KR0186201B1 - 컬러 선형 씨씨디 영상소자 및 이의 구동방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 촬상장치용 컬러 선형 전하결합소자(Charge Coupled Device:CCD)에 관한 것으로, 전체 소자영역의 중앙부에 구성되는 적색 감지용 포토다이오드 어레이와 상기 적색감지용 포토다이오드 어레이 일측에 각각 구성되는 청색 감지용 포토다이오드 어레이 및 녹색감지용 포토다이오드 어레이로 이루어져 광전변환에 의해 신호전하를 생성하는 포토다이오드 어레이부와, 상기 적색감지용 포토다이오드 어레이 타측에 위치하여 상기 적색, 청색 감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 저장 출력하는 스토리지 영역과, 상기 녹색감지용 포토다이오드 어레이의 일측에 분리 구성되어 상기 녹색감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 일방향으로 이동시키는 제1HCCD 시프트레지스터영역과, 상기 스토리지영역의 일측에 구성되어 상기 적색 및 청색 감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 교대로 일방향으로 이동시키는 제2HCCD 시프트레지스터 영역으로 이루어져 각 화소들간의 간격을 축소하여 컬러 해상도를 향상시키고, 소자의 구조를 단순화하는데 적당하도록 한 컬러 선형 전하결합소자 및 이의 구동방법에 관한 것이다.
Description
제1도는 종래의 컬러 선형 CCD 영상소자의 구성도.
제2도 및 제3도는 본 발명의 컬러 선형 CCD 영상소자의 구성도.
제4도는 본 발명의 컬러 선형 CCD 영상소자의 포텐셜 프로파일.
제5도는 본 발명의 컬러 선형 CCD 영상소자의 동작타이밍도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : 적색감지용 포토다이오드 어레이 22 : 청색감지용 포토다이오드 어레이
23 : 녹색감지용 포토다이오드 어레이 24 : 스토리지영역
25 : 트랜스퍼 게이트 26 : 제1HCCD 시프트레지스터
27 : 제2HCCD 시프트레지스터 28a, 28b : 센싱앰프
본 발명은 촬상장치용 컬러 선형 전하결합소자(Charge Couple Devide:CCD)에 관한 것으로, 특히 각 화소들간의 간격을 축소하여 컬러 해상도를 향상시키고, 소자의 구조를 단순화하는데 적당하도록 한 컬러 선형 전하결합소자 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래의 컬러 선형 전하결합소자에 대하여 설명하면 다음과 같다.
제1도는 종래의 컬러 선형 CCD 영상소자의 구성도이다.
종래의 컬러 선형 CCD는 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색별로 선형 CCD 3세트로 구성된다.
각각의 CCD 세트는 포토다이오드 어레이(Photo Diode Array)(1)(2)(3)와, 상기 포토다이오드 어레이(1)(2)(3) 양측에 위치한 트랜스퍼 게이트(Transfer Gate)(5)와, 상기 트랜스퍼 게이트(5) 상, 하에 위치한 수평 CCD시프트 레지스터(Horizontal CCD Shift Register)(4)와, 소자의 일측에 위치한 FD(Floating Diffusion)(7)와, 상기 FD(7)에 연결된 센싱 앰프(Sensing Amplifier)(8)로 구성된다.
상기와 같은 종래의 컬러 선형 CCD의 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.
각 포토다이오드 어레이(1)(2)(3)의 각각의 포토다이오드에서 광전 변환된 신호전하는 트랜스퍼 게이트(5)가 온(ON)되면 상기 HCCD 시프트레지스터(4)로 이동하게 된다.
이때, 포토다이오드의 순번을 홀수, 짝수번째로 나누어 지그재그 방식으로 상, 하에 위치한 HCCD 시프트레지스터(4)에 각각 이동시키는 것이다.
이어, 상기 HCCD 시프트레지스터(4)에 가해지는 클럭(Clock)에 의해 일측방향으로 이동되어 FD(7)와 센싱 앰프(8)에 의해 신호를 추출하게 된다.
즉, 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 3개의 선형 CCD는 컬러 필터(Color Filter)를 제외하면 구성이 동일하므로 동작은 동일하게 이루어지고, 각각의 센싱 앰프(8)에는 각각 적색(R), 녹색(G), 청색(B)에 해당되는 신호가 출력된다.
상기와 같은 종래의 컬러 선형 CCD는 포토다이오드 어레이 각각에 2개의 HCCD와 1개의 FD 및 센싱 앰프를 필요로 하기 때문에, R, G, B 3색을 추출하기 위해서는 그 구조가 흑백용 선형 CCD보다 3배 복잡해지고, R과 G, 그리고 G와 B사이의 공간에 각각 2개의 HCCD가 위치하므로 각 포토다이오드 어레이사이의 간격이 넓어져 색분리도가 수직방향으로 나쁜 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 컬러선형 전하결합소자의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 각 화소들간의 간격을 축소하여 컬러 해상도를 향상시키고 소자의 구조를 단순화하는데 적당하도록 한 컬러 선형 CCD 영상소자 및 이의 구동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 컬러 선형 CCD 영상소자는 전체 소자영역의 중앙부로 구성되는 적색 감지용 포토다이오드 어레이와 상기 적색감지용 포토다이오드 어레이 일측에 각각 구성되는 청색 감지용 포토다이오드 어레이 및 녹색감지용 포토다이오드 어레이로 이루어져 광전변화에 의해 신호전하를 생성하는 포토다이오드 어레이부와, 상기 적색감지용 포토다이오드 어레이 타측에 위치하여 상기 적색, 청색 감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 저장 출력하는 스토리지 영역과, 상기 녹색감지용 포토다이오드 어레이의 일측에 분리 구성되어 상기 녹색감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 일방향으로 이동시키는 제1HCCD 시프트레지스터영역과, 상기 스토리지영역의 일측에 구성되어 상기 적색 및 청색감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 교대로 일방향으로 이동시키는 제2HCCD 시프트레지스터 영역을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 컬러 선형 CCD 영상소자 및 이의 구동방법에 대해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
제2도 및 제3도는 본 발명의 선형 CCD 영상소자의 구성도이다.
전체 소자영역의 중앙부에 구성되어 광전변화에 의해 신호전하를 생성하는 적색감지용 포토다이오드 어레이(21)와, 상기 적색감지용 포토다이오드 어레이(21)의 일측에 구성되어 광전변환에 의해 신호전하를 생성하는 청색감지용 포토다이오드 어레이(22)와, 상기 청색감지용 포토다이오드 어레이(22)의 일측에 이웃하여 구성되어 광전변환에 의해 신호전하를 생성하는 녹색감지용 포토다이오드 어레이(23)와, 상기 적색감지용 포토다이오드 어레이(21) 타측에 구성되어 상기 적색감지용 포토다이오드 어레이(21)와 청색감지용 포토다이오드 어레이(22)에서 생성된 신호전하를 순차적으로 일방향으로 이동시키고, 상기 적색감지용 포토다이오드 어레이(21)에서 생성된 신호전하를 추출해내는 동안 청색감지용 포토다이오드 어레이(22)에서 생성된 신호전하를 저장(Storage)하는 스토리지영역(Storage Area)(24)과, 상기 녹색 감지용 포토다이오드 어레이(23)의 일측에 분리 구성되어 상기 녹색감지용 포토다이오드 어레이(23)에서 생성된 신호전하를 일방향으로 이동시키는 제1HCCD 시프트레지스터(26)영역과, 상기 스토리지영역(24)의 일측에 구성되어 상기 적색 및 청색감지용 포토다이오드 어레이(21)(22)에서 생성된 신호전하를 교대로 일방향으로 이동시키는 제2HCCD 시프트레지스터(27)영역과, 상기 녹색감지용 포토다이오드 어레이(23)와 제1HCCD 시프트 레지스터(26)의 분리영역상에는 상기 녹색감지용 포토다이오드 어레이(23)에서 생성된 신호전하를 상기 제1HCCD 시프트레지스터(26)영역으로 이동시키는 트랜스퍼 게이트(25)와, 상기 적색검지용 포토다이오드 어레이(21)와 스토리지영역(24)상에 수직방향으로 복수개 구성되어 인가되는 3상 클럭(3-Phase Clock) 또는 4상 클럭(4-Phase Clock)에 의해 신호전하를 일방향으로 이동시키는 폴리게이트 I, II와, 상기 각각의 포토다이오드 어레이(21)(22)(23)의 분리 영역과 각 포토다이오드 셀사이에 구성되어 신호전하를 격리하는 체널스톱층(CST)과, 상기 제1, 2HCCD 쉬프트 레지스터(26)(27)의 일측에 위치한 2개의 FD(Floating Diffusion)와, 상기 FD에 접속되어 신호전하를 센싱해내는 센싱앰프(Sensing Amp)(28a)(28b)를 포함하여 구성된다.
이때 청색감지용 포토다이오드 어레이(22) 영역의 포텐셜은 불순물 이온주입시의 불순물 농도 조절에 의해 적색감지용 포토다이오드 어레이(21)영역의 포텐셜보다 낮게 형성된다.
그리고 녹색감지용 포토다이오드 어레이(23)영역의 포텐셜은 불순물 이온 주입시의 불순물 농도 조절에 의해 제1HCCD시프트레지스터(26)영역의 포텐셜보다 낮게 형성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 선형 CCD 영상소자의 이미지 센싱동작은 다음과 같다.
제4도는 본 발명의 컬러 선형 CCD 영상소자의 포텐셜 프로파일이고, 제5도는 본 발명의 컬러 선형 CCD 영상소자의 동작 타이밍도이다.
먼저, 각 포토다이오드 어레이(21)(22)(23)에서 광전변환에 의해 생성된 신호전하를 제1, 제2CCD 시프트 레지스터(26)(27)방향으로 추출하되 적색(R), 청색(B)신호전하는 폴리게이트 I, II에 인가되는 ΦR1, ΦR2, ΦR3, ΦR4, VΦ1, VΦ2, VΦ3의 클럭펄스에 의해서 스토리지영역(24)으로 수직 이동시킨 다음 이것을 적색(R)과 청색(B) 신호 전하 하나씩 제2HCCD 시프트레지스터(27)에 의해서 일방향으로 이동시키고, FD와 센싱앰프(28a)에 의해서 신호를 읽어내게 된다.
이때 스토리지 영역(24)으로의 신호전하이동은 제1, 제2HCCD 시프트 레지스터(26)(27)의 클럭이 고정되어 있는 블랭킹(Blanking)기간동안 ΦR1, ΦR2, ΦR3, ΦR4, VΦ1, VΦ2, VΦ3의 클럭펄스에 의해서 포텐셜 웰(Potential Well)영역을 변화시키면서 이동시키는 것이다.(A1∼A19, B1∼B6)
그리고 녹색감지용 포토다이오드 어레이(23)에서 생성된 신호전하는 트랜스퍼 게이트(25)에 가해지는 클럭 펄스에 의해 제1HCCD 시프트레지스터(26)영역으로 이동하여 추출된다.
상기와 같이, 본 발명의 컬러 선형 CCD 영상소자에 있어서 청색 감지용 포토다이오드 어레이(22)를 가운데에 구성하는 이유는 다음과 같다.
녹색감지용 포토다이오드 어레이(23)에서 생성된 녹색(G)신호 전하는 휘도신호에 해당되기 때문에 신호를 분리하여 추출해야 한다.
그러므로 전체 소자영역에서 하단에 구성한 것이다.
그리고 청색(B)신호의 파장은 단파장이기 때문에 폴리실리콘막이 위에 있으면 흡수되어(폴리실리콘막은 단파장의 빛을 흡수하는 성질이 있다) 감도가 저하되므로 폴리실리콘막이 형성되지 않는 중앙에 구성한 것이다.
상기와 같이 청색감지용 포토다이오드 어레이(22)를 가운데에 구성한 것은 다음과 같은 장점을 갖게한다.
즉, 청색감지용 포토다이오드 어레이(22)에서 제2HCCD 시프트레지스터(27)로 신호전하의 수직이동은 매우 빠른 시간에 이루어지지만, 폴리실리콘막이 적색(R)신호성분이 청색(B)신호에 섞이는 것을 막아주어 색분리도를 더욱 향상시키게 된다.
상기와 같은 본 발명의 컬러 선형 CCD 영상소자의 다른 실시예로서, 포토다이오드 어레이부의 구성을 다음과 같이 할 수도 있다.
전체소자영역의 중앙부에는 적색감지용 포토다이오드 어레이(21)가 위치하고, 그 하단에 녹색감지용 포토다이오드 어레이(23), 청색감지용 포토다이오드 어레이(22)가 차례로 구성되는 것이다(즉, 주앙부에서 부터 R→G→B순으로).
이때, 적색감지용 포토다이오드 어레이(21), 녹색감지용 포토다이오드 어레이(23) 영역상에는 DC 바이어스가 인가되는 폴리실리콘 게이트가 형성되어 녹색감지용 포토다이오드 어레이(23)영역의 포텐셜이 적색감지용 포토다이오드 어레이(21)영역의 포텐셜보다 낮게 형성된다.
즉, 두영역이 서로 포텐셜 단자를 갖는다.
상기와 같은 본 발명의 컬러 선형 CCD 영상소자 및 이의 구동방법은 각 포토다이오드 어레이(21)(22)(23)의 간격을 줄이고 밀착시켰기 때문에 컬러 해상도를 높이고, 트랜스퍼 게이트, FD, 센싱앰프 등을 줄일 수 있어 소자의 구조를 단순화하는 효과가 있다.
또한, 프레임 트랜스퍼 방식에서 문제가 되는 B특성 저하를 막아 소자의 특성을 향상시키는 효과가 있다.
Claims (12)
- 전체 소자영역의 중앙부에 구성되는 적색 감지용 포토다이오드 어레이와 상기 적색감지용 포토다이오드 어레이 일측에 각각 구성되는 청색 감지용 포토다이오드 어레이 및 녹색감지용 포토다이오드 어레이로 이루어져 광전변환에 의해 신호전하를 생성하는 포토다이오드 어레이부와, 상기 적색감지용 포토다이오드 어레이 타측에 위치하여 상기 적색, 청색 감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 저장 출력하는 스토리지 영역과, 상기 녹색감지용 포토다이오드 어레이의 일측에 분리 구성되어 상기 녹색감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 일방향으로 이동시키는 제1HCCD 시프트레지스터영역과, 상기 스토리지영역의 일측에 구성되어 상기 적색 및 청색감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 교대로 일방향으로 이동시키는 제2HCCD 시프트레지스터 영역을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 컬러 선형 CCD 영상소자.
- 제1항에 있어서, 녹색감지용 포토다이오드 어레이와 제1HCCD 시프트 레지스터의 분리영역상에는 상기 녹색감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 상기 제1HCCD 시프트 레지스터영역으로 이동시키는 트랜스퍼 게이트가 구비됨을 특징으로 하는 컬러 선형 CCD 영상소자.
- 제1항에 있어서, 적색감지용 포토다이오드 어레이 및 스토리지영역상에는 수직방향으로 폴리게이트 I, II가 교대로 복수개 구성됨을 특징으로 하는 컬러 선형 CCD 영상소자.
- 제3항에 있어서, 폴리게이트 I, II는 3상 클럭(3-Phase Clock)으로 구동되는 것을 특징으로 하는 컬러 선형 CCD 영상소자.
- 제3항에 있어서, 폴리게이트 I, II는 4상 클럭(4-Phase Clock)으로 구동되는 것을 특징으로 하는 컬러 선형 CCD 영상소자.
- 제1항에 있어서, 각각의 포토다이오드 어레이와 분리영역과 각 포토다이오드 셀 사이에는 채널 스톱층이 형성됨을 특징으로 하는컬러 선형 CCD 영상소자.
- 제1항에 있어서, 청색감지용 포토다이오드 어레이영역의 포텐셜이 적색감지용 포토다이오드 어레이영역의 포텐셜보다 낮은 것을 특징으로 하는 컬러 선형 CCD 영상소자.
- 제1항에 있어서, 녹색감지용 포토다이오드 어레이영역의 포텐셜이 제1HCCD 시프트레지스터영역의 포텐셜보다 낮은 것을 특징으로 하는 컬러 선형 CCD 영상소자.
- 제1항에 있어서, 포토다이오드 어레이부는 전체 소자영역의 중앙부에 적색 감지용 포토다이오드 어레이가 위치하고, 그 하단에 녹색 감지용 포토다이오드 어레이, 청색감지용 포토다이오드 어레이가 차례로 구성됨을 특징으로 하는 컬러 선형 CCD 영상소자.
- 제9항에 있어서, 녹색감지용 포토다이오드 어레이영역의 포텐셜은 상측에 구성되는 DC 바이어스가 인가되는 폴리실리콘 게이트에 의해 적색감지용 포토다이오드 어레이영역의 포텐셜보다 낮게 형성됨을 특징으로 하는 컬러 선형 CCD 영상소자.
- 제9항에 있어서, 청색감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하는 트렌스퍼게이트에 가해지는 클럭펄스에 의해 제1HCCD 시프트레지스터영역으로 이동되는 것을 특징으로 하는 컬러 선형 CCD 영상소자.
- 적색, 청색, 녹색에 대한 각각의 신호전하를 생성하는 포토다이오드 어레이와, 상기 적색 또는 청색감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 저장 출력하는 스토리지영역과, 상기 적색 또는 청색감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 일방향으로 이동시키는 제2HCCD 시프트레지스터부와, 상기 녹색감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 일방향으로 이동시키는 제1HCCD 시프트레지스터부와, 상기 적색감지용 포토다이오드 어레이와 스토리지영역 상측에 반복적으로 복수개 형성되는 폴리게이트 I, II와, 상기 녹색감지용 포토다이오드 어레이부와 제1HCCD 시프트레지스터의 분리영역상에 구성되는 트랜스퍼 게이트를 포함하여 이루어진 컬러 선형 CCD 영상소자의 구동방법에 있어서, 상기 폴리게이트 I, II의 구동에 의해 적색감지용 포토다이오드 어레이와 청색감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 상기 스토리지영역을 거쳐 제2HCCD 시프트레지스터영역 방향으로 순차적으로 이동시킴과 동시에 상기 트랜스퍼 게이트를 구동하여 녹색감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하를 제1HCCD 시프트레지스터영역으로 이동시킨후에, 청색감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하는 스토리지영역의 어느 한 부분에 저장되고 적색감지용 포토다이오드 어레이에서 생성된 신호전하는 제2HCCD 시프트레지스터영역에 이동되어진 상태에서 제1, 제2HCCD 시프트레지스터에 인가되는 클럭이 고정된 상태에서 청색신호를 제2HCCD 시프트레지스터 영역으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 컬러 선형 CCD 영상소자의 구동방법.
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