In this thesis, a Piece-wise Linear Logarithmic Pixel Structure for Low Voltage and Wide Dynamic Range CMOS Image Sensors has been proposed and demonstrated, which is implemented by using a standard 0.18-㎛ CMOS logic process. For the performance comparisons of the proposed pixel structure, the conventional pixel structures are also demonstrated.
To enhance the output voltage swing of the proposed pixel structure at a 1.8V operating voltage, a reset transistor is replaced by a PMOS transistor. The photodiode surrounded by a photogate is employed in the proposed pixel structure to improve sensitivity and achieve piece-wise linear operation. And a diode-connected transistor is incorporated into the photodiode, which can increase the total dynamic range by a logarithmic operation.
The measurements are performed for the major performance parameters, such as optical response, sensitivity, C-V characteristics, dark-current and dynamic-range. For the observation of piece-wise linear operation in the proposed pixel structure depending on the illumination intensity, the output voltage is measured at varied light intensity levels from 6 lx to 80,000 lx. The C-V measurement and the dark-current measurement are performed for the observation of dynamic characteristics at a piece-wise linear operation. In addition, the I-V curves are measured to observe the dynamic range at a logarithmic operation.
The proposed piece-wise linear-logarithmic pixel structure exhibits a piece-wise linear response at low illumination with a improved sensitivity compared to that of the conventional pixel structure. Furthermore, the enhanced output voltage of the proposed pixel structure is observed due to a PMOS reset transistor at a 1.8V operating voltage. In the logarithmic operation, the output voltage decreases logarithmically by a light illumination intensity which is varied linearly. The overall dynamic-range of the proposed pixel structure is 109dB combining logarithmic response and linear response.
Consequently, the proposed pixel structure is found to allow a low-voltage operation with a wide dynamic-range. The results of the proposed piece-wise linear-logarithmic pixel structure show the potential for the low voltage operation and high performance CMOS image sensor applications.
이 논문에서는 저전압 구동과 넓은 동작 범위를 갖는 부분 선형 로그 픽셀 구조를 제안하였다. 이를 일반적인 0.18-μm CMOS Logic 공정을 이용해 제작하였다. 또한 기존의 픽셀 구조와 비교하기 위한 패턴을 제작해 비교, 분석하였다. 제안된 픽셀은 저전압 구동을 목표로 하고 1.8V 구동 전압을 가해주었다. 낮은 구동 전압으로 인해 출력 전압 범위가 줄어드는 것을 보상하기 위해 Reset TR을 PMOS TR로 바꾸어 주었다. 또한 부분 선형 동작을 위해 Photogate를 Photodiode 주위에 둘렀는데 이는 민감도를 높여주고 부분 선형 응답이 가능하게 해 동작 범위를 넓혀 준다. 마지막으로 Photodiode에 Diode-connected TR을 연결해 주어 강한 빛에서 로그 응답이 나오게 하였다. 측정은 픽셀 주요 파라미터를 위주로 수행하였다. 특히 빛에 대한 응답, 민감도, C-V 특성, 암전류, 동작 범위 특성에 대해 측정을 하였다. 제안된 픽셀이 부분 선형 응답을 나타내는 것을 관찰하기 위해 6 lx에서 80,000 lx 까지 빛을 바꾸어 주어 그에 따른 출력 전압을 측정하였다. 또한 부분 선형 응답에서의 동작 범위를 측정하기 위해 Photogate를 두른 Photodiode의 C-V 특성을 측정하였다. 로그 응답은 흐르는 전류와 전압과의 관계를 통해 동작 범위를 설정할 수 있기 때문에 I-V 특성 곡선을 측정하였다. 제안된 부분 선형 로그 픽셀은 빛이 낮은 구간에서는 부분 선형 형태가 나타나고 기존의 픽셀과 비교해 향상된 민감도를 보였다. 게다가 1.8V 의 낮은 전원 전압에서도 PMOS Reset TR에 의해 향상된 출력 전압 범위를 보여주었다. 강한 빛이 들어오면 출력 전압은 Diode-connected TR에 의해 출력 전압이 빛에 의해 로그적인 응답이 나타나는 것을 측정을 통해 확인하였다. 따라서 제안된 픽셀은 부분 선형과 로그 응답을 합쳐 109dB의 동작 범위를 갖는다. 결론적으로 제안된 픽셀은 낮은 구동전압에서 넓은 동작 범위를 갖는 것을 확인하였다. 제안된 픽셀 동작은 저전압 구동과 높은 성능을 가지는 CMOS 이미지 센서 분야에 널리 쓰일 것으로 예상이 된다.
