을 거친 후 신호처리부(300)로 출력할 수 있다.
즉 컬럼처리모듈(230)은, 짧은(short) 노광모드의 노광출력신호의 값이 "DS"이고 긴(long) 노광모드의 노광출력신호의 값이 "DL"이며, 매우 짧은(very short) 노광모드의 노광출력신호의 값이 "DVS"인 경우 신호처리부(300)로 출력되는 최종출력신호의 값, "Dout"를 수학식 1에 의해 결정할 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2018001867-appb-I000002
여기서, DL_max는 DL의 Max 출력 code이고, DS_max는 DS의 Max 출력 code이며, TL은 긴(long) 노광모드에 대응하는 노광기간으로 제1 노광기간(T1) 및 제2 노광기간(T2) 및 제3 노광기간(T3)을 더한 값이고, TS는 짧은(short) 노광모드에 대응하는 노광기간으로 제2 노광기간(T2)이며, TVS는 매우 짧은(very short) 노광모드에 대응하는 노광기간으로 제4 노광기간(T4)이다. 여기서 C는 상수로서 각 노광모드 변환의 마진 계수로 가변이 가능한 값이다. 각 노광출력신호(DS, DL, DVS)가 각각 10bit인 경우 C값을 0.8로 설정할 수 있다.
각 픽셀 당 노광출력신호(DS, DL, DVS)가 각각 10bit인 경우 총 30bit의 데이터가 출력될 수 있다. 만일 매우 짧은(very short) 노광모드의 노광출력신호(DVS)가 없는 경우 총 20bit의 데이터가 출력된다.
한편, 한 장의 WDR(Wide Dynamic Range)의 이미지를 만들기 위해서는 이 3장의 30bit 혹은 2장의 20bit의 데이터를 한 장의 이미지로 압축할 필요가 있으며, 이러한 압축 신호처리는 컬럼처리모듈(230) 또는 신호처리부(300) 혹은 이미지센서 외부에 별도 마련된 이미지 신호처리장치(도시되지 않음)에서 처리 될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 CMOS 이미지센서(1)는 픽셀구동부(200)를 통해 총 노광기간의 중간에 제2 전송트랜지스터(114)를 턴오프한 상태에서 제1 전송트랜지스터(112)를 중간전위 레벨에 의해 1회 이상 턴온시킨다.
제1 전송트랜지스터(112)는 중간전위 레벨을 넘어 발생한 광전하를 제1 신호전하로서 전하유지부(113)로 전송하는 중간 전하 전송부로서의 기능을 수행한다.
즉, 제1 전송트랜지스터(112)는 광전변환소자(111)에서 광전변환에 의해 발생되고 또한 중간전위 레벨의 전압 값으로 정해지는 소정의 전하량을 초과하는 전하를, 제1 신호전하로서 전하유지부(113)로 전송한다.
본 실시예에 따른 CMOS 이미지센서는 노광기간 중에 광전변환에 의해 발생된 전하가 입사광이 일정 휘도 이하인 경우 즉 빛이 약한 경우에는 광전변환소자(111)에만 축적됨으로써 저조도에서 감도가 감소되는 문제를 해결할 수 있고, 노광기간 중에 광전변환에 의해 발생된 전하가 입사광이 일정 조도 이상일 경우 즉 빛이 강한 경우에는, 광전변환소자(111) 및 전하유지부(113) 양쪽에 축적됨으로써 다이내믹 레인지를 증대시킬 수 있다.
이 경우 광이 약한 경우에는 축적 전하가 적고 중간전위 레벨의 전압에 의해 구동된 제1 전송트랜지스터(112)에 의한 전하의 전송이 발생하지 않기 때문에, 발생 전하는 모두 광전변환소자(111)에 축적 및 유지되기 때문에 종래 방식에서 문제가 되는 저조도에서의 감도의 감소 문제가 해결된다.
또한 빛이 강한 화소에서는 광전변환소자(111)가 포화되어 더 이상 축적 되지 못하는 전하를 전하유지부(113)로 전송 및 저장함으로써 추가로 다이내믹 레인지의 확장을 얻을 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 CMOS 이미지센서는 짧은(short) 노광모드에 대응하는 제2 노광기간(T2)이 긴(long) 노광모드에 대응하는 제1 노광기간(T1)과 제3 노광기간(T3)의 사이에 위치하므로 짧은(short) 노광모드와 긴(long) 노광모드 사이의 시간차가 없어 시간차에 의한 모션 블러(motion blur)가 제거될 수 있다.
즉 짧은(short) 노광모드에 대응하는 제1 신호전하는 제2 노광기간(T2)에 축적된 전하에 해당하고 긴(long) 노광모드에 대응하는 제2 신호전하는 제1 노광기간(T1)과 제3 노광기간(T3)에 축적된 전하에 해당한다.
또한, 본 실시예에 따른 CMOS 이미지센서는 짧은(short) 노광모드에 대응하는 제1 신호전하와 긴(long) 노광모드에 대응하는 제2 신호전하를 연이어 판독하기 때문에 종래와 달리 짧은 노광을 위한 시간 만큼의 데이터를 보존할 필요가 없어 메모리에 사용되는 면적을 줄일 수 있으므로 비용을 절감할 수 있다.
또한 본 실시예 따른 CMOS 이미지센서는 필요에 따라 선택적으로 매우 짧은(very short) 노광모드를 수행할 수 있어 필요에 따라 추가적인 다이내믹 레인지의 확장에 대응할 수 있다.
다양한 종류의 CMOS이미지센서에 광범위하게 사용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 입사광량에 대응하여 전하를 발생하여 내부에 축적하는 광전변환소자와, 상기 광전변환소자로부터 전송되는 전하를 유지하는 전하유지부와, 상기 전하유지부로부터 전송되는 전하를 저장하는 부유확산영역을 구비하는 복수의 단위픽셀이 매트릭스 형태로 배치된 픽셀부; 및
    상기 픽셀부를 행별로 일정 시차를 두고 순차적으로 노광제어를 수행하는 픽셀구동부를 포함하고,
    상기 픽셀구동부는 상기 단위픽셀의 초기화 후 제1 노광기간의 경과 후 상기 제1 노광기간 동안 상기 광전변환소자에 축적된 전하 중 사전에 정해진 중간레벨 축적량을 초과하는 전하를 리셋하는 중간리셋 동작과, 상기 중간리셋 동작 완료 후 제2 노광기간의 경과 후 상기 광전변환소자에 축적된 전하 중 상기 중간레벨 축적량을 초과하는 제1 신호전하를 상기 전하유지부로 전송하는 제1 전송동작과, 상기 제1 전송동작에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 상기 제1 신호전하를 상기 부유확산영역으로 전송하는 제2 전송동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀구동부는 상기 중간리셋 동작을 2회 이상 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀구동부는 상기 제1 전송동작 완료 후 제3 노광기간의 경과 후 상기 광전변환소자에 축적된 모든 전하를 제2 신호전하로서 상기 전하유지부로 전송하는 제3 전송동작과, 상기 제3 전송동작에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 상기 제2 신호전하를 상기 부유확산영역으로 전송하는 제4 전송동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단위픽셀은 상기 광전변환소자에 축적된 전하를 상기 전하유지부로 전송하기 위한 제1 전송트랜지스터와, 상기 전하유지부에 유지된 전하를 상기 부유확산영역으로 전송하기 위한 제2 전송트랜지스터를 더 구비하고,
    상기 픽셀구동부는 상기 단위픽셀의 초기화 후 상기 제1 노광기간의 경과 후 상기 제1 전송트랜지스터를 상기 제1 전송트랜지스터를 완전히 턴온시키기 위한 고전위 레벨과 상기 제1 전송트랜지스터를 완전히 턴오프시키기 위한 저전위 레벨 사이의 중간 값인 중간전위 레벨로 턴온시킴으로써 상기 중간리셋 동작을 수행하고, 상기 중간리셋 동작 후 상기 제2 노광기간의 경과 후 상기 제1 전송트랜지스터를 상기 중간전위 레벨로 턴온시킴으로써 상기 제1 전송동작을 수행하며, 상기 제1 전송동작 완료 후 제3 노광기간의 경과 후 상기 제1 전송트랜지스터를 고전위 레벨로 턴온시킴으로서 상기 제3 전송동작을 수행하고, 사전에 정해진 기간 경과 후 상기 제2 전송트랜지스터를 턴온시킴으로써 상기 제4 전송동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 픽셀구동부는 제4 전송동작 완료 후 상기 단위픽셀을 초기화한 후 제4 노광기간의 경과 후 상기 노광기간 동안 상기 광전변환소자에 축적된 제3 신호전하를 상기 전하유지부로 전송하는 제5 전송동작과, 상기 제5 전송동작에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 상기 제3 신호전하를 상기 부유확산영역으로 전송하는 제6 전송동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 픽셀구동부는 상기 제2 전송동작에 의하여 전송되어 상기 부유확산영역에 저장된 제1 신호전하의 값을 판독하여 짧은 노광출력신호로 아날로그-디지털 변환하고, 상기 제4 전송동작에 의하여 전송되어 상기 부유확산영역에 저장된 제2 신호전하의 값을 판독하여 긴 노광출력신호로 아날로그-디지털 변환하며, 상기 제6 전송동작에 의하여 전송되어 상기 부유확산영역에 저장된 제3 신호전하의 값을 판독하여 매우 짧은 노광출력신호로 아날로그-디지털 변환하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  7. 제6항에 있어서
    상기 픽셀구동부는 상기 짧은 노광출력신호의 값이 "DS"이고 상기 긴 노광출력신호의 값이 "DL"이며 상기 매우 짧은 노광출력신호의 값이 "DVS"인 경우, 외부로 출력되는 최종출력신호(Dout)를 수식 1에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
    수식 1:
    Figure PCTKR2018001867-appb-I000003
    (여기서, DL_max = DL의 Max 출력 code, DS_max = DS의 Max 출력 code, TL = 상기 제1 노광기간 + 상기 제2 노광기간 + 상기 제3 노광기간, TS = 상기 제2 노광기간, TVS = 상기 제4 노광기간, C = 상수)
  8. 입사광량에 대응하여 전하를 발생하여 내부에 축적하는 광전변환소자와, 상기 광전변환소자로부터 전송되는 전하를 유지하는 전하유지부와, 상기 전하유지부로부터 전송되는 전하를 저장하는 부유확산영역을 구비하는 복수의 단위픽셀이 매트릭스 형태로 배치된 픽셀부를 행별로 일정 시차를 두고 순차적으로 노광 제어를 수행하는 픽셀의 구동방법에 있어서,
    행별 노광이 시작된 후 상기 단위픽셀의 초기화 후 제1 노광기간의 경과 후 상기 제1 노광기간 동안 상기 광전변환소자에 축적된 전하 중 사전에 정해진 중간레벨 축적량을 초과하는 전하를 리셋하는 중간리셋 단계;
    상기 중간리셋 단계 완료 후 제2 노광기간의 경과 후 상기 광전변환소자에 축적된 전하 중 상기 중간레벨 축적량을 초과하는 제1 신호전하를 상기 전하유지부로 전송하는 제1 전송단계;
    상기 제1 전송단계에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 상기 제1 신호전하를 상기 부유확산영역으로 전송하는 제2 전송단계;
    상기 제1 전송단계 완료 후 제3 노광기간의 경과 후 상기 광전변환소자에 축적된 모든 전하를 제2 신호전하로서 상기 전하유지부로 전송하는 제3 전송단계; 및
    상기 제3 전송단계에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 상기 제2 신호전하를 상기 부유확산영역으로 전송하는 제4 전송단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀의 구동방법.
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