In this thesis, a Linear Photogate Driving Pixel Sensor for high performance CMOS Image Sensors for low voltage applications which is implemented by using a standard 0.18-μm CMOS logic process has been proposed and demonstrated. The main object of this research is to improve sensitivity and dynamic range characteristics of the active pixel sensor while having linear photo-electric conversion characteristics.
To achieve this objective, the Sensitivity Controllable Photogate Structure is used. Using this structure, two photogate driving methods have been proposed and studied.
The first is a Reset Level Boosting Method. This method uses the overlap capacitance and photodiode capacitance for boosting the reset level by the clock feed through. By applying a proper pulsed photogate voltage, the reset voltage of the pixel sensor is boosted by about 300mV. Compare to the conventional method using a PMOS reset transistor, the proposed method does not sacrifice the pixel fill-factor while achieving almost the same benefits.
The other is a Dual Sensitivity Acquisition Method. In this method, two signals which have different values of sensitivity can be acquired in an integration phase. The high sensitivity signal accounts for the photo-electrons generated in the overall photo-conversion area, consisting of the photogate and photodiode, with a small photodiode capacitance. In contrast, the low sensitivity signal accounts for the photo-electrons in the same photo-conversion area, but with a large photogate capacitance. By composing these two signals, a linear APS with high sensitivity and wide dynamic range has been realized. The fabricated proposed pixel sensor showed about three times higher sensitivity and dynamic range enhancement of 17dB compared to the conventional 3T Active Pixel Sensor. Consequently, the results of the proposed photogate driving method in the pixel structure show the potential for the low voltage and high performance CMOS image sensor applications.
본 논문에서는 기존에 제안되었던 Sensitivity Controllable Photogate Structure을 이용하여 high-sensitivity, wide dynamic range의 특성을 가지는 선형 CMOS Image Sensor Pixel을 제안하고 구현하였다. 이를 위하여, 기존에 제안되었던 Self-Adaptive APS가 photogate에 정전압을 인가하여, 빛에 따른 수동적인 sensitivity의 변화를 이용하여 고성능의 APS를 구현한 것에 반해, 본 연구에서는 photogate에 원하는 형태의 pulse를 인가하여 기존의 구조에서 부가적인 장점들을 가지는 Photogate Driving의 개념을 제안하였다.
따라서 기존의 Self-Adaptive APS의 voltage swing을 넓힐 수 있는 Reset Boosting Method와, 높은 sensitivity를 가지는 신호와 넓은 dynamic range를 가지는 두 개의 신호를 동시에 획득할 수 있는 Dual Sensitivity Acquisition Method가 제안되었다. 제안된 pixel과 driving method의 이론적 분석을 수행하였고, 이를 Hynix-0.18μm 공정을 통하여 prototype chip을 제작, 실험적 검증을 수행하였다.
우선 Reset Boosting Method가 기존의 Self Adaptive APS에 적용되어, 구조의 변화 없이 photogate의 인가 파형의 변화만으로 기존 Self-Adaptive APS의 장점을 그대로 가지면서, 1.8V동작에서 기존보다 약 300mV 넓은 1.08V의 voltage swing 을 가지는 image sensor을 구현할 수 있었다.
또한 Dual Sensitivity Acquisition Method를 이용하여 일반적인 구조보다 약 3배 향상된 sensitivity를 가지면서 conventional photodiode APS보다 약 17dB 확장된 82dB의 dynamic range를 가지는 선형적인 APS를 구현할 수 있었다. 제안된 구조는 동일한 구조에서 기존의 self-adaptive APS가 비선형적인 특성을 가져, 이미지 복원이 힘들고, Vth의 변화에 따른 transition level의 변화에 의한 FPN을 가진다는 단점을 극복할 수 있다. 또한 값싼 CMOS logic process로 제작이 가능한 제안된 pixel은 저 전압에서 높은 sensitivity, wide voltage swing, wide dynamic range의 특징을 지녀 차세대 image sensor로 널리 사용될 수 있을 것으로 보인다.
