CIS의 역사

CMOS image sensor의 역사

CMOS Image Sensor(CIS : Contact Image Sensor라고도 함)는 1967년 FairChild, RCA등이 활발히 개발을 하기 시작하였다.
그 후, 1979년 Hitachi가 개발에 주력을 하다 Fixed Pattern Noise (FPN)를 비롯한 noise로 인하여 image quality가 CCD에 비해서 열등하고 또한 CCD대비 회로가 복잡하고 Packing density가 낮으며 Cost측면에서 CCD에 비해서 차이점이 없고 Chip Size가 큰 이유로 인하여 1989년에 MOS형 image sensor의 개발을 포기하고 CCD 개발로 전환을 하였다.
그 이후 1990년 NHK/Olympus에서 amplified MOS Imager (AMI)를 발표하였고, 1993년 edinburgh 대학에서 최초의 CMOS type Camera chip을 발표한 이후로 같은해 JPL에서 CMOS type Active Pixel Sensor(APS)를 발표하고 1995년 미국 대학 및 연구기관에서 본격적인 CMOS Image Sensor에 대한 개발이 시작되었다.

CMOS Image Sensor vs. CCD의 특성비교

* Power 소모는 CCD의 경우 CCD에서 소비하는 전력을 나타내며, CIS의 경우 Digital out put을 내는 경우(ADC 내장)를 말함. 그 외 특징을 살펴보면 CCD의 경우 공정이 CMOS에 비해서 상대적으로 어렵고, CMOS의 경우 random access가 가능하나 CCD는 불가능한 점등이 있다. 1990년대 후반 및 최근에는 CMOS 공정기술의 발달 및 signal processing algorithm의 개선등으로 인하여 기존의 CMOS Image Sensor가 가지고 있던 단점들이 극복되기 시작하였으며 또한 선택적으로 CCD 공정을 CMOS Image Sensor에 적용, 제품의 질이 기존에 비해서 월등히 개선되어 Image Sensor의 시장을 CCD와 양분할 정도로 기술력이 급격히 상승하고 있는 실정이다.

특성	Charge Coupled Device(CCD)	CMOS Image Sensor(CIS)
Power*	> 50mW	30 ~ 100 mW
Voltage	double click to edit	5V, 3.3V
System 집적도	double click to edit	Good
Noise	Very Good	Bad
Sensitivity	> 25 uV/e-	CCD > CMOS

CMOS image sensor의 Pixel구조 및 동작원리

1-Tr Structure
1 Tr Structure의 경우 그림과 같이 아주 간단한 구조로 구성된다. 1 pixel을 구성하는 요소가 MOSFET 1ea, Photo Diode 1ea로 구성되므로 동일한 pixel size에 대해서 2 ~ 4TR 구조의 pixel 보다 수광부 면적을 크게 할 수 있는 장점이 있다.
또한 70 ~ 80 %에 이르는 fill factor를 얻을 수 있다. 그러나 signal readout시 noise level이 대략 250 e- [r.m.s] 정도로 매우 크게 나타나며, signal 증폭용 sense amp(S/A) 및 signal 저장용 capacitance가 bus line 끝단에 존재하므로 parastic capacitance의 영향을 많이 받아 결과적으로 Fixed Pattern Noise(FPN)가 크게 나타나는 단점이 있다. 이러한 구조로는 photo-diode type passive pixel구조와 Charge Modulation Device(CMD)가 있다.
그러나 CMD의 경우 standard CMOS process를 사용하지 않고 특별한 process를 적용하기 때문에 non-CMOS active pixel sensor(APS)라고 불리기도 한다. 1 Tr구조의 동작은 수광부에 빛이 입사하게 되면 이에 따라 EHP(Electron-Hole Pair)가 생성되고, 이렇게 생성된 신호전하는 Tr의 gate bias에 따라 출력단으로 전달되는 방식으로 되어 있다.

CMOS Image Sensor의 구성

아래는 일반적인 흑백 CCD camera module의 구성을 나타낸다.
흑백 CCD의 경우, 일반적으로 4-chip solution으로 제공되며 color CCD의 경우는 아래 그림에서 보는 바와 같이 6-chip solution으로 제공되고 있다.
CMOS Image Sensor는 위의 그림에서 vertical driver, Timing generator, CDS/AGC/ADC, MICOM 및 EEPROM, Digital signal processor등을 one-chip화 시킬 수 있다. 현재 전세계 기술력은 digital signal processor를 동시에 one chip화 할 경우 발생하는 문제점을 확실히 제거를 하지 못하고 있는 실정이므로 일반적인 CMOS Image Sensor의 chip solution 은 2-chip solution으로 제공되고 있다.

CMOS Image Sensor glossary

Correlated Double Sampling(CDS) : Low frequency NOISE 제거를 위한 신호추출 방법.Pixel에서 신호를 Sampling 할 때, Reset & Integrating시 신호를 각각 읽어 들여 Reset noise와 DC Offset을 빼주기 위함이다.

Dark Current : [pA/cm2] or [nA/cm2]
Definition ; Idark = (Signal Charge / Integration time)← Q = i×t , typically under the 1nA/cm2. c.f. : Dark Level , ( Q = CV )

Dynamic Range : [dB]
Definition ; = 20 log [Saturation Signal / Dark Signal (rms Noise floor)] , typically 60 ~ 70 dB.

Fill Factor (Aperture Efficiency) : [%]
Definition ; = Light Sensitive Area / 1 pixel Area ) X 100

Fixel Pattern Noise (FPN) : 전하 transfer circuit과 source follower circuit을 구성하는 Tr의 threshold mismatch 에 의해 주로 발생함. 이는 dark 상태에서 system gain을 높이면 눈으로 식별 가능하다. Gain type FPN 은 pixel size 가 작을때 pixel의 geometry 변화에 의해 발생한다.

Reset Noise (kTC Noise) : 개별 pixel 로부터 신호를 Readout 한 후, Reset 할 때 발생하는 thermal noise. k : Boltzmann constant , T : Kelvin, C : Junction Capacitance.

Quantum Efficiency : [%]
Definition = (Photo - generated electrons / Incident photons on the pixel Area) X 100
일반적으로 양자효율(quantum efficiency)라 함은 입사된 photon 1개당 생성되는 EHP의 개수를 의미한다.

그림 1. CCD에서 대부분의 기능들은 카메라의 PCB 상에서 수행된다. 만일 애플리케이션의 요구들이 변하면 설계자는 imager를 다시 설계하지 않고 전자부품들(electronics)을 변경할 수 있다.

그림 2. CMOS imager는 픽셀에서의 전하를 전압으로 변환하며, 그 결과 대부분의 기능들은 칩속으로 통합된다. 이것은 imager 기능들을 덜 유연하게 만들지만, 러그드된 환경들에서의 응용들을 위하여 CMOS 카메라가 더 신뢰가능해질 수 있다.