3T와 4T의 타이밍도

2021년에 네이버 블로그에 포스팅한 글입니다.

+ CIS 공부 초기에 큰 도움을 주셨던 tachynoll 선생님께 감사드립니다.

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source : https://tachynoll.wordpress.com/

3TR의 구조이다. 3TR은 Photodiode가 Reset과 연결되어 있다.

구조상 reset을 하게되면 애써 빛에 의해 수집된 전하가 사라지게된다.

따라서 reset 이후에 신호를 측정 할 수 없다.

이러한 이유로 reset level과 signal level이 다른 Frame에서 오게되고 그 랜덤성에 의해 reset noise의 요인이 된다.

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즉, 매번 리셋될 때 마다 reset의 랜덤성에 의해 전압이 다르게 된다.

그리고 구조 때문에 signal S/H 을 먼저 진행 한 뒤 reset S/H을 진행 해 reset noise에 노이즈에 그대로 노출되게 된다.

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source : https://tachynoll.wordpress.com/

위 그림은 출처의 그림을 Reset noise를 표현하기 위해 조금 편집한 내용이다.

reset을 하게되면, reset을 하게 되는 순간 reset gate 아래에 있던 전하들이 drain과 source 쪽으로 랜덤하게 갈리게 된다.

따라서 위의 그림에 Difference of reset이라고 적어 둔 것과 같이 양쪽으로 나뉜 전하에 의해 매번 리셋마다 랜덤하게 전압이 내려가게된다.

그리고 3T 구조는 (n)번 프레임의 signal 전압과 (n+1)번의 프레임의 reset 전압의 차로 순수한 신호를 얻어내기 때문에

순수한 신호에 reset noise가 끼어있다.

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+ 그리고 전하가 쌓이게되면 전압이 점점 내려가게되는데

이런 원리를 전하를 전압으로 바꾼다(conversion)고 표현한다.

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이와 같은 문제을 해결 방안은 전하를 따로 저장할 공간을 만들어 reset을 해도 전하가 사라지지 않도록 하는 것인데,

Flotion gate를 이용해 이를 해결하였다. Reset node와 Photodiode의 경계로1개의 TR을 추가하였기에 4개의 TR을 가지고 있어

이 구조를 4T 구조라고 부른다.

 

Source - Xu, Yang, and Albert JP Theuwissen. "Image lag analysis and photodiode shape optimization of 4T CMOS pixels."  Proc. Int. Image Sensor Workshop . 2013.

 

source : https://tachynoll.wordpress.com/

위 그림은 4T 픽셀 구조이다.

TG(Transfer Gate)가 추가되어 reset노드와 photodiode를 TG로 경계를 만들었다.

TG옆의 Floating node에 있는 Cd에 전하를 옮길 수 있기 때문에

1. TG가 OFF일 경우 Photodiode에 전하가 수집되고있다.

2. SEL TR을 ON 시킨다.

3. 빛 조사가 끝나기 직전에 Reset을 한다. 그리고 Reset 된 level을 측정(sampling)하고 Column회로에 저장한다.

이때 Reset을 해도 Photodiode의 Cpd 있는 전하는 Vdd값으로 초기화 되지 않고 Cd가 Vdd 값으로 초기화된다.

4. TG를 ON시켜 Cpd의 신호 전하를 Cd로 옮긴다.

5. Source follower이 갑자기 옮겨진 전하에 의해 내려간 전압 level을 측정하고 아까 저장한 Column회로에 저장된 Reset level에서 빼준다.

이때 먼저 측정한 reset 된 전압과 TG를 ON시키고 얻은 신호값을 가지고 있는 전압을 같은 Frame에서 측정한 값이다.

따라서 측정한 두 전압 모두 같은 reset noise를 가지고 있어 (reset 전압) - (신호 전압)을 해주게 되면

reset 노이즈가 없는 순수한 신호전압을 얻을 수 있게 된다.

source : https://tachynoll.wordpress.com/

위 그림 또한 Reset noise를 표현하기 위해 출처의 그림을 조금 편집한 내용이다.

4TR구조는 또한 전하에서 전압으로 바꿀 때 Cpd에 저장된 전하를 사용하지 않고 Cd에 저장된 전하를 사용하게 된다.

따라서 photodiode의 면적을 늘려도 전하-전압 변환에 사용되는 Cd와 무관하게 되어

△Vout = △Q/Cpd가 아닌

△Vout = △Q/Cd가 되어 photodiode의 수광부 면적을 크게 늘려 photodiode의 커패시턴스가 늘어난다고 해도

Vout에 영향을 주지 않는다.

그러므로 Vout까지 향상되는 효과를 보이게 된다.

또한 Cd의 용량을 photodiode에 관계없이 늘리고 줄일 수 있기 때문에 full well capacity를 늘려 수용 할 수 있는 빛에 의한 전하가 많아진다.

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TR을 1개 더 사용했기 때문에 당연스레 Fill Factor가 낮아지고 크기와 단가가 커지겠다. 하지만, 이를 감수하고도 남을 만큼

reset noise를 커다란 이슈 잡으면서 높은 Conversion gain, full well capacity까지 잡을 수 있는 구조가 4T 구조이다.