JP2007043689A - 暗電流補償機能を有するｃｍｏｓイメージセンサ - Google Patents

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Abstract

【課題】ダークピクセルにより受光フォトダイオードの暗電流を補償することのできるＣＭＯＳイメージセンサが開示される。
【解決手段】電源電圧とドレインが連結された第１リセットトランジスタと、前記第１リセットトランジスタのソースと接地との間に連結された受光フォトダイオードを有する少なくとも一つの受光ピクセルと、前記電源電圧とドレインが連結され、ゲートとソースが前記第１リセットトランジスタのゲートと連結されたミラートランジスタおよび前記ミラートランジスタのソースと接地との間に連結され、外部からの光が遮断されたダークフォトダイオードを有する少なくとも一つのダークピクセルを含み、前記ダークフォトダイオードに流れる暗電流と同一の大きさの電流が前記受光フォトダイオードに提供される。
【選択図】図２

Description

本発明は、暗電流(ｄａｒｋ ｃｕｒｒｅｎｔ)補償機能を有するＣＭＯＳイメージセンサに関するもので、より詳しくは、少なくとも一つのＣＭＯＳイメージセンサピクセルに連結され、外部からの光が遮断されたダークフォトダイオードを有するダークピクセルを備えることによって、前記ダークピクセルのダークフォトダイオードに発生する暗電流と同一の大きさの電流を前記ＣＭＯＳイメージセンサピクセルに具備されたフォトダイオードに提供し、暗電流によりＣＭＯＳイメージセンサピクセルが飽和される速度を減少させ、駆動範囲(ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ)を拡大させることのできる暗電流(ｄａｒｋ ｃｕｒｒｅｎｔ)補償機能を有するＣＭＯＳイメージセンサに関する。
一般に、自然界に存在する各被写体等は、部分別に光の明るさ及び波長が相互に異なって表れる。イメージセンサは、光に反応する半導体の性質を利用して、被写体の互いに異なる明るさ及び波長を信号処理可能なレベルの電気的な値に出力する素子である。
通常、前記イメージセンサは、単位ピクセルから成り、多数の単位ピクセルを所定規格の行列に配置してピクセルアレイを実現し、このようなピクセルアレイを介して一定規格のイメージを撮像する。
上述したイメージセンサは、光に反応する半導体素子と、前記半導体素子の電気的変化を所定レベルの電気的な信号として出力するための多数のトランジスタとから成る。
図１は、従来の一般的なＣＭＯＳイメージセンサの単位ピクセルを示す回路図である。図１を参照すれば、従来の一般的なＣＭＯＳイメージセンサの単位ピクセルは、光に反応して容量値が変化されるフォトダイオードＰＤと、次の信号の検出のために前記フォトダイオードＰＤをリセットさせるリセットトランジスタＭ１と、前記フォトダイオードＰＤに格納された電気信号によってソースフォロワ(ｓｏｕｒｃｅｆｏｌｌｏｗｅｒ)の役割を果たすドライブトランジスタＭ２と、感知値の出力を選択するセレクトトランジスタＭ３とから成る。
即ち、リセット信号Ｒｘによって前記リセットトランジスタＭ１が一定時間オンになれば、前記フォトダイオードＰＤに残存していた電荷が放出されながら初期化される。その後、光に反応した容量値に比例した量の電流がフォトダイオードＰＤに蓄積され、ドライブトランジスタＭ２は前記フォトダイオードＰＤの電圧を設定された範囲の電気信号(出力電圧)に増幅して出力し、前記ドライブトランジスタＭ２から出力される出力電圧は、セレクトトランジストＭ３がターンオンされることによって画素アレイのアドレッシング順に沿って出力される。
このような従来のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、前記フォトダイオードＰＤは、光に全く露出されてなかった場合でも一種の漏洩電流である暗電流(ｄａｒｋ ｃｕｒｒｅｎｔ)を発生させる。即ち、前記暗電流により光が全く受光されない場合でも、前記ドライブトランジスタＭ２は出力電圧を発生させるようになる。
このような暗電流が常に発生するため、ＣＭＯＳイメージセンサのピクセルが飽和(ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ)される時間が短くなる。言い換えれば、光がフォトダイオードＰＤに受光される場合に生成される電流に前記暗電流が加わることで、飽和される時間が短くなる。従って、フォトダイオードＰＤで発生する暗電流によりＣＭＯＳイメージセンサの駆動範囲が小さくなる問題が生じる。
とりわけ、前記暗電流は温度の影響を大きく受け、周辺温度が１０℃上昇する時、前記暗電流は２倍以上増加するようになるので、前記暗電流によるＣＭＯＳイメージセンサの駆動範囲はさらに小さくなる問題が生じることとなる。
従来、前記暗電流による問題を解決するために、暗ピクセル(ｄａｒｋ ｐｉｘｅｌ)で発生する暗電流の平均値を取って一般ピクセルの出力に補償する方式が提案された。しかし、このような従来の暗電流補償技術は、各ピクセルで生成された暗電流を実質的に減少させるにあたり、補償してやるよりは、外部から数式的に引き算が行われる方式であるため、イメージセンサの単位ピクセルが飽和された状態ではピクセルが劣化されることを防止することができない問題があった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するために案出されたものであって、その目的は、少なくとも一つの受光ピクセルに連結され、外部からの光が遮断されたダークフォトダイオードを有するダークピクセルを具備することによって、前記ダークピクセルのダークフォトダイオードに発生する暗電流と同一の大きさの電流を連結された受光ピクセル内の受光フォトダイオードに提供して、前記受光フォトダイオードで発生する暗電流を補償できる暗電流補償機能を有するＣＭＯＳイメージセンサを提供することにある。
前記目的を達成するための技術的構成として、本発明は、電源電圧とドレインが連結された第１リセットトランジスタと、前記第１リセットトランジスタのソースと接地との間に連結された受光フォトダイオードを有する少なくとも一つの受光ピクセルと、前記電源電圧とドレインが連結され、ゲートとソースが前記第１リセットトランジスタのゲートと連結されたミラートランジスタおよび前記ミラートランジスタのソースと接地との間に連結され、外部からの光が遮断されたダークフォトダイオードを有する少なくとも一つのダークピクセルを含み、前記ダークフォトダイオードに流れる暗電流と同一の大きさの電流が前記受光フォトダイオードに提供されることを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサを提供する。
好ましくは、前記ダークピクセルは、前記ミラートランジスタのソースにドレインが連結され、接地にソースが連結され、ゲートからリセット信号の入力を受ける第２リセットトランジスタをさらに含むことができる。
好ましくは、前記第１リセットトランジスタおよび前記ミラートランジスタは、ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴである。
本発明の一実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサにおいて、前記ダークピクセルと前記受光ピクセルは、一つの前記ダークピクセルとその周辺に配置され、前記ダークピクセルと連結された複数個の前記受光ピクセルから成るピクセル群を形成することが好ましい。この実施形態において、前記ピクセル群は、赤色光の受光ピクセル、青色光の受光ピクセル及び緑色光の受光ピクセルを１：１：２の割合に含むことが好ましい。
本発明によれば、少なくとも一つの受光ピクセルに連結され、外部からの光が遮断されたダークフォトダイオードを有するダークピクセルを具備することによって、前記ダークピクセルのダークフォトダイオードに発生する暗電流と同一の大きさの電流を連結された受光ピクセル内の受光フォトダイオードに提供し、前記受光フォトダイオードで発生する暗電流を補償することができる効果を奏する。
とりわけ、温度の変化により補償電流の大きさを増減させることが可能であるため、温度の変化によって大きさが増減する受光フォトダイオードの暗電流を完璧に補償できる効果がある。
このように、暗電流の補償を通じてＣＭＯＳイメージセンサが飽和される時間を遅延させ、これによってＣＭＯＳイメージセンサの駆動範囲(ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ)を増加させる効果がある。
以下、添付された図面を用いて本発明の実施形態をより詳しく説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な別の形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されるわけではない。本発明の実施形態は、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者にとって本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面に示された構成要素等の形状及び大きさ等は、より明確な説明のために誇張されることができ、図面上において実質的に同一の構成および機能を有する構成要素等は同じ参照符号を付す。本明細書において、実際光を受光して検出するピクセルおよびダイオードを受光ピクセル及び受光ダイオードと呼び、光を受光せず暗電流のみを生成するピクセル及びダイオードをダークピクセル及びダークダイオードと呼ぶ。本明細書において、「連結」という用語は機械的な結合又は電気的な接続を意味し、それら（例えば「接続」）に置き換えることが可能である。
図２は、本発明の一実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサを示す回路図である。図２に示しているように、本発明の一実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサは、実際光を受光して検出する受光ピクセル１０と、前記受光ピクセル１０内の受光フォトダイオードＰＤ１の暗電流を補償するために前記受光ピクセル１０に連結されるダークピクセル２０とから成る。
本実施形態において、前記受光ピクセル１０は、先述した図１に示した一般的な ＣＭＯＳイメージセンサの単位ピクセルと同一の構成を有することができる。即ち、図２に示しているように、受光ピクセル１０は、電源電圧ＶＤＤとドレインが連結された第１リセットトランジスタＭ１と、前記第１リセットトランジスタＭ１のソースと接地との間に連結された受光フォトダイオードＰＤ１と、前記受光フォトダイオードＰＤ１に格納された電気信号によってソースフォロワ(ｓｏｕｒｃｅｆｏｌｌｏｗｅｒ)の役割を果たすドライブトランジスタＭ２と、検出値の出力を選択するセレクトトランジスタＱ３とを含んで構成される。
本実施形態において、前記ダークピクセル２０は、電源電圧ＶＤＤとドレインが連結され、ゲートとソースが前記第１リセットトランジスタＭ１のゲートと連結されたミラートランジスタＭ４と、前記ミラートランジスタＭ４のソースと接地との間に連結され、外部からの光が遮断されたダークフォトダイオードＰＤ２とを含む。さらに、前記ダークピクセル２０は、前記ミラートランジスタＭ４のソースにドレインが連結され、接地にソースが連結され、ゲートからリセット信号Ｒｘの入力を受ける第２リセットトランジスタＭ５をさらに含む。
前記ミラートランジスタＭ４は、電源電圧ＶＤＤとドレインが連結され、ゲートとソースが受光ピクセル１０の第１リセットトランジスタＭ１のゲートと連結される。このような連結構造において、前記ミラートランジスタＭ４と第１リセットトランジスタＭ１がｐチャンネルＭＯＳＦＥＴである場合、両トランジスタＭ４、Ｍ１によって電流ミラー回路が構成される。即ち、ミラートランジスタＭ４のソースで流れる電流と同一の大きさの電流が第１リセットトランジスタＭ１のソースに流れるようになる。
このようなミラー構造によって、前記ミラートランジスタＭ４のソースに暗電流と同一の大きさの電流が流れるようになると、前記第１リセットトランジスタＭ１のソースにも暗電流と同一の大きさの電流が流れるようになり、前記受光フォトダイオードＰＤ１に暗電流を補償する電流を提供することが可能となる。
前記ミラートランジスタＭ４のソースに暗電流と同一の大きさの電流が流れるようにするために、前記ミラートランジスタＭ４のソースと接地との間にダークフォトダイオードＰＤ２を前記受光フォトダイオードＰＤ１と同一の極性を有するよう連結する。前記ダークフォトダイオードＰＤ２は、前記受光フォトダイオードＰＤ１と同一の特性を有するダイオードでなければならず、外部の光から遮断された状態であるため、常に暗電流ｉＤが流れるようになる。
したがって、前記ミラートランジスタＭ４のソースでは、前記ダークフォトダイオードＰＤ２によって常に暗電流ｉＤが流れるようになり、先述した電流ミラー構造により該暗電流ｉＤと同一の大きさの電流ｉＤ'が受光ピクセル１０のリセットトランジスタＭ１のソースに流れるようになり、受光フォトダイオードＰＤ１の暗電流の大きさだけ補償電流が受光フォトダイオードＰＤ１に提供される。このような補償電流が受光フォトダイオードＰＤ１に提供されることによって、受光ピクセル１０の飽和速度を遅延させることができ、受光ピクセル１０の駆動範囲(ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ)を向上させることができる。
図２を参照して本実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの動作を説明する。先ず、前記第２リセットトランジスタＭ５のゲートに一定時間高レベルの信号が入力される場合に、前記第２リセットトランジスタＭ５がターンオンされて、前記ミラートランジスタＭ４と第１リセットトランジスタＭ１のゲートが低レベルとなりながら、前記ミラートランジスタＭ４と第１リセットトランジスタＭ１はターンオンされる。これにより、受光ピクセル１０内の受光フォトダイオードＰＤ１とダークピクセル内のダークフォトダイオードＰＤ２が基準転位にリセットされる。
次いで、受光フォトダイオードＰＤ１によって光の検出が開始されたら、前記ダークピクセル２０内のダークフォトダイオードＰＤ２は常に光が遮断された状態であるため、続けて暗電流ｉＤを発生させる。先述したミラートランジスタＭ４と第１リセットトランジスタＭ１が形成する電流ミラー構造によって、前記 暗電流ｉＤと同一の大きさの電流ｉＤ'が受光ピクセル１０のリセットトランジスタＭ１のソースに流れるようになり、受光フォトダイオードＰＤ１の暗電流の大きさだけ補償電流が受光フォトダイオードＰＤ１に提供される。
受光される光に反応して容量値に比例した量の電流が受光フォトダイオードＰＤ１に蓄積され、ドライブトランジスタＭ２は前記受光フォトダイオードＰＤ１の電圧を設定された範囲の電気信号(出力電圧０)に増幅して出力し、前記ドライブトランジスタＭ２から出力される出力電圧は、セレクトトランジスタＭ３がターンオンされることによりピクセルアレイのアドレッシング順に沿って出力される。
このように、本発明は、ダークピクセル２０によって実現される電流ミラー回路によって、暗電流に相当する補償電流が常に受光フォトダイオードＰＤ１に提供されることによって、暗電流によってピクセルが早く飽和される問題を解決することができ、これによりピクセルの駆動範囲を向上させることができる。特に、前記ダークフォトダイオードＰＤ２は、温度の変化によって受光フォトダイオードＰＤ１と同一の割合で暗電流の大きさを変化して発生させるので、受光フォトダイオードＰＤ１で温度によって大きさが変化する暗電流を完璧に補償することができる。
図３は、本発明の他の実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサを示す回路図である。図３に示しているように、本発明のＣＭＯＳイメージセンサは、一つのダークピクセル２０に多数の受光ピクセル１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂが連結された構造のピクセル群から形成され得る。即ち、このようなピクセル群を複数個具備することにより全体のＣＭＯＳイメージセンサが実現できる。
図３に示したＣＭＯＳイメージセンサにおいて、各受光ピクセル１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂとは、光の三原色成分を受光するために各受光ピクセル１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂのフォトダイオードは、赤色、緑色、青色のカラーフィルターを具備したフォトダイオードＰＤ-Ｒ、ＰＤ-Ｇ、ＰＤ-Ｂを含む。各色相の受光効率などを考慮して、前記受光ピクセルは、赤色光受光フォトダイオード、青色光受光フォトダイオード及び緑色光受光フォトダイオードが１:１:２の割合で一つのピクセル群に含まれることが好ましい。
一つのダークピクセルに連結される受光ピクセルの個数及びダークピクセルの位置は限定されないが、ＣＭＯＳイメージセンサの各位置別受光条件のバラツキが生じる恐れがあることを勘案して、一つのダークピクセルを中心にその周囲に配置可能な適切な個数の受光ピクセルを配置することが好ましい。図４は、このような各ピクセルの配置構造の例等を示す。
先ず、図４(ａ)に示すように、中心に配置された四角形のダークピクセル周囲に、Ｌ字形を有する１つの赤色光受光ピクセルと１つの青色光受光ピクセル及び２つの緑色光受光ピクセルを配置することができる。また、図４(ｂ)に示すように、全てのピクセルが正六角形の形態を有し、中心に配置されたダークピクセル周囲に、各色相の受光ピクセルを２個ずつ対向するよう配置することもできる。
従来の一般的なＣＭＯＳイメージセンサの単位ピクセルを示す回路図である。 本発明の一実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサを示す回路図である。 本発明の他の実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサを示す回路図である。 本発明の多様な実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサのピクセル配置図である。
符号の説明
１０ 受光ピクセル
２０ ダークピクセル
Ｍ１ 第１リセットトランジスタ
Ｍ２ ドライブトランジスタ
Ｍ３ セレクトトランジスタ
Ｍ４ ミラートランジスタ
Ｍ５ 第２リセットトランジスタ
ＰＤ１ 受光フォトダイオード
ＰＤ２ ダークフォトダイオード

Claims (5)

  1. 電源電圧とドレインが連結された第１リセットトランジスタと、前記第１リセットトランジスタのソースと接地との間に連結された受光フォトダイオードを有する少なくとも一つの受光ピクセルと、
    前記電源電圧とドレインが連結され、ゲートとソースが前記第１リセットトランジスタのゲートと連結されたミラートランジスタおよび前記ミラートランジスタのソースと接地との間に連結され、外部からの光が遮断されたダークフォトダイオードを有する少なくとも一つのダークピクセルを含み、
    前記ダークフォトダイオードに流れる暗電流と同一の大きさの電流が前記受光フォトダイオードに提供されることを特徴とする暗電流補償機能を有するＣＭＯＳイメージセンサ。
  2. 前記ダークピクセルは、前記ミラートランジスタのソースにドレインが連結され、接地にソースが連結され、ゲートからリセット信号の入力を受ける第２リセットトランジスタをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の暗電流補償機能を有するＣＭＯＳイメージセンサ。
  3. 前記第１リセットトランジスタおよび前記ミラートランジスタは、ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１に記載の暗電流補償機能を有するＣＭＯＳイメージセンサ。
  4. 前記ダークピクセルと前記受光ピクセルは、一つの前記ダークピクセルとその周囲に配置され、前記ダークピクセルと連結された複数個の前記受光ピクセルから成るピクセル群を形成することを特徴とする請求項１に記載の暗電流補償機能を有するＣＭＯＳイメージセンサ。
  5. 前記ピクセル群は、赤色光の受光ピクセル、青色光の受光ピクセル及び緑色光の受光ピクセルを１：１：２の割合に含むことを特徴とする請求項４に記載の暗電流補償機能を有するＣＭＯＳイメージセンサ。
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