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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-13
(45)【発行日】2024-12-23
(54)【発明の名称】イメージセンサ
(51)【国際特許分類】
H04N 25/70 20230101AFI20241216BHJP
H01L 27/146 20060101ALI20241216BHJP
【ＦＩ】
H04N25/70
H01L27/146 A
【請求項の数】
1
(21)【出願番号】P 2020017961
(22)【出願日】2020-02-05
(65)【公開番号】P2020129795
(43)【公開日】2020-08-27
【審査請求日】2022-12-08
(31)【優先権主張番号】10-2019-0015675
(32)【優先日】2019-02-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】390019839
【氏名又は名称】三星電子株式会社
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ－ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ－ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ－ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
(74)【代理人】
【識別番号】110000051
【氏名又は名称】弁理士法人共生国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】徐 ミン 雄
(72)【発明者】
【氏名】金 昇 埴
(72)【発明者】
【氏名】安 正 チャク
(72)【発明者】
【氏名】李 宰 圭
(72)【発明者】
【氏名】任 東 模
(72)【発明者】
【氏名】趙 東 錫
【審査官】鈴木 肇
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／２２１２６１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許第１０１０３１９３（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】国際公開第２００５／０８３７９０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００６－２４５５２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２０７３２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００９／０１４０３０５（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｎ ５／３０ － ５／３３
Ｈ０４Ｎ ２３／１１
Ｈ０４Ｎ ２３／２０ －２３／３０
Ｈ０４Ｎ ２５／００
Ｈ０４Ｎ ２５／２０ －２５／６１
Ｈ０４Ｎ ２５／６１５－２５／７９
Ｈ０１Ｌ ２７／１４ －２７／１４８
Ｈ０１Ｌ ２９／７６
Ｈ１０Ｋ ３９／３２ －３９／３４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
入射する光に反応して電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードから転送される電荷を格納するフローティング拡散領域と、
転送信号に応答して前記フォトダイオードを前記フローティング拡散領域に連結する転送トランジスタと、
前記フローティング拡散領域の容量を拡張するためのダイナミックレンジキャパシタと、
高照度モードの動作時には前記ダイナミックレンジキャパシタと前記フローティング拡散領域とを連結し、低照度モードの動作時には前記ダイナミックレンジキャパシタから前記フローティング拡散領域を遮断する２重変換利得トランジスタと、
リセット信号に応答して前記２重変換利得トランジスタと電源電圧とを連結するリセットトランジスタと、
前記フローティング拡散領域の電位を増幅する駆動トランジスタと、を備え、
前記ダイナミックレンジキャパシタは、前記フローティング拡散領域とは異なる半導体層にシリンダー型の電極及び誘電体で形成され、
前記低照度モードは、前記高照度モードが終了した後に開始され、
前記２重変換利得トランジスタのソースは、前記フローティング拡散領域に接続され、
前記リセットトランジスタのドレインは、電源電圧に接続され、
前記ダイナミックレンジキャパシタの一端は、前記２重変換利得トランジスタと前記リセットトランジスタとの間に接続され、
前記ダイナミックレンジキャパシタの他端は、前記駆動トランジスタのドレインに接続されることを特徴とするイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、イメージセンサに関し、より詳細には、ワイドダイナミックレンジ（Ｗｉｄｅ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｇｅ）イメージセンサ及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【0002】
イメージセンサの品質を表すに当たって、重要な判断基準となるものの一つがダイナミックレンジ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｇｅ）である。ダイナミックレンジは、一般的に入力信号を歪曲せずに信号を処理できる最大の範囲を示す。イメージセンサの場合には、ダイナミックレンジが広いほど広い照度範囲内で鮮明なイメージを得ることができる。
【0003】
一般的に、イメージセンサは、ダイナミックレンジが狭くて特定のカラーの飽和状態になると、イメージの元の色をよく表現できない限界を有している。これらのダイナミックレンジが狭い欠点を克服するために、ワイドダイナミックレンジ（Ｗｉｄｅ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｇｅ：ＷＤＲ）ピクセルを実現するための多様な技術が試みられている。例えば、イメージセンサにおいて光の照射時間を調節しながらワイドダイナミックレンジ（ＷＤＲ）を実現するようにする技術や、フローティング拡散領域（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ：以下、ＦＤ）の容量を増加させる方法などがある。
【0004】
しかし、上述した技術の実現時には、比較的大きな面積が必要であるか、又は高照度と低照度のイメージの併合時に発生する信号対雑音比ディップ（ＳＮＲ ｄｉｐ）の問題から解放されない。従って、小さい面積でも実装可能であり、低照度及び高照度のイメージの併合時に発生する信号対雑音比ディップがないワイドダイナミックレンジ（ＷＤＲ）技術が切実に要求されている実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１８２８０７号明細書
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３２４９１６号明細書
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３４７０４９号明細書
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２０３９５６号明細書
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３１７０６１号明細書
【文献】米国特許出願公開第２０１０／０２７６５７２号明細書
【文献】米国特許出願公開第２００４／０１４１０７９号明細書
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３３２０２２号明細書
【文献】米国特許第９，０７７，９２２号明細書
【文献】米国特許第９，６０７，９７１号明細書
【文献】米国特許第９，３３７，２２８号明細書
【文献】米国特許第１０，０２６，７７１号明細書
【文献】米国特許第９，６１３，９９４号明細書
【文献】米国特許第９，７４９，５６９号明細書
【文献】米国特許第６，９７５，３５５号明細書
【文献】米国特許第６，９２７，７９６号明細書
【文献】米国特許第１０，０２１，３３１号明細書
【文献】米国特許第９，７７４，８０１号明細書
【非特許文献】
【0006】
【文献】Ｄａｖｉｄ Ｓｃｈｏｒ， “ＩＥＤＭ ２０１７： Ｓｏｎｙ’ｓ ３－ｌａｙｅｒ ｓｔａｃｋｅｄ ＣＭＯＳ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”， ｈｔｔｐｓ：／／ｆｕｓｅ．ｗｉｋｉｃｈｉｐ．ｏｒｇ／ｎｅｗｓ／７６３／ｉｅｄｍ－２０１７－ｓｏｎｙｓ－３－ｌａｙｅｒ－ｓｔａｃｋｅｄ－ｃｍｏｓ－ｉｍａｇｅ－ｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｅｂｒｕａｒｙ ３， ２０１８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、小面積でも実装可能であり、低照度及び高照度イメージの併合時に発生する信号対雑音比ディップが少ないワイドダイナミックレンジ（ＷＤＲ）のピクセルイメージセンサ及びその動作方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様によるフローティング拡散領域と電源電圧との間に形成されるダイナミックレンジキャパシタを含むイメージセンサの駆動方法は、フォトダイオードからのオーバーフロー電荷を前記フローティング拡散領域及び前記ダイナミックレンジキャパシタに集積する段階と、前記集積されたオーバーフロー電荷によって前記フローティング拡散領域に形成された第１の電圧をサンプリングする段階と、前記フォトダイオード、前記フローティング拡散領域、及び前記ダイナミックレンジキャパシタを前記電源電圧に連結してリセットする段階と、前記リセットされたフローティング拡散領域のリセットレベルをサンプリングする段階と、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を前記フローティング拡散領域に転送する段階と、前記フローティング拡散領域に形成された第２の電圧をサンプリングする段階と、を有する。
【0009】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様によるイメージセンサは、入射する光に反応して電荷を生成及び蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードから転送される電荷を格納するフローティング拡散領域と、転送信号に応答して前記フォトダイオードを前記フローティング拡散領域に連結する転送トランジスタと、前記フローティング拡散領域の容量を拡張するためのダイナミックレンジキャパシタと、高照度モードの動作時には前記ダイナミックレンジキャパシタと前記フローティング拡散領域とを連結し、低照度モードの動作時には前記ダイナミックレンジキャパシタから前記フローティング拡散領域を遮断する２重変換利得トランジスタと、リセット信号に応答して前記２重変換利得トランジスタと電源電圧とを連結するリセットトランジスタと、を備え、前記ダイナミックレンジキャパシタは、前記フローティング拡散領域とは異なる半導体層にシリンダー型の電極及び誘電体で形成される。
【0010】
上記目的を達成するためになされた本発明の他の態様によるイメージセンサの駆動方法は、フォトダイオードからのオーバーフロー電荷を第１のフルウェルキャパシティ（ｆｕｌｌ ｗｅｌｌ ｃａｐａｃｉｔｙ）に集積（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅ）する段階と、前記第１のフルウェルキャパシティに集積されたオーバーフロー電荷によって形成された第１の電圧をサンプリングする段階と、フローティング拡散領域のリセットレベルをサンプリングする段階と、前記フォトダイオードに蓄積された（Ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ）電荷を前記第１フルウェルキャパシティよりも小さい第２フルウェルキャパシティに集積（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅ）する段階と、前記第２フルウェルキャパシティに集積された電荷によって形成された第２の電圧をサンプリングする段階と、前記第１の電圧及び前記リセットレベルを使用して高照度のイメージ信号を生成し、前記第２の電圧及び前記リセットレベルを相関２重サンプリング方式で処理して低照度のイメージ信号を生成する段階と、を有する。
【発明の効果】
【0011】
本発明によると、小面積でも実装可能になってピクセルの縮小に有利であり、信号対雑音比ディップが少ない高感度のイメージが提供可能なイメージセンサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の一実施形態によるイメージセンサを示すブロック図である。
【図3】本発明の一実施形態による一つのピクセルセンサの構成を示す回路図である。
【図4】本発明の一実施形態によるピクセルセンサの駆動方法の一例を示すタイミング図である。
【図5】本発明の一実施形態による高照度モードで動作するピクセルセンサの特徴を示す図である。
【図6】本発明の一実施形態による高照度モードで動作するピクセルセンサの特徴を示す図である。
【図7】本発明の一実施形態による低照度モードで動作するピクセルセンサの特徴を示す図である。
【図8】本発明の一実施形態による低照度モードで動作するピクセルセンサの特徴を示す図である。
【図9】本発明の一実施形態によるピクセルセンサを使用してワイドダイナミックレンジ（ＷＤＲ）を実現するイメージセンサの動作方法を示すフローチャートである。
【図10】本発明の一実施形態によるイメージセンサの拡張されたダイナミックレンジを示すグラフである。
【図11】本発明の効果を簡単に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。上記一般的な説明及び以下の詳細な説明の両方が例として理解されるべきであり、請求された発明の付加的な説明が提供されるものとみなすべきである。参照符号が本発明の実施形態に記載されており、その例が図面に表示されている。いくつかの可能な場合にも、同じ参照符号が同じ又は類似の部分を参照するために説明及び図面に使用される。
【0014】
以下、イメージセンサ（Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ）が、本発明の特徴及び機能を説明するための例として使用される。しかし、この技術分野に精通した人は、ここに記載された内容に基づいて、本発明の他の利点及び性能を容易に理解し得る。本発明は、他の実施形態を通じて実現又は適用される。更に、詳細な説明は、本発明の範囲、技術的思想、及び他の目的から逸脱せずに、視点及びアプリケーションに応じて修正又は変更される。
【0015】
図１は、本発明の一実施形態によるイメージセンサを示すブロック図である。図１を参照すると、イメージセンサ１００は、ピクセルアレイ１１０、行デコーダ１２０、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１３０、出力バッファ１４０、及びタイミングコントローラ１５０を備える。
【0016】
ピクセルアレイ１１０は、２次元的に配列された複数のピクセルセンサ（Ｐｉｘｅｌ Ｓｅｎｓｏｒ）を含む。各々のピクセルセンサは、光信号を電気信号に変換する。ピクセルアレイ１１０は、行デコーダ１２０からの選択信号ＳＥＬ、リセット信号ＲＧ、２重変換利得制御信号ＤＣＧ、及び転送信号ＴＧのようなセンサ駆動信号によって制御される。また、センサ駆動信号に応答して、各々のピクセルセンサによって検出された電気信号は、複数の列ラインＣＬｍを介してアナログ／デジタルコンバータ１３０に提供される。
【0017】
ピクセルアレイ１１０に含まれる複数のピクセルセンサは、各々ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを含む。ピクセルセンサは、高照度モードの動作時に、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを使用してフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ：以下、ＰＤ）からオーバーフロー（Ｏｖｅｒ－ｆｌｏｗ）した電荷を格納する。高照度モードの動作時に、フォトダイオードＰＤで光露出による光電荷が蓄積（Ａｃｃｕｍｕｌａｔｅ）される。そしてフォトダイオードＰＤからオーバーフローした電荷は、飽和（Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）せずに、フローティング拡散領域ＦＤによる容量ＣＦＤ及びダイナミックレンジキャパシタＣＤＲによる容量に収容される。例えば、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲは、好ましくは限られた面積の中で十分な容量を提供するシリンダー型のキャパシタで構成される。ピクセルセンサの各々の構造及び動作は、後述する図面を介して詳しく説明する。
【0018】
行デコーダ１２０は、タイミングコントローラ１５０の制御に基づいて、ピクセルアレイ１１０のいずれか１つの行を選択する。行デコーダ１２０は、複数の行の中からいずれか１つの行を選択するために選択信号ＳＥＬを生成する。そして行デコーダ１２０は、選択された行に対応するピクセルに対してリセット信号ＲＧ及び転送信号ＴＧを順次活性化させる。そうすると、選択された行のピクセルセンサの各々から生成された高照度のセンシング信号Ｓ１、リセットレベルＲ、低照度のセンシング信号Ｓ２が、順次的にアナログ／デジタルコンバータ１３０に伝達される（図４参照）。
【0019】
アナログ／デジタルコンバータ１３０は、高照度のセンシング信号Ｓ１、リセットレベルＲ、及び低照度のセンシング信号Ｓ２をデジタル信号に変換して出力する。図示していないが、アナログ／デジタルコンバータ１３０は、相関２重サンプリング（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）方式によって、高照度のセンシング信号Ｓ１、リセットレベルＲ、及び低照度のセンシング信号Ｓ２をサンプリングした後に、デジタル信号に変換する。このために、アナログ／デジタルコンバータ１３０の前段に相関２重サンプラー（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｅｒ：ＣＤＳ）が含まれる。
【0020】
出力バッファ１４０は、アナログ／デジタルコンバータ１３０によって提供された各々の列単位のイメージデータをラッチして出力する。出力バッファ１４０は、タイミングコントローラ１５０の制御に基づいて、アナログ／デジタルコンバータ１３０から出力されたイメージデータを一時的に格納し、その後列デコーダ（図示せず）によって、順次的に、ラッチされたイメージデータを出力する。
【0021】
タイミングコントローラ１５０は、ピクセルアレイ１１０、行デコーダ１２０、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１３０、出力バッファ１４０などを制御する。タイミングコントローラ１５０は、ピクセルアレイ１１０、行デコーダ１２０、アナログ／デジタルコンバータ１３０、出力バッファ１４０などの動作のために、クロック信号（Ｃｌｏｃｋ ｓｉｇｎａｌ）、タイミング制御信号（Ｔｉｍｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｇｎａｌ）などのような制御信号（Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｇｎａｌｓ）を供給する。タイミングコントローラ１５０は、ロジック制御回路（Ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ）、位相ロック・ループ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋ Ｌｏｏｐ：ＰＬＬ）回路、タイミング制御回路（Ｔｉｍｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ）、通信インターフェース回路（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ）などを含む。
【0022】
以上、本発明の一実施形態によるイメージセンサ１００の構成を簡単に説明した。特に、ピクセルアレイ１１０を構成するピクセルセンサの各々は、ピクセルセンサ内で積層可能であり、信号ラインの構成が簡単なシリンダー型のダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを含む。ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを介したピクセルセンサの各々は、限られた面積の中で十分な容量を提供する。加えて、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを含むピクセルセンサを低照度モード及び高照度モードで駆動する場合には、低照度と高照度とのイメージの併合時に発生する信号対雑音比ディップが少ないワイドダイナミックレンジ（ＷＤＲ）を実現することができる。
【0023】
図２は、図１のピクセルアレイを構成するピクセルセンサの垂直構造を示す断面図である。図２を参照すると、ピクセルセンサ１１０ａは、積層された複数の板構造（Ｐｌａｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）で構成される。例えば、１つのピクセルセンサは、下板１１１、上板１１２、透明電極層１１３、カラーフィルタ１１４、及びマイクロレンズ１１５を含む。
【0024】
下板１１１には、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を含む多様なロジック回路が形成される。下板１１１に形成されるイメージセンサの構成は、図示したものだけに限定されない。例えば、下板１１１には、出力バッファ１４０（図１参照）やメモリが形成される。或いは、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）は、下板１１１ではないピクセルセンサの外部から提供される可能性もある。
【0025】
上板１１２には、フォトダイオードＰＤ、フローティング拡散領域ＦＤ、トランジスタ、及びダイナミックレンジキャパシタＣＤＲが形成される。上板１１２にピクセルセンサを構成するための基本的な構成が形成される。フォトダイオードＰＤは、有機物質（Ｏｒｇａｎｉｃ）、量子ドット（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ：ＱＤ）、ａ－Ｓｉ、又は化合物半導体などの材料であり、薄膜（Ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ）の形態で製造される。フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷は、ビア（Ｖｉａ）のような構造及び転送トランジスタＴＸを介してフローティング拡散領域（ＦＤ）に転送される。特に、ピクセルセンサが高照度モードで駆動される場合に、フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷は、オーバーフロー（Ｏｖｅｒ－ｆｌｏｗ）してダイナミックレンジキャパシタＣＤＲ及びフローティング拡散領域ＦＤに伝達される。
【0026】
高照度モードで、フォトダイオードＰＤからオーバーフロー（Ｏｖｅｒ－ｆｌｏｗ）した大量の光電荷を収容するために、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲは、図示したように、シリンダー型で提供される。キャパシタ（Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）の容量は、一般的に、キャパシタの有効表面積と誘電体の誘電率とに比例する。高照度モードでオーバーフロー（Ｏｖｅｒ－ｆｌｏｗ）した光電荷を蓄積する容量を提供するために、本発明のダイナミックレンジキャパシタＣＤＲは、大幅に増加したキャパシタの有効表面積を有する。例えば、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲは、ディーラム（ＤＲＡＭ）のメモリ用キャパシタの形態で形成される。即ち、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲは、少なくとも一つのシリンダー型のキャパシタで形成される。
【0027】
ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲは、上部及び下部の電極にポリシリコンを使用し、誘電膜にＳｉＯ２／ＳｉＮＸを使用するＳＩＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｓｉｌｉｃｏｎ）形態のシリンダーで構成される。このようなキャパシタの形態は、一般的なディーラム（ＤＲＡＭ）セルのキャパシタに対応する形態である。しかし、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲの構造は、この開示に限定されず、デザインルールの変更や多様な条件の変更に応じて、多様な形態に変更可能である。
【0028】
上板１１２の上部には、透明電極層１１３、カラーフィルタ１１４、及びマイクロレンズ１１５が形成される。透明電極層１１３は、例えば、薄型メタル（Ｔｈｉｎ ｍｅｔａｌ）、グラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）、透明導電性酸化膜（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｏｘｉｄｅ：ＴＣＯ）などで形成される。カラーフィルタ１１４は、異なる波長の光を透過させる。カラーフィルタ１１４は、ピクセルアレイ１１０の構造に応じていずれか１つのピクセルセンサに複数のフィルタを含む。更に、カラーフィルタ１１４の上部には、マイクロレンズ１１５を含む。
【0029】
以上、例示した本発明のピクセルセンサは、ワイドダイナミックレンジ（ＷＤＲ）の実現のためのダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを含む。ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲは、好ましくは少なくとも一つのシリンダー型のキャパシタ構造で形成される。
【0030】
図３は、本発明の一実施形態による一つのピクセルセンサの構成を示す回路図である。図３を参照すると、ピクセルセンサ１１２ａは、一つのフォトダイオードＰＤ、５つのＮＭＯＳトランジスタ（ＴＸ、ＲＸ、ＤＸ、ＳＸ、ＤＣＧＸ）、及びダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを含む構造で実現される。ピクセルセンサ１１２ａは、図２の上板１１２に形成される回路構成に対応する。
【0031】
ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲの一端は、リセットトランジスタＲＸと２重変換利得トランジスタＤＣＧＸとの間に連結される。例えば、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲの一端は、リセットトランジスタＲＸのソース（Ｓｏｕｒｃｅ）又は２重変換利得トランジスタＤＣＧＸのドレイン（Ｄｒａｉｎ）に連結される。ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲの他端は、電源電圧ＶＰＩＸに連結される。
【0032】
高照度モード時に、リセットトランジスタＲＸがターンオフ（Ｔｕｒｎ－ｏｆｆ）され、２重変換利得トランジスタＤＣＧＸがターンオン（Ｔｕｒｎ－ｏｎ）されると、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲは、フローティング拡散領域ＦＤに連結される。高照度モード時に、フォトダイオードＰＤからフローティング拡散領域ＦＤにオーバーフロー（Ｏｖｅｒ－ｆｌｏｗ）した電荷がダイナミックレンジキャパシタＣＤＲによって共有（Ｓｈａｒｉｎｇ）される。高照度モードでは、フォトダイオードＰＤからオーバーフローした大量の電荷がダイナミックレンジキャパシタＣＤＲによって捨てられずに集積（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅ）される。即ち、フォトダイオードＰＤからオーバーフローした大量の電荷が捨てられずに相対的に高い照度下で検出されたイメージ情報として使用される。
【0033】
低照度モードで、２重変換利得トランジスタＤＣＧＸ）がターンオフすると、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲは、フローティング拡散領域ＦＤから電気的に遮断される。従って、低照度モード時にフォトダイオードＰＤからフローティング拡散領域ＦＤに転送される電荷は、フローティング拡散領域ＦＤのみに格納される。フローティング拡散領域ＦＤによって提供される容量に電荷が格納されるため、より高い変換利得（Ｈｉｇｈ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｇａｉｎ）及び低ノイズ特性が提供される。
【0034】
ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲの構造は、上述したディーラム（ＤＲＡＭ）のメモリ用キャパシタに類似したシリンダー型で形成される。シリンダー型のキャパシタ構造を介して、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲは、高照度モードでフォトダイオードＰＤからオーバーフローした大量の電荷を十分に収容することができる。
【0035】
フォトダイオードＰＤは、入射光の光量や光の強度に応じて電荷を生成及び蓄積する光検出素子である。フォトダイオードＰＤは、フォトトランジスタ（Ｐｈｏｔｏ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、フォトゲート（Ｐｈｏｔｏ Ｇａｔｅ）、埋め込みフォトダイオード（Ｐｉｎｎｅｄ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ：ＰＰＤ）などでも実現される。
【0036】
転送トランジスタＴＸは、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷をフローティング拡散領域ＦＤに転送する。転送トランジスタＴＸは、一般的に１つのトランジスタで構成され、行デコーダ１２０から提供される転送信号ＴＧに応答してスイッチングされる。本発明の転送トランジスタＴＸは、高照度モード時に、フォトダイオードＰＤからオーバーフローした電荷を効果的にフローティング拡散領域ＦＤ及びダイナミックレンジキャパシタＣＤＲに転送するように特性が設定される。即ち、転送トランジスタＴＸは、高照度モード時に、フォトダイオードＰＤからオーバーフローした電荷がフローティング拡散領域ＦＤ側に効果的に転送されるレベルの電位障壁を有するようにチューニングされる。
【0037】
フローティング拡散領域ＦＤは、入射する光量に対応する電荷を検出する機能を有する。フローティング拡散領域ＦＤは、フォトダイオードＰＤから提供される電荷を転送信号ＴＧが活性化される時間の間に集積する。フローティング拡散領域ＦＤは、ソースフォロワ（Ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ）増幅器として駆動されるドライブトランジスタＤＸのゲート端に連結される。フローティング拡散領域ＦＤには、リセットトランジスタＲＸ及び２重変換利得トランジスタＤＣＧＸによって電源電圧ＶＰＩＸが提供される。
【0038】
リセットトランジスタＲＸは、フローティング拡散領域ＦＤをリセット信号ＲＧに応答してリセットする。リセットトランジスタＲＸのソースは、２重変換利得トランジスタＤＣＧＸのドレインに連結される。そして、２重変換利得トランジスタＤＣＧＸのソースは、フローティング拡散領域ＦＤに連結される。リセット信号ＲＧ及び２重変換利得制御信号ＤＣＧが活性化されると、リセットトランジスタＲＸ及び２重変換利得トランジスタＤＣＧＸがターンオンする。そうすると、電源電圧ＶＰＩＸがフローティング拡散領域ＦＤに伝達される。この場合、フローティング拡散領域ＦＤに集積された電荷は電源電圧ＶＰＩＸに放出され、フローティング拡散領域ＦＤの電圧は電源電圧ＶＰＩＸのレベルにリセットされる。
【0039】
２重変換利得トランジスタＤＣＧＸは、２重変換利得制御信号ＤＣＧに応答してピクセルセンサの変換利得（Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｇａｉｎ）を可変する。２重変換利得トランジスタＤＣＧＸは、高照度モードでターンオンされ、低照度モードでターンオフされる。即ち、高照度モードで、２重変換利得制御信号ＤＣＧが活性化されて２重変換利得トランジスタＤＣＧＸがターンオンされると、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲはフローティング拡散領域ＦＤに連結されてフォトダイオードＰＤからオーバーフローした電荷を集積する。一方、低照度モードで、２重変換利得制御信号ＤＣＧが非活性化されて２重変換利得トランジスタＤＣＧＸがターンオフされると、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲはフローティング拡散領域ＦＤから遮断される。従って、２重変換利得トランジスタＤＣＧＸによって、高照度モードと低照度モードとで異なる変換利得が提供される。
【0040】
ドライブトランジスタＤＸは、フローティング拡散領域ＦＤに対するソースフォロワアンプ（Ｓｏｕｒｃｅ Ｆｏｌｌｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の役割を提供する。ドライブトランジスタＤＸは、フローティング拡散領域ＦＤの電気的ポテンシャルの変化を増幅し、これを、選択トランジスタＳＸを経由して列ラインＣＬｉに伝達する。
【0041】
選択トランジスタＳＸは、行単位で読み出すピクセルセンサを選択するときに使用される。選択トランジスタＳＸは、行単位で提供される選択信号ＳＥＬによって駆動される。選択トランジスタＳＸがターンオンされると、ドライブトランジスタＤＸを介して、フローティング拡散領域ＦＤのポテンシャルが増幅されて選択トランジスタＳＸのドレインに伝達される。転送トランジスタＴＸ、リセットトランジスタＲＸ、選択トランジスタＳＸの駆動信号ライン（ＴＧ、ＲＧ、ＳＥＬ）は、同じ行に含まれる単位ピクセルが同時に駆動されるように、行方向（水平方向）に延長される。
【0042】
以上、本発明の一実施形態によるピクセルセンサ１１２ａの構造を例として説明した。本発明の実施形態によるダイナミックレンジキャパシタＣＤＲは、金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）のキャパシタや金属／絶縁体／金属（ＭＩＭ）キャパシタでは提供できない大容量を提供する。従って、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを使用すると、高照度モード時にフォトダイオードＰＤからオーバーフローした電荷を集積することができる。
【0043】
図４は、本発明の一実施形態によるピクセルセンサの駆動方法を例として示すタイミング図である。図４を参照すると、ピクセルセンサ１１２ａは、高照度モードで、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを使用することで、オーバーフローした電荷の損失なしにセンシングを行うことができる。
【0044】
Ｔ０の時点で、ピクセルセンサ１１２ａに提供されるリセット信号ＲＧ、２重変換利得制御信号ＤＣＧ、及び転送信号ＴＧがターンオンされると、リセットトランジスタＲＸ、転送トランジスタＴＸ、及び２重変換利得トランジスタＤＣＧＸがターンオンされて、フローティング拡散領域ＦＤ及びフォトダイオードＰＤが電源電圧ＶＰＩＸに連結される。フローティング拡散領域ＦＤ及びフォトダイオードＰＤに存在する電荷は、電源電圧ＶＰＩＸ側に放出される。その結果、フローティング拡散領域ＦＤ及びフォトダイオードＰＤがリセットされる。
【0045】
Ｔ１の時点で、高照度モードが開始される。即ち、Ｔ１の時点後に、２重変換利得制御信号ＤＣＧはハイレベルを維持し、リセット信号ＲＧ及び転送信号ＴＧはローレベルを維持する。２重変換利得制御信号ＤＣＧがハイレベルである状態で、リセット信号ＲＧがローレベルに提供されるに伴い、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲは、フローティング拡散領域ＦＤに連結される。即ち、フローティング拡散領域ＦＤのキャパシタＣＦＤとダイナミックレンジキャパシタＣＤＲとが並列連結される。加えて、転送信号ＴＧのローレベル状態によって、転送トランジスタＴＸは、ターンオフされる。このような状態下で、多量の光がフォトダイオードＰＤに入射すると、フォトダイオードＰＤでは光電変換が発生する。光電変換によって生成された電荷は、優先的にフォトダイオードに蓄積され始める。
【0046】
Ｔ２の時点で、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷がオーバーフローし始める。フォトダイオードＰＤで光電変換による電荷生成及び電荷蓄積に基づいて転送トランジスタＴＸのゲート電位障壁を越えてオーバーフローした電荷がフローティング拡散領域ＦＤに移る。即ち、オーバーフローした電荷がフローティング拡散領域ＦＤ及びダイナミックレンジキャパシタＣＤＲに集積されると、フローティング拡散領域ＦＤの電圧ＶＦＤは、電源電圧ＶＰＩＸから次第に減少し始める。
【0047】
高照度モードが終了する前の時点（（３）で表示）で、高照度モードでのサンプリングが行われる。即ち、高照度モードでのサンプリングによってフォトダイオードＰＤからオーバーフローした電荷によってフローティング拡散領域ＦＤ及びダイナミックレンジキャパシタＣＤＲに充電された電荷量に対応する第１の電圧Ｓ１がサンプリングされる。
【0048】
Ｔ３の時点で、リセット信号ＲＧがハイレベルに遷移すると、リセットトランジスタＲＸがターンオンされる。高照度モード区間で、フローティング拡散領域ＦＤ及びダイナミックレンジキャパシタＣＤＲに充電された電荷は、リセットトランジスタＲＸを経由して電源電圧ＶＰＩＸに放出される。それにより、フローティング拡散領域ＦＤの電圧ＶＦＤは、電源電圧ＶＰＩＸのレベルにリセットされる。
【0049】
Ｔ４の時点で、リセット信号ＲＧ及び２重変換利得制御信号ＤＣＧが各々ローレベルに遷移すると、２重変換利得トランジスタＤＣＧＸがターンオフされてフローティング拡散領域ＦＤとダイナミックレンジキャパシタＣＤＲとは、電気的に遮断される。加えて、フローティング拡散領域ＦＤは、電源電圧ＶＰＩＸからも遮断される。これは、高照度モードが終了したことを意味する。
【0050】
Ｔ４の時点とＴ５の時点との間で、リセット後に、安定化されたフローティング拡散領域ＦＤの電圧がリセットレベルＲとしてサンプリングされる。即ち、フローティング拡散領域ＦＤが安定的なリセット状態を維持する時点（（４）で表示）で、リセットレベルＲがサンプリングされる。
【0051】
Ｔ５の時点で、転送信号ＴＧがハイレベルに遷移する。Ｔ５の時点で、低照度モードが始まる。転送トランジスタＴＸがターンオンされ、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷がフローティング拡散領域ＦＤに移動する。このとき、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲは、フローティング拡散領域ＦＤから遮断された状態である。従って、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷は、フローティング拡散領域ＦＤのみに移動する。
【0052】
Ｔ６の時点で、転送信号ＴＧがローレベルに遷移すると、転送トランジスタＴＸは、ターンオフされ、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷のフローティング拡散領域ＦＤへの移動は遮断される。
【0053】
Ｔ６の時点とＴ７の時点との間（（５）で表示）で、低照度モードサンプリングが行われる。即ち、低照度モードサンプリングによってフローティング拡散領域ＦＤに充電された電荷量に対応する第２の電圧Ｓ２がサンプリングされる。
【0054】
Ｔ７の時点で、リセット信号ＲＧ及び２重変換利得制御信号ＤＣＧがハイレベルに遷移されると、フローティング拡散領域ＦＤに充電された電荷は、リセットトランジスタＲＸを経由して電源電圧ＶＰＩＸに放出される。それにより、フローティング拡散領域ＦＤの電圧ＶＦＤは、電源電圧ＶＰＩＸのレベルにリセットされる。
【0055】
以上のタイミング図に説明したように、本発明のイメージセンサは、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを使用する高照度モードでは、低い変換利得（Ｌｏｗ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｇａｉｎ）を提供する。そして、本発明のイメージセンサは、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを使用しない低照度モードでは、高い変換利得（Ｈｉｇｈ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｇａｉｎ）を提供して低ノイズ及び高感度のサンプリングを行うことができる。従って、本発明のイメージセンサを介して効率的にワイドダイナミックレンジ（ＷＤＲ）の機能を実現することができる。
【0056】
図５～図６は、本発明の一実施形態による高照度モードで動作するピクセルセンサの特徴を示す図である。図５は、高照度モードで、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲによって実現される低い変換利得条件を示す回路図である。図６は、高照度モードで、本発明のピクセルセンサ１１２ａのポテンシャル状態を示す図である。
【0057】
図５を参照すると、高照度モードで、ピクセルセンサ１１２ａのフローティング拡散領域ＦＤは、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲに電気的に連結される。即ち、本発明の高照度モードでは、フォトダイオードＰＤからオーバーフローした電荷が放出されず、拡張されたフルウェルキャパシティ（Ｆｕｌｌ Ｗｅｌｌ Ｃａｐａｃｉｔｙ：ＦＷＣ）に格納される。拡張されたフルウェルキャパシティＦＷＣによるフローティング拡散領域ＦＤのポテンシャルの変化は、オーバーフローする電荷量に比べて相対的に小さくなる。即ち、高照度モードで、ピクセルセンサ１１２ａの変換利得（Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｇａｉｎ）は小さくなる。このために、ピクセルセンサ１１２ａに提供される２重変換利得制御信号ＤＣＧは活性化され、２重変換利得トランジスタＤＣＧＸがターンオンされる。２重変換利得トランジスタＤＣＧＸは、高照度モードで動作する区間で、常にターンオンの状態に維持される。このような２重変換利得トランジスタＤＣＧＸのターンオン区間は、上述した図４の時間の区間（Ｔ１～Ｔ３）に該当する。
【0058】
２重変換利得トランジスタＤＣＧＸのターンオンによってフォトダイオードＰＤからオーバーフローした電荷は、フローティング拡散領域ＦＤ及びダイナミックレンジキャパシタＣＤＲに蓄積される。シリンダー型のキャパシタで提供されるダイナミックレンジキャパシタＣＤＲによって、ピクセルセンサ１１２ａのフルウェルキャパシティＦＷＣは、フローティング拡散領域ＦＤによって提供される容量ＣＦＤに比べて大幅に増加（例えば、約１００倍以上）する。ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲの活用を通じて、フォトダイオードＰＤからオーバーフローした電荷は、捨てられずに高照度の光を検出してサンプリングするのに寄与する。
【0059】
図６は、２重変換利得トランジスタＤＣＧＸがターンオンされた状態で、増加したフルウェルキャパシティＦＷＣを使用した高照度モードのセンシング動作を示す。高照度モードでのピクセルセンサ１１２ａのフルウェルキャパシティＦＷＣは、フローティング拡散領域ＦＤの容量ＣＦＤとダイナミックレンジキャパシタＣＤＲとを加えた値になる。従って、高照度モードでは、フローティング拡散領域ＦＤの容量ＣＦＤよりも、はるかに大きいフルウェルキャパシティＦＷＣが提供される。このようなフルウェルキャパシティＦＷＣの増加の条件下で、高照度モードの動作は、大きく３つの段階に区分することができる。このような３つの段階は、上述した図４において、各時点（（１）、（２）、（３））に対応する。
【0060】
先ず、（１）の時点で、高照度モードの初期動作であるフォトダイオードＰＤの電荷蓄積（Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ）の段階が進行する。一般的に、フォトダイオードＰＤでは、入射光に応答して光電変換が発生し、転送トランジスタＴＸがターンオンされるまで生成された電荷が蓄積される。転送トランジスタＴＸのチャンネルの電位障壁によって、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷は、フローティング拡散領域ＦＤに移動できずに遮断される。ここで、フローティング拡散領域ＦＤとダイナミックレンジキャパシタＣＤＲとの連結によるフルウェルキャパシティＦＷＣが大幅に増加した状態であることを確認することができる。即ち、フルウェルキャパシティＦＷＣは、フローティング拡散領域ＦＤとダイナミックレンジキャパシタＣＤＲとの容量の合計（ＣＦＤ＋ＣＤＲ）に対応することが確認される。
【0061】
（２）の時点で、フォトダイオードＰＤからオーバーフローした電荷がフローティング拡散領域ＦＤ及びダイナミックレンジキャパシタＣＤＲに格納されるオーバーフローの段階を示す。一般的に、フォトダイオードＰＤ内に収容される最大容量値を超える電荷が生成されると、電荷は、オフ状態にある転送トランジスタＴＸのチャンネルの電位障壁（Ｃｈａｎｎｅｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｂａｒｒｉｅｒ）を超えてオーバーフローする。このような現象はブルーミング（Ｂｌｏｏｍｉｎｇ）現象と称される。ブルーミング現象によって、オーバーフローした電荷が、オフ状態にある転送トランジスタＴＸのチャンネルの電位障壁を超えて他のピクセルセンサのフォトダイオードＰＤに広がるようになる。このようなブルーミング（Ｂｌｏｏｍｉｎｇ）現象を防ぐためには、オーバーフローした電荷が放出されて捨てられる必要がある。
【0062】
本発明のピクセルセンサ１１２ａは、フォトダイオードＰＤからオーバーフローした電荷を放出させずに、フローティング拡散領域ＦＤ及びダイナミックレンジキャパシタＣＤＲに格納する。本発明のダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを介して確保されるフルウェルキャパシティＦＷＣの大きさは、フォトダイオードＰＤからオーバーフローした電荷を十分に収容することができる。図示したように、オーバーフローした電荷の集積によってフローティング拡散領域ＦＤの電位は、低くなる。
【0063】
（３）の時点で、高照度モードでオーバーフローした電荷によって形成されたフローティング拡散領域ＦＤの電圧がサンプリング（又は、読み出し）される。即ち、高照度モードで、オーバーフローした電荷量に対応するフローティング拡散領域Ｆ）の電位がサンプリングされる。高照度モードでのフローティング拡散領域ＦＤの電圧Ｓ１をサンプリングする動作を第１のサンプリングと称する。
【0064】
以上、図５～図６の説明を通じて、本発明における高照度モードの動作を説明した。高照度モードで、本発明のピクセルセンサ１１２ａは、フォトダイオードＰＤからオーバーフローした電荷を、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを使用して格納することができる。本発明は、オーバーフローした電荷を放出させずに低い変換利得でサンプリングすることにより、高照度の光が飽和せずにセンシングされるワイドダイナミックレンジ（ＷＤＲ）を実現する。
【0065】
図７～図８は、本発明の一実施形態による低照度モードで動作するピクセルセンサの特徴を示す図である。図７は、低照度モードで、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲがフローティング拡散領域ＦＤから遮断されることによって実現される高い変換利得（Ｈｉｇｈ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｇａｉｎ：ＨＣＧ）条件を示す回路図である。図８は、低照度モードで、本発明のピクセルセンサ１１２ａのポテンシャル状態を示す図である。
【0066】
図７を参照すると、低照度モードで、ピクセルセンサ１１２ａのフローティング拡散領域ＦＤは、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲから電気的に遮断される。即ち、本発明の低照度モードで、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷は、フローティング拡散領域ＦＤのみに格納される。比較的に小容量のフローティング拡散領域ＦＤを使用するサンプリングによって、低照度モードでは、高い変換利得（ＨＣＧ）を提供することができる。このために、ピクセルセンサ１１２ａに提供される２重変換利得制御信号ＤＣＧは非活性化され、２重変換利得トランジスタＤＣＧＸがターンオフされる。一方、リセット信号ＲＧは活性化され、リセットトランジスタＲＸがターンオンされる。２重変換利得トランジスタＤＣＧＸは、低照度モードで動作する区間で、常にターンオフの状態に維持される。このような２重変換利得トランジスタＤＣＧＸのターンオン動作の区間は、上述した図４の時間の区間（Ｔ６～Ｔ７）に該当する。
【0067】
リセットトランジスタＲＸのターンオン及び２重変換利得トランジスタＤＣＧＸのターンオフ状態によってフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷は、転送トランジスタＴＸがターンオンされると、フローティング拡散領域ＦＤに格納される。低照度モード時に、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲからの遮断によって、ピクセルセンサ１１２ａのフルウェルキャパシティＦＷＣは、高照度モード時に比べて急激に減少する。低照度モードのサンプリングを通じて、低ノイズ及び高感度のイメージセンシングが可能になる。
【0068】
図８は、図４に示した２つの時点（（４）、（５））でのポテンシャルの状態を示す。先ず、時点（４）では、フローティング拡散領域ＦＤのリセット、及びリセットされたフローティング拡散領域ＦＤのリセットレベルＲをサンプリングする動作が行われる。時点（５）では、低照度モードでのフローティング拡散領域ＦＤの電圧レベルＳ２をサンプリングする第２のサンプリング動作が遂行される。
【0069】
高照度モードでの第１のサンプリングが完了すると、ピクセルセンサ１１２ａのフローティング拡散領域ＦＤはリセットされる。即ち、２重変換利得トランジスタＤＣＧＸ及びリセットトランジスタＲＸがターンオンされて、フローティング拡散領域ＦＤに蓄積された電荷は、電源電圧ＶＰＩＸに放出される。フローティング拡散領域ＦＤのリセットが完了すると、リセットレベルＲに対するサンプリングが行われる。リセットレベルＲのサンプリングは、転送トランジスタＴＸ及びリセットトランジスタＲＸがターンオフされた状態で行われる。
【0070】
リセット動作及びリセットレベルＲのサンプリングが完了すると、Ｔ５の時点とＴ６の時点との間で転送トランジスタＴＸがターンオンされる。そうすると、低照度モードでフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷がフローティング拡散領域ＦＤに流入する。低照度モードで、フローティング拡散領域（ＦＤ）は、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲから電気的に遮断される。低照度モードで、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷は、フローティング拡散領域ＦＤのみに格納される。低照度モードでのピクセルセンサ１１２ａのフルウェルキャパシティＦＷＣは、フローティング拡散領域ＦＤの容量ＣＦＤに対応する。従って、転送トランジスタＴＸがターンオンされると、比較的に電荷が高速でフローティング拡散領域ＦＤに充電される。
【0071】
フォトダイオードＰＤからフローティング拡散領域ＦＤへの電荷転送が完了すると、転送トランジスタＴＸは、ターンオフされる。そして低照度モードで、集積された電荷量によって形成されたフローティング拡散領域ＦＤの電位レベルＳ２がサンプリングされる第２のサンプリングＳ２が遂行される。低照度モードで、フルウェルキャパシティＦＷＣの減少に応じたピクセルセンサ１１２ａは、相対的に低ノイズ及び高感度で動作する。
【0072】
以上、本発明の実施形態による時点毎のピクセルセンサのポテンシャル状態を簡単に説明した。本発明では、高照度及び低照度で異なるフルウェルキャパシティＦＷＣを提供して、ワイドダイナミックレンジ（ＷＤＲ）を構成することができる。
【0073】
図９は、本発明の一実施形態によるピクセルセンサを使用してワイドダイナミックレンジ（ＷＤＲ）を実現するイメージセンサの動作方法を示すフローチャートである。図９を参照すると、本発明のイメージセンサ（１００、図１参照）は、電荷を失わずにワイドダイナミックレンジ（ＷＤＲ）のイメージをサンプリングすることができる。
【0074】
Ｓ１１０のステップで、イメージセンサ１００は、高照度モードでダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを使用してフォトダイオードＰＤからオーバーフローした電荷を失わずに蓄積する。即ち、高照度モードで、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲは、フローティング拡散領域ＦＤに連結される。このような状態で、フォトダイオードＰＤに蓄積（Ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ）された電荷がオーバーフローし始める。オーバーフローした電荷は、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲ及びフローティング拡散領域ＦＤによって提供される容量（ＣＦＤ＋ＣＤＲ）に集積（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅ）される。オーバーフローした電荷（例えば、負電荷）の集積により、フローティング拡散領域ＦＤのポテンシャルは、電源電圧ＶＰＩＸよりも次第に低くなる。
【0075】
Ｓ１２０のステップで、高照度モードでの第１のサンプリングが行われる。即ち、高照度モードでのサンプリングによって、フォトダイオードＰＤからオーバーフローした電荷によってフローティング拡散領域ＦＤ及びダイナミックレンジキャパシタＣＤＲに集積された電荷量に対応する第１の電圧Ｓ１がサンプリングされる。
【0076】
Ｓ１３０のステップで、フローティング拡散領域ＦＤ及びダイナミックレンジキャパシタＣＤＲのポテンシャルはリセットされる。即ち、高照度モードで、フローティング拡散領域ＦＤ及びダイナミックレンジキャパシタＣＤＲに集積された電荷は、リセットトランジスタＲＸを経由して電源電圧ＶＰＩＸに放出される。それにより、フローティング拡散領域ＦＤの電圧ＶＦＤは、電源電圧ＶＰＩＸレベルにリセットされる。
【0077】
Ｓ１４０のステップで、フローティング拡散領域ＦＤのリセットレベルＲがサンプリングされる。リセット後に、２重変換利得トランジスタＤＣＧＸがターンオフされると、フローティング拡散領域ＦＤとダイナミックレンジキャパシタＣＤＲとは、電気的に遮断される。それにより、フローティング拡散領域ＦＤのポテンシャルは、リセットレベルＲに安定化される。すると、リセットレベルＲがサンプリングされる。
【0078】
Ｓ１５０のステップで、低照度モードが開始される。転送トランジスタＴＸがターンオンされ、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷がフローティング拡散領域ＦＤに移動する。このとき、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲは、フローティング拡散領域ＦＤから遮断された状態である。従って、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷は、フローティング拡散領域ＦＤのみに移動する。
【0079】
Ｓ１６０のステップで、低照度モードでのサンプリングに対応する第２のサンプリングが行われる。転送トランジスタＴＸは、ターンオフされ、フローティング拡散領域ＦＤに集積された電荷が提供する電位がサンプリングされる。即ち、第２のサンプリングによってフローティング拡散領域ＦＤに集積された電荷に対応する第２の電圧Ｓ２がサンプリングされる。
【0080】
Ｓ１７０のステップで、高照度モードでサンプリングされた光に対応する第１のサンプリング信号（Ｓ１’＝Ｓ１－Ｒ）、及び低照度モードでサンプリングされた光に対応する第２のサンプリング信号（Ｓ２’＝Ｓ２－Ｒ）が計算される。ここで、第１のサンプリング信号（Ｓ１’＝Ｓ１－Ｒ）は無相関２重サンプリング方式により生成され、第２のサンプリング信号（Ｓ２’＝Ｓ２－Ｒ）は相関２重サンプリング方式により生成される。
【0081】
Ｓ１８０のステップで、高照度モード（ＨＩＭ）でのイメージ信号に対応する第１のサンプリング信号Ｓ１’と、低照度モード（ＬＩＭ）でのイメージ信号に対応する第２のサンプリング信号Ｓ２’との併合が行われる。
【0082】
上述したように、本発明のイメージセンサ１００は、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを使用する高照度モードで低い変換利得（Ｌｏｗ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｇａｉｎ）を提供する。そして、本発明のイメージセンサは、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを使用しない低照度モードで高い変換利得（Ｌｏｗ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｇａｉｎ）を提供して低ノイズ及び高感度のサンプリングを行うことができる。従って、本発明のイメージセンサを介して効率的にワイドダイナミックレンジ（ＷＤＲ）の機能を実現することができる。
【0083】
図１０は、本発明の一実施形態によるピクセルセンサの拡張されたダイナミックレンジを示すグラフである。図１０を参照すると、本発明のピクセルセンサ１１２ａは、ダイナミックレンジを拡張するためにフルウェルキャパシティＦＷＣを制御することにより、信号対雑音比ディップを著しく減らすことができる。
【0084】
低照度モード（ＬＩＭ）で、ピクセルセンサ１１２ａのフルウェルキャパシティＦＷＣは、フローティング拡散領域ＦＤによって提供される容量ＣＦＤに対応する。ここで、フローティング拡散領域の容量ＣＦＤを約１０ｋｅＶと仮定すると、光の強度Ｉ１まで、低照度モード（ＬＩＭ）で飽和せずにセンシングされる。
【0085】
そして、光の強度Ｉ１よりも大きい高照度モード（ＨＩＭ）では、フルウェルキャパシティＦＷＣがダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを使用して拡張される。それにより、フォトダイオードＰＤからオーバーフローする電荷を収容することができる。即ち、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを介して提供される容量ＣＤＲが約１ＭｅＶと仮定すると、１００倍以上のダイナミックレンジに拡張される。従って、本発明のピクセルセンサ１１２ａは、光の強度Ｉ２以下に対応する照度では飽和せずに線形的な特性を提供する。
【0086】
本発明の実施形態によるピクセルセンサ１１２ａの動作方式によると、オーバーフローする電荷の量をサンプリングする際にもフローティング拡散領域ＦＤを介してサンプリングを行う。従って、信号の併合時に、低照度の信号と高照度の信号との間に線形性（Ｌｉｎｅａｒｉｔｙ）を維持することができる。
【0087】
【0088】
曲線Ｃ１は、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを適用しないデフォルトの動作モードにおける信号対雑音比（ＳＮＲ）を示す。例えば、フルウェルキャパシティＦＷＣの大きさが２ｆＦであるフローティング拡散領域ＦＤの容量ＣＦＤのみが提供される場合の特徴を曲線Ｃ１に示している。曲線Ｃ２は、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを使用したフルウェルキャパシティＦＷＣの大きさが３２ｆＦに拡張された場合の信号対雑音比（ＳＮＲ）の特徴を示している。この場合、デフォルトの動作モードでは、信号対雑音比（ＳＮＲ）に比べて約４ｄＢの信号対雑音比ディップが示される。曲線Ｃ３は、ダイナミックレンジキャパシタＣＤＲを使用したフルウェルキャパシティＦＷＣの大きさが６４ｆＦに拡張された場合の信号対雑音比（ＳＮＲ）の特徴を示している。この場合、デフォルトの動作モードでは、信号対雑音比（ＳＮＲ）に比べて約７ｄＢの信号対雑音比ディップが示される。
【0089】
本発明のピクセルセンサ１１２ａの駆動方法によると、ダイナミックレンジが変化する場合には、信号対雑音比ディップが存在するが、発生する信号対雑音比ディップの大きさは、大きくないことが分かる。
【0090】
以上、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【符号の説明】
【0091】
１００ イメージセンサ
１１０ ピクセルアレイ
１１１ 下板
１１２ 上板
１１２ａ ピクセルセンサ
１１３ 透明電極層
１１４ カラーフィルタ
１１５ マイクロレンズ
１２０ 行デコーダ
１３０ アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）
１４０ 出力バッファ
１５０ タイミングコントローラ
ＣＤＲ ダイナミックレンジキャパシタ
ＣＦＤ フローティング拡散領域による容量
ＣＬｉ、ＣＬｍ 列ライン
ＤＣＧ ２重変換利得制御信号
ＤＣＧＸ ２重変換利得トランジスタ
ＤＸ ドライブトランジスタ
ＦＤ フローティング拡散領域
ＦＷＣ フルウェルキャパシティ
ＰＤ フォトダイオード
Ｒ リセットレベル
ＲＧ リセット信号
ＲＸ リセットトランジスタ
Ｓ１、Ｓ２ 高照度、低照度のセンシング信号
ＳＥＬ 選択信号
ＳＸ 選択トランジスタ
ＴＧ 転送信号
ＴＸ 転送トランジスタ
ＶＦＤ フローティング拡散領域の電圧
ＶＰＩＸ 電源電圧
１１０ ピクセルアレイ
１１１ 下板
１１２ 上板
１１２ａ ピクセルセンサ
１１３ 透明電極層
１１４ カラーフィルタ
１１５ マイクロレンズ
１２０ 行デコーダ
１３０ アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）
１４０ 出力バッファ
１５０ タイミングコントローラ
ＣＤＲ ダイナミックレンジキャパシタ
ＣＦＤ フローティング拡散領域による容量
ＣＬｉ、ＣＬｍ 列ライン
ＤＣＧ ２重変換利得制御信号
ＤＣＧＸ ２重変換利得トランジスタ
ＤＸ ドライブトランジスタ
ＦＤ フローティング拡散領域
ＦＷＣ フルウェルキャパシティ
ＰＤ フォトダイオード
Ｒ リセットレベル
ＲＧ リセット信号
ＲＸ リセットトランジスタ
Ｓ１、Ｓ２ 高照度、低照度のセンシング信号
ＳＥＬ 選択信号
ＳＸ 選択トランジスタ
ＴＧ 転送信号
ＴＸ 転送トランジスタ
ＶＦＤ フローティング拡散領域の電圧
ＶＰＩＸ 電源電圧
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】