KR100748426B1 - Image sensor with high frame - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고속 프레임을 갖는 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 자세하게는 단위 픽셀(화소부)에서 출력되는 데이터 신호에 대한 샘플링 처리를 한번만 하여 저조도 환경에서도 고속으로 이미지화를 할 수 있는 이미지 센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor having a high speed frame. More particularly, the present invention relates to an image sensor capable of high-speed imaging even in a low light environment by performing sampling processing on a data signal output from a unit pixel (pixel unit) once.
본 발명의 고속 프레임을 갖는 이미지 센서는 차등증폭기, PGA 및 ADC를 포함하여 구성된 이미지 센서에 있어서, 화소부; 상기 화소부로부터 인가되는 이미지 데이터 신호의 전압 강하가 완료된 후 데이터 전압을 샘플링하기 위한 데이터샘플링 신호에 따라 구동되는 스위치; 상기 스위치로부터 인가되는 상기 데이터 전압을 저장하기 위한 커패시터 및 상기 커패시터에 저장된 상기 데이터 전압과 외부에서 인가되는 램프 전압의 기준전압을 비교하기 위한 비교기로 구성됨에 기술적 특징이 있다.An image sensor having a high speed frame of the present invention includes an image sensor including a differential amplifier, a PGA, and an ADC, comprising: a pixel unit; A switch driven according to a data sampling signal for sampling the data voltage after the voltage drop of the image data signal applied from the pixel unit is completed; Technical features include a capacitor for storing the data voltage applied from the switch and a comparator for comparing the reference voltage of the data voltage stored in the capacitor with a lamp voltage applied from the outside.
이미지 센서, 샘플링, 저조도, 고속 프레임 Image sensor, sampling, low light, high frame rate
Description
도 1a는 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면이다.1A is a diagram illustrating a conventional three-transistor CMOS active pixel.
도 1b는 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 등가 회로도이다. 1B is an equivalent circuit diagram of a conventional three-transistor CMOS active pixel.
도 2a는 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면이다.2A is a diagram illustrating a conventional 4-transistor CMOS active pixel.
도 2b는 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 등가 회로도이다.2B is an equivalent circuit diagram of a conventional 4-transistor CMOS active pixel.
도 3a는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 단위 픽셀과 연결되는 회로도이다.3A is a circuit diagram connected to the unit pixel illustrated in FIGS. 1A and 2A.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 고속 프레임을 갖는 이미지 센서를 나타내는 도면이다.4A and 4B are diagrams illustrating an image sensor having a high speed frame according to the present invention.
도 4c는 본 발명의 씨모스 단위 픽셀에서 빛의 세기 변화에 따른 PMOS 전류 변화를 나타내는 도면이다.4C is a diagram illustrating a PMOS current change according to light intensity change in the CMOS unit pixel of the present invention.
도 4d는 본 발명에 따른 각 조도 레벨에 따른 데이터 신호의 전압 강하 현상을 나타낸 것이다.4d illustrates a voltage drop phenomenon of the data signal according to each illuminance level according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
400 : PMOS 405 : NMOS400: PMOS 405: NMOS
410 : 접점 415 : 커패시터410: contact 415: capacitor
420 : 비교기 425 : MUX420: comparator 425: MUX
430 : SHA 435 : PGA430: SHA 435: PGA
440 : ADC 445 : 스위치440: ADC 445: switch
본 발명은 고속 프레임을 갖는 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 자세하게는 단위 픽셀(화소부)에서 출력되는 데이터 신호에 대한 샘플링 처리를 한번만 하여 저조도 환경에서도 고속으로 이미지화를 할 수 있는 이미지 센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor having a high speed frame. More particularly, the present invention relates to an image sensor capable of high-speed imaging even in a low light environment by performing sampling processing on a data signal output from a unit pixel (pixel unit) once.
이미지 센서는 외부의 에너지(예를 들면, 빛 에너지)에 반응하는 반도체 장치의 성질을 이용하여, 이미지를 찍어(capture)내는 장치이다. 자연계에 존재하는 각 피사체에서 발생되는 빛은 파장 등에서 고유의 값을 가진다. 이미지 센서의 픽셀은 각 피사체에서 발생하는 빛을 감지하여, 전기적인 값으로 변환한다. An image sensor is a device that captures an image by using a property of a semiconductor device that responds to external energy (for example, light energy). Light generated from each subject existing in the natural world has a unique value in wavelength and the like. The pixel of the image sensor detects light generated from each subject and converts it into an electric value.
즉, 이미지 센서의 픽셀은 피사체에서 발생되는 빛 에너지 등에 대응하여, 빛의 파장에 대응하는 전기적인 값을 발생한다. 이 중 전하결합소자(CCD; Charge Coupled Device)는 개개의 모스(MOS) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서는 CMOS 집적회로 제조기술을 이용하여 픽셀 어레이를 구성하고 이를 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위 칭 방식을 채용하는 소자이다. CMOS 이미지 센서는 저전력 소비라는 큰 장점을 가지고 있기 때문에 휴대폰 등 개인 휴대용 시스템에 매우 유용하다.That is, the pixel of the image sensor generates an electrical value corresponding to the wavelength of light in response to the light energy generated from the subject. Among these, a charge coupled device (CCD) is a device in which charge carriers are stored and transported in capacitors while individual MOS capacitors are located in close proximity to each other. The CMOS image is a Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) image. A sensor is a device that employs a switching method that constructs a pixel array using CMOS integrated circuit manufacturing technology and sequentially detects an output thereof. CMOS image sensors have the great advantage of low power consumption, making them very useful for personal portable systems such as mobile phones.
도 1a는 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면으로 주변 구성요소의 회로를 포함하는 포토 다이오드(Photo-Diode)의 단면을 나타내는 도면이고, 도 1b는 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 등가 회로도로 도 1a의 등가회로도이다. FIG. 1A is a diagram illustrating a conventional three-transistor CMOS active pixel and a cross-sectional view of a photo-diode including a circuit of peripheral components, and FIG. 1B is a diagram of a conventional three-transistor CMOS active pixel. Equivalent circuit diagram of Fig. 1A equivalent circuit diagram.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는 포토 다이오드의 한쪽 접합을 구성하는 N+형의 불순물층(11)과 N+형 부유 확산층(13)이 서로 접촉된다. 그러므로 포토 다이오드의 캐패시스턴스 성분은 실질적으로 N+형의 불순물층(11)과 N+형의 부유 확산층(13)에 의하여 생성되는 커패시터 성분의 합으로 된다. 1A and 1B, in a conventional three-transistor CMOS active pixel, an N +
따라서 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 적용하는 이미지 센서는 감도가 떨어지는 단점이 있다. 이와 같은 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 단점을 보완하기 위한 것이 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀이다.Accordingly, an image sensor employing a conventional three-transistor CMOS active pixel has a disadvantage of low sensitivity. The four-transistor CMOS active pixel is to compensate for the disadvantage of the three-transistor CMOS active pixel.
도 2a는 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면으로 주변 구성 요소의 회로를 포함하는 포토 다이오드의 단면을 나타내는 도면이고, 도 2b는 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 등가 회로도로 도 2a의 등가회로도이다.FIG. 2A is a diagram illustrating a conventional 4-transistor CMOS active pixel, showing a cross section of a photodiode including a circuit of peripheral components, and FIG. 2B is an equivalent circuit diagram of a conventional 4-transistor CMOS active pixel. It is an equivalent circuit diagram of 2a.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에는 3-트랜지스터 TL모스 액티브 픽셀에서 발생하는 노이즈를 제거하기 위하여 전송제 어신호(Tx)에 의하여 제어되는 전송 트랜지스터(25)가 사용된다. 포토 다이오드의 한족 접합을 구성하는 N+형 불순물층(21)과 N+형 부유 확산층(23)이 서로 격리된다. Referring to FIGS. 2A and 2B, in a conventional 4-transistor CMOS active pixel, a
따라서, 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는 이미지 센서의 감도도 증가하고, 이미지 질도 향상될 수 있다. 그러나, 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는 전송 트랜지스터(25)가 추가됨으로 인하여 수광 면적이 작아지는 단점이 있다.Therefore, in the conventional 4-transistor CMOS active pixel, the sensitivity of the image sensor may be increased and the image quality may be improved. However, the four-transistor CMOS active pixel has a disadvantage in that the light receiving area is reduced due to the addition of the
결과적으로, 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀은 감도가 낮은 단점을 가지며, 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀은 수광 면적이 작은 문제점을 가진다.As a result, the conventional three-transistor CMOS active pixel has a disadvantage of low sensitivity, and the conventional four-transistor CMOS active pixel has a problem in that a light receiving area is small.
도 3a는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 단위 픽셀과 연결되는 회로도이다. 화소부(30)란 단위 픽셀들이 이루는 하나의 컬럼(column)을 의미한다. 화소부(30)는 컬럼의 수만큼 구비되는 것이고, 각 화소부(30)에 구비되는 단위 픽셀의 수는 로우(row)의 수만큼 구비되는 것이다. 3A is a circuit diagram connected to the unit pixel illustrated in FIGS. 1A and 2A. The
일반적으로 '640×480 VGA', '1024×768 XGA', '1280×1024 SXGA'라 함은 각각 '640개의 컬럼×480개의 로우', '1024개의 컬럼×768개의 로우', '1280개의 컬럼×1024개의 로우'로 이루어지는 이미지 해상도를 의미하는 것이다. 실제 공정에서는 각 컬럼 및 로우의 갯수가 이보다 다소 많이 구비된다. 도 3b는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 단위 픽셀에 인가되는 신호를 나타낸 것이다.Generally, 640 × 480 VGA, 1024 × 768 XGA, and 1280 × 1024 SXGA are 640 columns × 480 rows, 1024 columns × 768 rows, and 1280 columns. It means an image resolution consisting of '1024 rows'. In practice, the number of columns and rows is somewhat higher. 3B illustrates a signal applied to the unit pixel illustrated in FIGS. 1A and 2A.
도 3a 및 도 3b에 도시된 회로 및 신호상의 처리 과정을 보면 다음과 같다. 다수의 단위 픽셀로 이루어지는 로우에 셀렉트 신호가 인가되면, 다수의 단위 픽셀에서 로우인에이블(R_en, row enable) 구간동안 캡쳐(capture)된 이미지 데이터 신호가 컬럼의 공통 접점(31, common)으로부터 CDS(36, Correlated Double Sampling)로 인가된다. 이미지 데이터 신호에는 밝은 빛의 데이터 신호인 고조도 신호로부터 어두운 빛의 데이터 신호인 저조도 신호에 이르기까지 주위 환경에 따른 다양한 레벨의 조도에 해당하는 데이터 신호가 포함된다.The processing on the circuit and signal shown in FIGS. 3A and 3B is as follows. When a select signal is applied to a row including a plurality of unit pixels, an image data signal captured during a row enable period (R_en, row enable) in the plurality of unit pixels is captured from the
다양한 레벨의 조도에 따른 데이터 신호는 각 레벨에 따라 CDS(36)를 포함한 회로에 인가된 기준 전압을 강하시킨다. 즉, 저조도 데이터 신호는 기준 전압을 상대적으로 적게 강하시키는 반면, 고조도 데이터 신호는 기준 전압을 상대적으로 많이 강하시킨다. The data signal according to the various levels of illumination lowers the reference voltage applied to the circuit including the
도 3c는 각 조도 레벨에 따른 데이터 신호의 전압 강하 현상을 나타낸 것이다. 도 3c에서는 설명의 편의상 세가지 레벨을 도시하였지만 실제는 이보다 다양한 레벨의 데이터 신호가 존재할 수 있다.3C illustrates a voltage drop phenomenon of the data signal according to each illuminance level. Although three levels are illustrated in FIG. 3C for convenience of description, various levels of data signals may exist.
도 3c의 'A' 구간 및 'C' 구간에서는 신호 전압의 변동이 없는 안정화(stable) 구간이며 'B' 구간은 신호 전압의 강하가 발생하는 구간이다. 우선 로우인에이블 신호(R_en)가 디스에이블되는 동안 CDS(36)의 스위치b(32b)에 리셋 샘플링 구동신호(SR)가 리셋 샘플링 구간(A)동안 인가되어 리셋 전압을 커패시터b(33b)에 저장한다. In the 'A' section and the 'C' section of FIG. 3C, a stable section without fluctuation of the signal voltage and a 'B' section are sections in which the drop of the signal voltage occurs. First, while the low enable signal R_en is disabled, the reset sampling drive signal SR is applied to the
이후, 도 3b의 신호 중 로우인에이블(R_en) 신호가 로우의 각 단위 픽셀에 인가되어 이미지 데이터 신호가 컬럼의 공통 접점(31)에 인가되면, CDS(36)의 스위 치a(32a)가 외부에서 인가되는 데이터 샘플링 구동신호에 의해 'C' 구간 동안 데이터 샘플링(SD, data sampling)을 진행하여 커패시터a(33a)에 그 값을 저장하고 비교기a(34a)를 거쳐 MUX(35)로 데이터 신호전압을 인가한다. Thereafter, when the row enable signal R_en of the signal of FIG. 3B is applied to each unit pixel of the row, and the image data signal is applied to the
데이터 샘플링(SD)의 완료 후, 리셋(RST) 신호가 인가되고, 로우인에이블이 종료되면, 다음의 영상처리데이터를 처리하기 위한 CDS(36)의 스위치b(32b)가 외부에서 인가되는 리셋 샘플링 구동신호에 의해 'A' 구간 동안 리셋 샘플링(SR, reset sampling)을 진행하여 커패시터b(33b)에 리셋 전압을 저장하고 비교기b(34b)를 거쳐 MUX(35)로 신호를 인가한다.After completion of the data sampling (SD), a reset (RST) signal is applied, and when low enable is completed, a reset is applied externally by a switch b32b of the
이러한 일련의 신호(R_en, SD, RST, SR)가 한 주기동안 진행되면 단위 픽셀에 저장된 이미지 데이터를 획득하게 되고, 차등증폭기(37, SHA, Sample and Hold Amplifier), PGA(38, Programmable Gain Amplifier) 및 ADC(39, Analog-Digital Converter) 등을 통해 이미지 데이터를 출력하게 된다. When the series of signals R_en, SD, RST, and SR progress for one period, image data stored in the unit pixel is acquired, and a
결국, 리셋 샘플링 구간('A')과 데이터 샘플링 구간('C')동안 각 커패시터에 저장된 전위차의 크기 이미지에 의해 각 레벨의 따른 이미지 처리 데이터 값이 결정된다. 즉, 고조도의 경우에는 이미지 처리 데이터 값이 상대적으로 크고, 저조도의 경우에는 이미지 처리 데이터 값이 상대적으로 작다.As a result, the image processing data value according to each level is determined by the magnitude image of the potential difference stored in each capacitor during the reset sampling period 'A' and the data sampling period 'C'. That is, in the case of high illumination, the image processing data value is relatively large, and in the case of low illumination, the image processing data value is relatively small.
그러나, 도 3a 내지 도 3c에 도시된 처리 과정을 통해 출력되는 이미지 데이터 신호를 통해 디스플레이되는 이미지는 실제 사람의 눈으로 보이는 이미지과 상당한 오차를 갖게 된다. 예를 들면, 태양과 같은 강한 광원이 입력되었을 경우, 디스플레이되는 화면상에서 태양주변의 화면이 검게 나타나는 왜곡 현상이 발생하는 등의 이미지 오차가 존재하는 것이다. 이러한 이미지 왜곡 현상은 고조도의 경우 이미지 처리 데이터 값이 지나치게 크기 때문에 발생하는 경우가 대부분이다.However, the image displayed through the image data signal output through the processing shown in Figs. 3a to 3c has a significant error with the image seen by the actual human eye. For example, when a strong light source such as the sun is input, an image error such as a distortion phenomenon in which the screen around the sun is black occurs on the displayed screen. Such image distortion is often caused by excessively high image processing data values.
따라서, 이와같은 종래의 기술은 샘플링 과정을 두번하게 되기 때문에 신호처리 속도가 지연되어 고속 프레임을 갖는 이미지 센서를 제작하기 어려운 문제점이 있었다.Therefore, this conventional technique has a problem that it is difficult to manufacture an image sensor having a high-speed frame because the signal processing speed is delayed because the sampling process is repeated twice.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 아날로그 CDS 블록이 생략 가능하여 샘플링 과정이 한번만 가능하고, 각각의 컬럼별로 이미지 데이터 값을 저장할 수 있어 저조도의 환경에서 고속으로 데이터 신호 처리가 가능한 고속 프레임을 갖는 이미지 센서를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.Accordingly, the present invention is to solve the above disadvantages and problems of the prior art, the analog CDS block can be omitted, sampling process is possible only once, and can store the image data value for each column in a low light environment It is an object of the present invention to provide an image sensor having a high speed frame capable of processing data signals at high speed.
본 발명의 상기 목적은 차등증폭기, PGA 및 ADC를 포함하여 구성된 이미지 센서에 있어서, 화소부; 상기 화소부로부터 인가되는 이미지 데이터 신호의 전압 강하가 완료된 후 데이터 전압을 샘플링하기 위한 데이터샘플링 신호에 따라 구동되는 스위치; 상기 스위치로부터 인가되는 상기 데이터 전압을 저장하기 위한 커패시터 및 상기 커패시터에 저장된 상기 데이터 전압과 외부에서 인가되는 램프 전압의 기준전압을 비교하기 위한 비교기를 포함하는 고속 프레임을 갖는 이미지 센서 에 의해 달성된다.An object of the present invention is an image sensor comprising a differential amplifier, a PGA and an ADC, comprising: a pixel portion; A switch driven according to a data sampling signal for sampling the data voltage after the voltage drop of the image data signal applied from the pixel unit is completed; And a high speed frame including a capacitor for storing the data voltage applied from the switch and a comparator for comparing a reference voltage of the data voltage stored in the capacitor with an externally applied lamp voltage.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 고속 프레임을 갖는 이미지 센서를 나타내는 도면이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 단위 픽셀을 제작함에 있어서 일반 반도체의 MOS 공정만으로 상기 단위 픽셀을 형성한다. 상기 단위 픽셀의 구조에서 수광부분은 광 입사에 의한 광전변환 방식을 사용하는 PMOS(400)로 이루어지고, 상기 PMOS(400)에 연결되어 스위치 역할을 수행하는 NMOS(405)를 포함하여 이루어진 1PMOS(400)와 1NMOS(405)의 2-트랜지스터 구조인 단위 픽셀 구조를 형성한다.4A and 4B are diagrams illustrating an image sensor having a high speed frame according to the present invention. 4A and 4B, in manufacturing a unit pixel, the unit pixel is formed only by a MOS process of a general semiconductor. In the structure of the unit pixel, the light-receiving portion includes a
따라서, 본 발명은 종래의 하나의 포토 다이오드와 3-트랜지스터 또는 하나의 포토 다이오드와 4-트랜지스터 구조의 단위 픽셀을 2-트랜지스터(400, 405) 구조로 구현함으로써 단위 픽셀의 피치 사이즈가 작아지며, 또한 종래의 리셋과 같은 제어(control) 신호가 없으므로 픽셀의 레이아웃(Layout)에서 메탈 라인이 줄어들기 때문에 단위 픽셀의 구조를 단순화할 수 있다.Therefore, the present invention implements a conventional unit pixel having one photodiode and a three-transistor or one photodiode and a four-transistor structure with a two-
본 발명의 구동원리는 다음과 같다. NMOS와 동일한 기판상에 형성된 PMOS의 소스에 전압을 인가하면, PMOS의 N-well은 전기적으로 중성상태인 공핍 영역(depletion region)이 형성되게 된다. 이후, 수광부인 PMOS로 빛을 받아 광자(photon)가 공핍 영역인 N-well에 입사되면 EHP(electron hole pair)가 생성되며 이로 인하여 PMOS 소자의 게이트 저면에 P채널이 형성된다. PMOS와 연결된 NMOS에 형성된 셀렉트 게이트에 전압이 인가되고 NMOS에 형성된 소스와 드레인 사이에 N채널이 형성되어 PMOS에 형성된 신호 전하를 받아 출력신호를 내보내게 된다.The driving principle of the present invention is as follows. When a voltage is applied to the source of the PMOS formed on the same substrate as the NMOS, the N-well of the PMOS forms a depletion region that is electrically neutral. Subsequently, when a photon is incident on an N-well, which is a depletion region, by receiving light through a PMOS, which is a light receiving unit, an electron hole pair (EHP) is generated, thereby forming a P channel on a gate bottom of the PMOS device. A voltage is applied to the select gate formed in the NMOS connected to the PMOS, and an N channel is formed between the source and the drain formed in the NMOS to receive the signal charge formed in the PMOS and emit an output signal.
종래의 포토 다이오드는 광의 세기가 임계지점 이상이 되어야 전류가 흐르게 되어 선형적으로 광의 세기가 증가할수록 전류가 증가하는 경향을 보이게 되나, 본 발명의 PMOS로 구현된 이미지 센서 픽셀은 빛을 받는 즉시 전류가 흐르게 되는 구조로 이루어져 암전류가 없으며, A 영역에서는 소량의 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기는 매우 급격한 양상을 알 수 있으며, B 영역에서는 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기가 비교적 완만한 양상을 나타난다(도 4c 본 발명의 씨모스 단위 픽셀에서 빛의 세기 변화에 따른 PMOS 전류 변화를 나타내는 도면 참조).In the conventional photodiode, the current flows only when the light intensity is greater than or equal to the critical point, and the current tends to increase as the light intensity increases linearly, but the image sensor pixel implemented with the PMOS of the present invention immediately receives the current. It has a structure that flows through and there is no dark current, and the slope of the current change with respect to a small amount of light change is very rapid in the area A, and the slope of the current change with respect to the light change is relatively gentle in the area B. FIG. 4C is a diagram illustrating a PMOS current change according to light intensity change in the CMOS unit pixel of the present invention.
따라서, 본 발명은 종래의 리셋과 같이 제어신호가 없으므로 픽셀의 레이아웃(layout)에서 메탈 라인이 줄어들고 종래의 CDS(Correlated Double Sampling)의 생략이 가능하여 샘플링 처리도 한번만 하기 때문에 기존의 단위 화소에 비하여 피치 사이즈가 줄어들 수 있으며, 또한 종래의 CMOS 이미지 센서의 경우 하나의 광자 가 하나의 전자-정공쌍을 생성시키는 반면, 본 발명의 PMOS 수광소자는 하나의 광자가 증폭된 광전류를 생성시키므로 광전류의 전류 이득이 100~1000에 달하여 소량의 빛이 입사되는 저조도에서도 이미지의 구현이 가능하며, 종래의 센서보다 전하 축적 시간을 100~1000배 줄일 수 있어 전하 축적 시간이 1프레임 또는 1라인이 아닌 수십 클락(Clock) 지연만으로 충분하므로 광 집속 시간(Integration Time)이 불필요하여 고속의 동영상 구현을 가능하게 한다.Therefore, in the present invention, since there is no control signal as in the conventional reset, the metal line is reduced in the layout of the pixel, and the conventional CDS (Correlated Double Sampling) can be omitted, and the sampling process is performed only once. The pitch size can be reduced, and in the case of a conventional CMOS image sensor, one photon generates one electron-hole pair, whereas the PMOS light-receiving element of the present invention generates one photon amplified photocurrent, so that the current of the photocurrent The gain reaches 100 ~ 1000, so that the image can be realized even in low light where a small amount of light is incident, and the charge accumulation time can be reduced by 100 ~ 1000 times compared to the conventional sensor, and the charge accumulation time is tens of clocks instead of one frame or one line. Since only the clock delay is sufficient, integration time is unnecessary, enabling high speed video.
부가적으로, 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 단위 화소 일반적인 MOS 공정으로 단위 화소를 구현하므로 기존의 CMOS 이미지 센서의 전용공정이 불필요하다. 본 발명은 광 집속 시간이 거의 없이 PMOS에서 빛을 받아 NMOS를 통하여 출력하므로 스위치용 MOS의 누설전류에 의한 암전류를 제외하고 긴 광 집속 시간으로 인한 센서의 암전류를 극소화할 수 있다.In addition, since the unit pixel of the CMOS image sensor of the present invention implements the unit pixel in a general MOS process, a dedicated process of the conventional CMOS image sensor is unnecessary. The present invention receives the light from the PMOS with almost no light focusing time and outputs it through the NMOS, so that the dark current of the sensor due to the long light focusing time can be minimized except for the dark current caused by the leakage current of the switching MOS.
따라서, 종래의 씨모스 이미지 센서의 형성공정시 암전류를 방지하기 위하여 수광부의 표면에 에피층을 형성하는 공정이 불필요하며, 본원의 PMOS 수광소자는 하나의 광자가 증폭된 광전류를 생성하므로 빛을 단위 화소의 수광부에 모으기 위하여 단위화소의 상부에 마이크로 렌즈 형성공정이 불필요하다. 이러한 공정들을 모두 생략할 수 있으므로 단가가 저렴한 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.Therefore, in the conventional CMOS image sensor forming process, an epitaxial layer is formed on the surface of the light receiving unit to prevent dark current, and the PMOS light receiving device of the present application generates light current in which one photon is amplified. In order to collect in the light-receiving portion of the pixel, a microlens forming process is not necessary on the unit pixel. Since all of these processes can be omitted, the cost is low.
도 4a 내지 도 4e에 도시된 처리 과정을 보면 다음과 같다. 다수의 단위 픽셀로 이루어지는 로우(row)에 셀렉트 신호가 인가되면, 다수의 단위 픽셀에서 로우인에이블(R_en, row enable) 구간동안 캡쳐(capture)된 이미지 데이터 신호가 컬럼의 공통 접점(410, common)으로부터 인가된다. 이미지 데이터 신호에는 밝은 빛의 데이터 신호인 고조도 신호로부터 어두운 빛의 데이터 신호인 저조도 신호에 이르기까지 주위 환경에 따른 다양한 레벨의 조도에 해당하는 데이터 신호가 포함된다.The processing shown in FIGS. 4A to 4E is as follows. When a select signal is applied to a row made up of a plurality of unit pixels, the image data signal captured during a row enable period (R_en, row enable) in the plurality of unit pixels is a
다양한 레벨의 조도에 따른 데이터 신호는 각 레벨에 따라 인가된 이미지 데이터 전압을 강하시킨다. 즉, 저조도 데이터 신호는 이미지 데이터 전압을 상대적으로 적게 강하시키는 반면, 고조도 데이터 신호는 이미지 데이터 전압을 상대적으로 많이 강하시킨다. 즉, 본 발명은 종래기술과 달리 CDS가 없기 때문에 샘플링을 한번만 처리할 수 있다. 대신 도 4b에 도시한 바와 같이, 컬럼 별로 디지털 값을 병렬로 연결하여 데이터 값을 저장할 수 있게 하였다.Data signals according to various levels of illuminance drop the applied image data voltage according to each level. That is, the low illuminance data signal causes the image data voltage to drop relatively little while the high illuminance data signal causes the image data voltage to drop relatively much. That is, the present invention can process the sampling only once because there is no CDS, unlike the prior art. Instead, as shown in FIG. 4B, digital values are connected in parallel for each column to store data values.
도 4e는 본 발명에 따른 각 조도 레벨에 따른 데이터 신호의 전압 강하 현상을 나타낸 것이다. 도 4e에서는 설명의 편의상 세가지 레벨을 도시하였지만 실제는 이보다 훨씬 다양한 레벨의 데이터 신호가 존재할 수 있다.4E illustrates a voltage drop phenomenon of a data signal according to each illuminance level according to the present invention. In FIG. 4E, three levels are illustrated for convenience of description, but in reality, there may exist a data signal having a much higher level than this.
도 4e의 'A' 구간 및 'C' 구간에서는 신호의 변동이 없는 안정화(stable) 구간이며 'B' 구간은 신호의 전압 강하가 발생하는 구간이다. 도 4c와 같이 신호 중 로우인에이블(R_en) 신호가 로우(row)의 각 단위 픽셀에 인가되어 이미지 데이터 신호가 컬럼의 공통 접점(410)에 인가되면, 'B' 구간 동안 리셋샘플링(SR, sampling reset) 없이 커패시터(415)에 그 값이 저장되고 비교기(420)를 통해 MUX(425)로 신호가 인가된다. 데이터 샘플링 신호는 화소부에 인가되는 하나의 로우인에이블 신호구간동안 인에이블되는 신호이다.In the 'A' section and the 'C' section of FIG. 4E, a stable section with no change in the signal and a 'B' section are sections in which the voltage drop of the signal occurs. As shown in FIG. 4C, when the low enable signal R_en of the signal is applied to each unit pixel of a row and the image data signal is applied to the
이러한 일련의 신호(R_en, SD)가 한 주기동안 진행되면 단위 픽셀에 저장된 이미지 데이터를 획득하게 되고, 리셋 셈플링에 해당하는 일정 전압을 내부적으로 발생시켜 차등증폭기(430, SHA, Sample and Hold Amplifier) 입력에 한쪽에는 데이터를 한쪽에는 내부적으로 발생시킨 전압(리셋 셈플링에 해당)을 인가하여 신호처리를 하고 이후, PGA(435, Programmable Gain Amplifier) 및 ADC(440, Analog-Digital Converter) 등을 통해 이미지 데이터를 출력하게 된다.When such a series of signals R_en and SD proceed for one period, image data stored in a unit pixel is acquired, and a
이는 각 컬럼 별로 동시에 아날로그/디지털 변환되는 방식을 사용하는 것으로, 각 컬럼마다 신호를 저장할 수 있다. 예를 들어 8 비트일 경우(128 clk가 필요) 1H(로우와 로우 사이의 홀딩시간, 즉 다음 로우로 가는 시간 동안 신호를 보냄)가 불과 135 clk으로 가능하기 때문에 표준인 기존의 858 clk 보다 빠른 이미지 처리가 가능하다. 즉, 27MHz 기준으로 약 30 프레임에서 약 180 프레임까지 향상시킬 수 있다. (column parallel ADC의 counter를 27MHz로 동작시켜서 256clk를 128clk로 줄임)This method uses analog / digital conversion for each column at the same time, and can store signals for each column. For example, 8 bits (requires 128 clk) is faster than the standard 858 clk because 1H (holding time between low and low, ie signaling for the next low) is possible at only 135 clk. Image processing is possible. That is, it can be improved from about 30 frames to about 180 frames on the basis of 27 MHz. (Reduced 256clk to 128clk by operating counter of column parallel ADC at 27MHz)
즉, 단위 픽셀을 포함하는 화소부로부터 인가되는 이미지 데이터 신호가 스위치(445)를 통해 데이터 전압을 샘플링하기 위한 데이터 샘플링 신호에 따라 구동된다. 그러면 커패시터(415)에서 스위치(445)로부터 인가되는 데이터 전압을 저장하고, 비교기(420)에서 데이터 전압과 램프신호로 부터 입력되는 기준전압과 비교하여 차등증폭기(430), PGA(435) 및 ADC(440) 등을 통해 이미지 데이터를 출력한다.That is, the image data signal applied from the pixel portion including the unit pixel is driven according to the data sampling signal for sampling the data voltage through the
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양 한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been shown and described with reference to the preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be possible.
따라서, 본 발명의 고속 프레임을 갖는 이미지 센서는 아날로그 CDS 블록이 생략 가능하여 샘플링 과정이 한번만 가능하고, 각각의 컬럼별로 이미지 데이터 값을 저장함으로써 픽셀 자체의 피치 사이즈(pitch size)와 구현 면적을 줄일 수 있고, 광 집속 시간이 불필요하여 저조도에서 고속의 동영상 구현이 가능한 효과가 있다.Therefore, in the image sensor having a high-speed frame of the present invention, the analog CDS block can be omitted so that the sampling process can be performed only once, and the image data values are stored for each column to reduce the pitch size and the realization area of the pixel itself. In addition, since the light focusing time is unnecessary, it is possible to implement a high speed video at low illumination.
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