Recent performance improvements in CCD and CMOS image sensors drive huge demands for the image sensor market, particularly for the digital still camera, surveillance, automobiles, and medical applications. According to this trend, the further performance improvement to achieve both a high conversion gain and a large full well capacity at the same time is highly required.
A logarithmic pixel sensor can provide a wide dynamic range, but its small output voltage swing range usually results in a low signal-to-noise ratio and a low sensitivity at a low illumination intensity.
To achieve the high sensitivity and the wide dynamic range performance, Self-adaptive photogate active pixel structure is previously reported. Self-adaptive APS benefits from the high sensitivity, wide dynamic range, low power, and low cost.
However, the Fixed Pattern Noise (FPN) due to the non-uniformity caused by the parameter variations of electric components composing the pixel is still one of the essential issues regarding the sensor performance. The FPN appears as a time-invariant, fixed, and spatial pattern on the image, and may degrade the image quality. If the FPN is not corrected for, this non-uniformity is seen as a 'snow-like' shade over the image. So, reducing the FPN will help to enhance the signal-to-noise ratio and the dynamic range.
In Self-adaptive APS, the one of the most critical parameters in the FPN is the threshold voltage variation of a reset transistor. This variation is due to the fabrication process and it introduces an offset in the signal of each pixel. These offsets give rise to the FPN. The implementation of Correlated Double Sampling (CDS) which is conventional approach to reduce the FPN on Self-adaptive active pixel sensor (ASP) cannot eliminate the FPN caused by the device mismatch of the reset transistor.
The technique to reduce the FPN in Self-adaptive APS is based upon the reference point generation using a calibration current source. The operation of the proposed APS is theoretically analyzed and confirmed using a Monte carlo simulation. The prototype chip is fabricated using a Magnachip $0.18\microm$ CMOS logic process to evaluate the proposed pixel sensor and compare with a conventional 3T APS as well as Self-adaptive APS.
The FPN is measured by a standard deviation across an image under a uniform illumination. The measurement result shows that the proposed APS achieving about 40% reduced FPN compared to Self-adaptive APS. Although the FPN of the proposed APS is not yet as good as that of the conventional 3T APS, the proposed APS shows the higher sensitivity and the wider dynamic range than the conventional 3T APS.
With these results, the proposed APS shows the potential for the low voltage operation and the high performance CMOS image sensor applications.
최근 CCD와 CMOS 이미지 센서의 성능 발전을 통해 이미지 센서 시장은 급속하게 커지고 있으며, 특히 디지털 카메라, 감시 카메라, 자동차, 의료 분야 등의 시장 발전이 두드러진다. 이런 발전 추세를 따라, 이미지 센서는 높은 conversion gain과 넓은 full well capacity 특성을 동시에 가짐이 더욱 요구된다.
Logarithmic 픽셀 센서는 넓은 dynamic range를 가지는 장점이 있지만, 작은 출력 전압 폭으로 인해 약한 빛의 세기에서 낮은 신호 대 잡음 비와 낮은 sensitivity를 가진다.
따라서 높은 sensitivity와 넓은 dynamic range를 동시에 가지는 Self-adaptive APS가 기 제안되었다. Self-adaptive APS는 높은 sensitivity, 넓은 dynamic range, 낮은 전력 소모, 낮은 비용의 장점을 가진다.
이미지 센서의 성능에서 고려되어야 하는 다른 요소로는 Fixed Pattern Noise (FPN)를 들 수 있다. FPN은 이미지에서 시간적 변화가 아닌, 공간적 변화를 지닌 noise 성분이며, 이는 픽셀 parameter의 불 균일성 때문에 야기된다. 따라서 FPN은 이미지에서의 신호 대 잡음 비와 dynamic range 향상을 위해 개선되어야 한다.
Self-adaptive APS에서는 reset transistor의 문턱 전압 변화가 FPN의 가장 큰 원인이다. 일반적으로 FPN을 줄이기 위해 이용되는 Correlated Double sampling(CDS)은 Self-adaptive APS의 reset transistor 문턱 전압 변화로 야기되는 FPN을 제거하지 못한다.
따라서 본 논문에서는 기존의 Self-adaptive APS 픽셀의 FPN을 줄이기 위하여 calibration 전류를 이용하여 기준 전압을 잡는 방법을 이용하였다. 제안된 방법을 기존의 Self-adaptive APS 픽셀에 적용하기 위해 새로운 픽셀 구조를 설계하였으며, 이는 이론적 분석과 Monte carlo simulation을 통하여 검증되었다. 제안된 픽셀 구조는 Magnachip $0.18\micromm$ CMOS logic 공정을 통해서 제작되었으며, 이는 같은 공정에서 제작된 일반적인 3T APS, 기존의 Self-adaptive APS와 비교를 수행하였다.
측정 결과 제안된 픽셀은 기존의 Self-adaptive 픽셀의 높은 sensitivity와 넓은 dynamic range의 장점을 유지하면서, 강한 빛의 조건에서는 기존의 Self-adaptive 픽셀에 비해 낮은 FPN과 높은 SNR 성능을 보였다. 결론적으로 제안된 픽셀은 낮은 전압 동작의 장점과 시모스 이미지 센서로의 적용에 우수한 성능을 보인다.
