Dual conversion gain

Dual conversion gain (DCG)를 통해 dynamic range (DR)을 증가시킬 수 있다.

 

DCG는 기본적으로 모든 픽셀에 대해 같은 photo-generated charge를 다른 CG로 dual sampling한다.

 

Mechanism

A_0.8_m_Smart_Dual_Conversion_Gain_Pixel_for_64_Megapixels_CMOS_Image_Sensor_with_12k_e-_Full-Well_Capacitance_and_Low_Dark_Noise.pdf

1.19MB

2019 IEDM 삼성전자에서 "A 0.8 µm Smart Dual Conversion Gain Pixel for 64 Megapixels CMOS Image Sensor with 12k eFull-Well Capacitance and Low Dark Noise" 에 발표한 논문의 구조를 보면,

기존의 구조처럼 하나의 FD가 위치하고 추가적으로 뒤에 하나의 FD가 더 위치하게 되는데, 기존 동작은 RG LOW인 상태로 high CG mode이며 RG HIGH 상태로 바꾸게 되면 두 FD가 연결되어 FD의 전체적인 capacitance가 증가하여 low CG mode를 사용하게 된다.

 

Fig. 6 그래프를 보면 빨간색에 해당하는 low CG mode와 파란색에 해당하는 high CG mode를 같이 사용하게 되면 전체적인 DR이 증가한 초록색의 DR을 얻을 수 있게 된다.

 

또 하나의 추가적인 이점으로 Fig 12.에서 가장 오른쪽 막대에 해당하는 low CG 모드를 이용하게 되면 FD의 늘어난 capacitance 때문에 pixel의 FWC도 결과적으로 선형적으로 증가하여 6,000 e-에서 12,000까지 거의 두배로 증가하게 된다.

위 식과 같이 FWC은 FD의 cap과 비례하기 때문에 FD cap이 증가하면 FWC이 증가하게 된다. 

Vpmax는 픽셀 내에서의 전압 swing.

 

서로 다른 CG를 비교하면 위 그래프와 같다. High CG의 경우 pixel saturation 지점을 보면 FWC이 8050 e- 밖에 안되지만,  low CG의 경우 FWC이 49,900 e-다. 즉, CG가 크다는 것은 photo-generated charge가 적은 상태에서 pixel이 포화된다는 것이다. (white spot?이 발생)

 

정리를 하면:

 

1) Small FD capacitance → High CG

• Good for low intensity performance

2) Large FD capacitance → Low CG

• Good for high intensity performance