KR100507879B1 - Ｃｍｏｓ이미지 센서의 단위 화소 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구현 면적을 줄이고, 1개 단위 화소의 필 팩터를 높인, CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 외부의 피사체 이미지를 촬상한 빛을 흡수하여 전하를 생성 및 축적하는 광전하 생성 수단; 상기 광전하 생성 수단으로부터 광전하를 전달받는 단일 센싱 노드; 상기 광전하 생성 수단에 연결되며 제1 제어신호에 응답하여 상기 광전하 생성 수단에서 생성된 광전하를 상기 단일 센싱 노드로 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터; 일측으로 제2 제어신호를 인가받고 타측이 상기 단일 센싱 노드에 연결되는 커패시터; 및 전원전압단과 출력단 사이에 연결되고 게이트가 상기 단일 센싱 노드에 연결되어 상기 커패시터에 저장된 값에 의해 소스 폴로우 역할을 수행하는 드라이브 트랜지스터를 포함하는 CMOS 이미지센서의 단위 화소를 제공한다.

Description

ＣＭＯＳ이미지 센서의 단위 화소{UNIT PIXEL OF CMOS IMAGE SENSOR}

본 발명은 씨모스(Complementary Metal Oxide semiconductor, 이하 CMOS라 함) 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 CMOS 이미지 센서의 화소 어레이(pixel array)를 구성하는 단위 화소의 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지 센서란 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 찍어(capture)내는 장치를 말하는 것이다. 자연계에 존재하는 각 피사체의 부분부분은 빛의 밝기 및 파장 등이 서로 달라서 감지하는 장치의 각 화소에서 다른 전기적인 값을 보이는데, 이 전기적인 값을 신호처리가 가능한 레벨로 만들어 주는 것이 바로 이미지 센서가 하는 일이다.

이를 위해 이미지 센서는 수만에서 수십만 개의 화소로 구성된 화소 어레이와, 수백개 정도의 화소에서 감지한 아날로그(analog) 전압을 디지털(digital) 전압으로 바꿔주는 장치와, 수백에서 수천 개의 저장 장치 등으로 구성된다.

여기서, 단위 화소는 3개의 트랜지스터 또는 4개의 트랜지스터를 포함하여 구성된다.

도 1은 종래 기술에 따른 단위 화소의 내부 회로도이다.

도 1의 단위 화소는 1개의 포토 다이오드(100)와 1개의 커패시터(C)와 4개의 트랜지스터(Tx, Rx, Dx, Sx)로 이루어진다. 여기서, 4개의 트랜지스터는 포토 다이오드(100)에 생성된 광전하를 커패시터(C)로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 다음 신호 검출을 위해 포토 다이오드(100)와 커패시터(C)를 초기화시키는 리셋 트랜지스터(Rx)와, 커패시터(C)에 저장된 값에 의해 소스 폴로우(source follower) 역할을 수행하는 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 스위칭으로 어드레싱을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)이다.

상기한 바와 같이 구성되는 종래의 단위 화소는 3개의 트랜지스터 또는 4개의 트랜지스터로 구성됨으로써 상대적으로 많은 트랜지스터 수로 인해 필 팩터(Fill Factor)를 높이기 힘든 문제가 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 구현 면적을 줄이고, 1개 단위 화소의 필 팩터를 높인, 이미지 센서의 단위 화소를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 외부의 피사체 이미지를 촬상한 빛을 흡수하여 전하를 생성 및 축적하는 광전하 생성 수단; 상기 광전하 생성 수단으로부터 광전하를 전달받는 단일 센싱 노드; 상기 광전하 생성 수단에 연결되며 제1 제어신호에 응답하여 상기 광전하 생성 수단에서 생성된 광전하를 상기 단일 센싱 노드로 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터; 일측으로 제2 제어신호를 인가받고 타측이 상기 단일 센싱 노드에 연결되는 커패시터; 및 전원전압단과 출력단 사이에 연결되고 게이트가 상기 단일 센싱 노드에 연결되어 상기 커패시터에 저장된 값에 의해 소스 폴로우 역할을 수행하는 드라이브 트랜지스터를 포함하는 CMOS 이미지센서의 단위 화소를 제공한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 화소의 내부 회로도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 단위 화소는 종래와 동일하게 포토 다이오드(100), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 커패시터(C1)를 구비하되, 커패시터(C1)의 동작이 종래와 구별된다.

구체적으로, 본 발명의 단위 화소는 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토 다이오드(100), 포토 다이오드(100)에 연결되며 제어신호(φ_T)에 응답하여 포토 다이오드(100)에서 생성된 광전하를 노드(B)로 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 일측으로 전원전압(VDD)과 접지전원(VSS)이 번갈아가며 인가되는 제어신호(φ_c)를 인가받고 타측이 노드(B)에 연결되는 커패시터(C1) 및 전원전압단(VDD)과 출력단(Pixel out) 사이에 연결되고 게이트가 노드(B)에 연결되어 커패시터(C1)에 저장된 값에 의해 소스 폴로우 역할을 수행하는 드라이브 트랜지스터(Dx)로 이루어진다.

상기 도 2와 같이 구성되는 단위 화소에서 포토 다이오드(100)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 구성과 동작은 종래와 동일하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하고, 본 발명의 기술적 특징을 가진 커패시터(C1)와 드라이브 트랜지스터(Dx)에 대해서만 아래에 상세히 설명한다.

커패시터(C1)의 제어신호(φ_c)로 VDD와 VSS가 번갈아가며 인가하여 종래의 리셋 트랜지스터(Rx)와 셀렉트 트랜지스터(Sx)가 수행하였던 동작을 동일하게 구현하게 되는 데, 그 상세 동작은 다음과 같다.

먼저, 포토 다이오드(100)와 커패시터(C1)를 초기화하기 위해 제어신호(φ_c)로 VDD를 인가하면, 커패시터(C1)는 VDD 값을 가지게 되고 이때 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 턴-온되면 포토 다이오드(100)가 초기화가 된다. 그리고, 데이터를 읽기 위해서 제어신호(φ_c)를 플로팅(floating)시키면 데이터 값을 드라이브 트랜지스터(Dx)로 전달하게 된다.

다음으로, 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 동작을 위해 제어신호(φ_c)로 VSS를 인가하여 커패시터(C1)의 값을 '0'으로 만들면, 드라이브 트랜지스터(Dx)가 턴-오프되어 출력단(Pixel out)으로 데이터가 전달되지 않게 된다. 이는 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 제거함으로써 전압의 감쇠없이 출력단(Pixel out)으로 정보를 전달할 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 2개의 트랜지스터를 구비하여 단위 화소를 구성함으로써 구현 면적을 줄이고, 필 팩터를 높일 수 있는 효과가 있다.

이에 따라 본 발명의 단위 화소를 채용한 이미지 센서의 전체 구현 면적 또한 획기적으로 줄일 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 단위 화소의 내부 회로도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 화소의 내부 회로도.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명

100 : 포토 다이오드 Tx : 트랜스퍼 트랜지스터

C, C1 : 커패시터 Rx : 리셋 트랜지스터

Dx : 드라이브 트랜지스터 Sx : 셀렉트 트랜지스터

Claims (4)

1. 외부의 피사체 이미지를 촬상한 빛을 흡수하여 전하를 생성 및 축적하는 광전하 생성 수단;

   상기 광전하 생성 수단으로부터 광전하를 전달받는 단일 센싱 노드;

   상기 광전하 생성 수단에 연결되며 제1 제어신호에 응답하여 상기 광전하 생성 수단에서 생성된 광전하를 상기 단일 센싱 노드로 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터;

   일측으로 제2 제어신호를 인가받고 타측이 상기 단일 센싱 노드에 연결되는 커패시터; 및

   전원전압단과 출력단 사이에 연결되고 게이트가 상기 단일 센싱 노드에 연결되어 상기 커패시터에 저장된 값에 의해 소스 폴로우 역할을 수행하는 드라이브 트랜지스터

   를 포함하는 CMOS 이미지센서의 단위 화소.
2. 제 1 항에 있어서,

   초기화 동작 시, 상기 제1 및 제2 제어신호로 전원전압을 인가하여 상기 커패시터에 전원전압 값을 저장하고, 상기 트랜스퍼 트랜지스터를 턴-온시켜 상기 광전하 생성 수단을 초기화하도록 구성됨을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서의 단위 화소.
3. 제 2 항에 있어서,

   데이터 읽기 동작 시 상기 제2 제어신호를 플로팅시켜 상기 광전하에 의한 상기 단일 센싱 노드의 데이터 전압 레벨을 상기 드라이브 트랜지스터로 전달하도록 구성됨을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서의 단위 화소.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제2 제어신호로 접지전원을 인가하여 상기 커패시터의 값을 '0'으로 만들고, 상기 드라이브 트랜지스터를 턴-오프시켜 상기 출력단으로 데이터가 전달되지 않도록 구성됨을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서의 단위 화소.