KR100542691B1

KR100542691B1 - 필팩터를 증가시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그구동 방법

Info

Publication number: KR100542691B1
Application number: KR1020010045424A
Authority: KR
Inventors: 이재동
Original assignee: 매그나칩 반도체 유한회사
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2006-01-16
Also published as: US20030020002A1; KR20030010835A; US6762401B2

Abstract

본 발명은, 필팩터 및 출력전압 구동 범위를 증가시킬 수 있으며 노이즈를 감소시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 수광영역; 상기 수광영역에 축전된 전하를 전달받는 플로팅 확산영역; 그 제1 접합이 공급전원단에 연결되고 그 제2 접합이 상기 수광영역에 연결되는 제1 리셋 트랜지스터; 그 제1 접합이 공급전원단에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되는 제2 리셋 트랜지스터; 및 그 제1 접합이 상기 수광영역에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되어 상기 수광영역에 축전된 전하를 상기 플로팅 확산영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서 및 그 구동 방법을 제공한다.

이미지 센서, 필팩터, 리셋 트랜지스터, 트랜스퍼 트랜지스터, 어드레싱

Description

필팩터를 증가시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 구동 방법{CMOS image sensor capable of increasing fill factor and driving method thereof}

도 1은 종래 기술에 따라 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스를 구비하는 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 보이는 회로도,

도 2는 종래 기술에 따라 3개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스를 구비하는 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 보이는 회로도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 보이는 회로도,

도 4a 및 도 4b는 도 3에 보이는 이미지 센서의 단위화소 배치를 보이는 평면도,

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 보이는 회로도,

도 6a 및 도 6b는 도 5에 보이는 이미지 센서의 단위화소 배치를 보이는 평면도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

PD: 포토다이오드 FD: 플로팅 확산영역

Rx Tr, Rx Tr1, Rx Tr2: 리셋 트랜지스터 Tx Tr: 트랜스퍼 트랜지스터

Dx Dr: 드라이버 트랜지스터

본 발명은 CMOS 이미지 센서(image sensor)에 관한 것으로, 특히 필팩터를 증가시킬 수 있는 CMOS 이미지 센서 및 그 구동 방법에 관한 것이다.

CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 빛에 반응하여 생성된 신호전자를 전압으로 변환하고 신호처리 과정을 거쳐 화상정보를 재현한다. CMOS 이미지 센서는 각종 카메라, 의료장비, 감시용 카메라, 위치확인 및 감지를 위한 각종 산업 장비, 장난감 등 화상신호를 재현하는 모든 분야에 이용 가능하며, 저전압 구동과 단일 칩화가 가능하여 점점 활용범위가 확대되고 있는 추세이다.

CMOS 이미지 센서는 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD(charge coupled device) 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.

도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위화소(10)를 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx Tr)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx Tr)는 신호검출을 위해 상기 플로팅 확산영역에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 드라이버 트랜지스터(Dx Tr)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx Tr)는 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 것이다.

이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx Tr), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx Tr) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx Tr)를 턴-온(turn-on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 포토다이오드에 전하방전(carrier discharging)이 발생하고, 플로팅 확산영역(FD)은 공급전압(VDD)에 비례하여 전하방전된다.

그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx Tr)를 턴-오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx Tr)를 턴-온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx Tr)를 턴-오프시킨다. 이 때부터 Photodiode는 빛에 의해 전하 축전이 시작된다. 이와 동시에 플로팅 확산영역(FD) 에 저장되어 있는 전압을 동작 상태에서 단위화소 출력단(Vout)으로부터 제1 출력전압(V1)을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx Tr)를 턴-온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 포토다이오드(PD)의 전하들을 플로팅 확산영역(FD)으로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Vout)에서 제2 출력전압(V2)을 읽어들여 두 전압차 'V1 - V2'에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다

위에서 설명한 단위화소의 동작이 안정적으로 이루어지기 위해서는 캐패시턴스 Cp와 Cf 구조가 매우 중요하다. 빛을 센싱하는 핀드 포토다이오드의 캐패시턴스 Cp는 면적이 클수록 빛에 대한 센싱 특성이 좋아지게 되지만 단위화소의 크기가 증가하게 되어 칩 면적 및 패키지(package) 완료 후 사용되는 렌즈의 크기가 증가하게 되어 가격 경쟁력이 떨어진다. 반면 캐패시턴스 Cf는 적은 값이 요구된다. 즉 캐패시턴스 Cp는 그 값이 적을수록 빛에 의해 포획(capture)된 전자들이 플로팅확산영역(FD)으로 전달되었을 때 센싱특성이 좋아지지만, 너무 적으면 게이트와 플로팅확산영역(FD)간의 기생 캐패시터들에 의해 차지 커플링(charge coupling) 현상과 각 픽셀간 캐태시터들의 비정합비(Mismatching Ratio)가 증가하여 심한 노이즈(noise) 현상을 일으키게 된다. 그런데 캐패시턴스 Cf 값이 너무 크면 센싱 특성이 감소하게되어 출력단(Out)에서 이용할 수 있는 전압폭이 감소하게 된다. 즉 출력전압의 구동범위(dynamic range)가 적어진다.

이미지 센서의 해상력(resolution)을 향상시키기 위해 픽셀(pixel) 크기가 점점 소형화되어가고 있으나, 그에 따라 이미지 센서의 출력전압 구동범위가 감소 되고 있는 실정이다. 한편, 최근 노이즈를 제거하기 위해 액티브 픽셀(active pixel) 구조를 많이 사용하고 있는데, 이에 따른 최대 단점은 전체영역(액티브 영역 + 기타 지원 영역)에 대한 액티브 영역의 비율인 필팩터(fill factor) 조건을 만족시키지 못하는데 있다.

도 1에 보이는 바와 같이 종래 단위 픽셀 구조는 4개의 트랜지스터의 2개의 캐패시턴스를 구비하는데, 픽셀 내부의 트랜지스터 수가 증가되면서 포토다이오드의 면적이 상대적으로 감소되었다. 이에 따라 센서의 최대 출력전압 구동범위가 감소되면서 감도(sensitivity) 측면에서 열화되는 현상이 발생하였다. 즉, 종래 이미지 센서의 단위 픽셀 구조는 트랜지스터 수가 많기 때문에 포토다이오드가 차지하는 면적에 제한을 주게 된다. 따라서 메가급 픽셀을 구현하는 CMOS 이미지 센서는 다이 크기의 증가로 개발이 제한되는 현상이 발생되며, 픽셀 크기를 줄이게 되면 포토다이오드의 면적 감소에 의해 출력전압 구동범위가 동시에 감소되기 때문에 감도 특성 또한 열하된다.

이를 보완하기 위하여 도 2에 보이는 바와 같이 3개의 트랜지스터와 1개의 캐패시턴스를 구비하여 포토다이오드의 면적을 증가시키는 구조가 제시되었으나, 포토다이오드의 신호 변화를 출력으로 사용하기 때문에 노이즈를 억제시키는 측면에서 2개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스를 구비하는 구조보다 더 열악한 실정이다. 또한 센싱 직전의 포토다이오드의 초기 상태 즉, 피닝(pinning)을 1개의 트랜지스터로 이루기 때문에 픽셀 어레이(pixel array)간 정합비(match ratio) 또한 불량하게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 필팩터 및 출력전압 구동 범위를 증가시킬 수 있으며 노이즈를 감소시킬 수 있는 이미지센서 및 그 구동 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 수광영역; 상기 수광영역에 축전된 전하를 전달받는 플로팅 확산영역; 그 제1 접합이 공급전원단에 연결되고 그 제2 접합이 상기 수광영역에 연결되는 제1 리셋 트랜지스터; 그 제1 접합이 공급전원단에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되는 제2 리셋 트랜지스터; 및 그 제1 접합이 상기 수광영역에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되어 상기 수광영역에 축전된 전하를 상기 플로팅 확산영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광영역; 상기 수광영역에 축전된 전하를 전달받는 플로팅 확산영역; 그 제1 접합이 공급전원단에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되는 리셋 트랜지스터; 및 그 제1 접합이 상기 수광영역에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되어 상기 수광영역에 축전된 전하를 상기 플로팅 확산영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

상기 이미지 센서는 상기 플로팅 확산영역의 출력을 입력받는 게이트, 공급 전원단에 연결된 제1 접합 및 출력단에 연결되는 제2 접합으로 이루어지는 드라이버 트랜지스터를 더 포함한다.

상기 이미지 센서는 단위화소가 로우 및 컬럼으로 어레이를 이루며, 상기 드라이버 트랜지스터는 동일 컬럼에 공유되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드, 상기 포토다이오드에 축전된 전하를 전달받는 플로팅 확산영역, 그 제1 접합이 공급전원단에 연결되고 그 제2 접합이 상기 포토다이오드에 연결되는 제1 리셋 트랜지스터, 그 제1 접합이 공급전원단에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되는 제2 리셋 트랜지스터 및 그 제1 접합이 상기 포토다이오드에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되어 상기 포토다이오드에 축전된 전하를 상기 플로팅 확산영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터를 단위화소 내에 구비하며, 상기 플로팅 확산영역의 출력을 입력받는 게이트, 공급전원단에 연결된 제1 접합 및 출력단에 연결되는 제2 접합으로 이루어지는 드라이버 트랜지스터를 구비하는 소스 팔로워를 포함하는 이미지 센서의 구동 방법에 있어서, 상기 트랜스퍼 트랜지스터, 상기 제1 리셋 트랜지스터 및 상기 제2 리셋트랜지스터를 턴온시켜 상기 포토다이오드를 공핍 상태로 만드는 단계; 상기 트랜스퍼 트랜지스터, 상기 제1 리셋 트랜지스터 및 상기 제2 리셋 트랜지스터를 턴-오프 시키고 출력 전압을 측정하여 그 값을 컬럼당 할당된 레지스터에 레퍼런스 데이터로서 저장하는 단계; 상기 트랜지스터, 상기 제1 리셋 트랜지스터 및 상기 제2 리셋 트랜지스터를 턴-오프시키는 단계; 트랜스퍼 트랜지스터를 턴-온시켜 상기 포토다이오드에 축전된 전하를 상기 플로팅 확산영역으로 전하를 이동시키면서 변화되는 상기 플로팅 확산영역의 전위를 컬럼당 할당된 레지스터에 이미지 데이터로서 저장하는 단계; 및 상기 이미지 데이터와 상기 레퍼런스 데이터로부터 얻어진 실재 데이터를 디스플레이 하는 단계를 포함하는 이미지 센서 구동 방법을 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드, 상기 포토다이오드에 축전된 전하를 전달받는 플로팅 확산영역, 그 제1 접합이 공급전원단에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되는 리셋 트랜지스터 및 그 제1 접합이 상기 포토다이오드에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되어 상기 포토다이오드에 축전된 전하를 상기 플로팅 확산영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터를 단위화소 내에 구비하며, 상기 플로팅 확산영역의 출력을 입력받는 게이트, 공급전원단에 연결된 제1 접합 및 출력단에 연결되는 제2 접합으로 이루어지는 드라이버 트랜지스터를 구비하는 소스 팔로워를 포함하는 이미지 센서의 구동 방법에 있어서, 상기 트랜스퍼 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터를 턴온시켜 상기 포토다이오드를 공핍 상태로 만드는 단계; 상기 트랜스퍼 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터를 턴-오프 시키고 출력 전압을 측정하여 그 값을 컬럼당 할당된 레지스터에 레퍼런스 데이터로서 저장하는 단계; 상기 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터를 턴-오프시키는 단계; 트랜스퍼 트랜지스터를 턴-온시켜 상기 포토다이오드에 축전된 전하를 상기 플로팅 확산영역으로 전하를 이동시키면서 변화되는 상기 플로팅 확산영역의 전위를 컬럼당 할당된 레지스터에 이미지 데이터로서 저장하는 단계; 및 상기 이미지 데이터와 상기 레퍼런스 데이터로부터 얻어진 실재 데이터를 디스플레이 하는 단계를 포함하는 이미지 센서 구동 방법을 제공한다.

본 발명은 단위 픽셀의 트랜지스터 수를 종래의 4개보다 적게 구비함으로써 충분한 필팩터를 확보하는데 그 특징이 있다. 또한, 본 발명은 액티브 픽셀 구조를 채택하면서 소스 팔로워 회로(source follower cuit) 회로를 컬럼(column) 당 한개씩 대응하여 형성시킴으로써 노이즈 문제를 해결하는데 그 다른 특징이 있다.

본 발명의 일실시예서는 3개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스를 구비하는 CMOS 이미지 센서를 제공한다. 3개의 트랜지스터 중 1개의 트랜지스터는 포토다이오드에서 생성된 전하를 플로팅 확산영역(floating diffusion node)으로 트랜스퍼시키는 역할을 하며, 나머지 2개의 트랜지스터는 포토다이오드를 초기 상태로 만들기 위한 리셋 트랜지스터로서 역할을 한다. 그리고, 컬럼당 소스 팔로워 회로를 1개씩 형성하여 픽셀간 소스 팔로워 회로의 동적변화(variation)에 의해 생성될 수 있는 신호변화를 최소화시켜 노이즈 효과를 억제한다.

신호 출력에 대한 어드레스를 셀렉트 트랜지스터를 이용하는 종래 CMOS 이미지 센서와 달리 본 발명은 트랜스퍼 트랜지스터가 플로팅 확산영역으로 전하를 전달하는 역할 이외에 어드레싱(addressing) 기능을 하도록 한다. 이 때 어드레싱을 위해 디지털 블록에서 리셋 트랜지스트로도 설정이 가능하다. 또한 포토다이오드의 초기화 상태를 2개의 리셋 트랜지스터로 형성함으로써 보다 피닝 효과를 증가시킨다.

본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 및 그 구동 방법을 도 3을 참조하여 설명한다.

본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 단위화소(31)는 수광영역으로서 역할하는 포토다이오드(PD), 포토다이오드(PD)에 축전된 전하를 전달받는 플로팅 확산영역(FD), 그 제1 접합이 공급전원단(VDD)에 연결되고 그 제2 접합이 상기 포토다이오드(PD)에 연결되는 제1 리셋 트랜지스터(Rx Tr1), 그 제1 접합이 공급전원단(VDD)에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역(FD)에 연결되는 제2 리셋 트랜지스터(Rx Tr2) 및 그 제1 접합이 상기 포토다이오드(PD)에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역(FD)에 연결되어 상기 포토다이오드(PD)에 축전된 전하를 상기 플로팅 확산영역(FD)으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx Tr)를 포함하는 이미지 센서를 포함한다.

이러한 단위화소가 로우와 컬럼으로 배치되며 같은 컬럼의 화소에는 상기 플로팅 확산영역의 출력(Vout1)을 입력받는 게이트, 공급전원단(VDD)에 연결된 제1 접합 및 출력단(Vout2)에 연결되는 제2 접합으로 이루어지는 드라이버 트랜지스터(Dx Tr)가 연결되며, 상기 드라이버 트랜지스터(Dx Tr)는 동일 컬럼에 공유된다. 그리고, 상기 출력단(Vout2)에 연결된 제1 접합 및 접지되는 제2 접합을 포함하는 로드 트랜지스터(Load Tr)를 더 포함할 수도 있다.

이와 같은 구조를 포함하는 이미지 센서의 구동은, 먼저 포토다이오드(PD)의 초기 상태를 형성시키기 위해 트랜스퍼 트랜지스터(Tx Tr), 제1 리셋 트랜지스터(Rx Tr1) 및 제2 리셋 트랜지스터(Rx Tr2)를 턴-온(turn-on)시키고, 포토다이오드(PD)의 피닝 상태 즉 포토다이오드의 공핍(depletion) 상태를 만든다.

포토다이오드(PD)의 초기 상태 후 트랜스퍼 트랜지스터(Tx Tr), 제1 리셋 트랜지스터(Rx Tr1) 및 제2 리셋 트랜지스터(Rx Tr2)를 턴-오프(turn-off) 시키고 바로 출력 전압(Vout2)을 측정하여 컬럼당 할당된 레지스터에 레퍼런스 데이터(reference data)로서 저장한다.

이어서 트랜스퍼 트랜지스터(Tx Tr), 제1 리셋 트랜지스터(Rx Tr1) 및 제2 리셋 트랜지스터(Rx Tr2)를 턴-오프시킨 후 일정시간이 지나고 난 뒤 포토다이오드(PD)에 일정량의 전하가 모이게 되면 트랜스퍼 트랜지스터(Tx Tr)를 턴-온시켜 플로팅 확산영역(FD)으로 전하를 이동시킨다. 이때 플로팅 확산영역(FD)의 전위가 변하는 것을 이용하여 컬럼당 할당된 레지스터에 이미지 데이터를 저장한다.

이후, CDS(Correlated Double Sampling) 방식으로 이미지 데이터와 레퍼런스 데이터를 실재 신호로 처리하여 디스플레이한다.

이와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 동작은 종래 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스를 구비하는 이미지 센서나 또는 3개의 트랜지스터와 1개의 캐패시턴스를 구비하는 이미지 센서와 동일하다.

포토다이오드(PD)에서 빛에 의해 생성된 전하를 트랜스퍼 트랜지스터를(Tx Tr) 턴온시켜 플로팅 확산영역(FD)으로 전달시키며 이때 변화된 전위(Vout1)를 통해 컬럼당 1개씩 형성되어 있는 드라이버 트랜지스터(Dx Tr)의 게이트에 인가한다. 로드 트랜지스터(Load Tr)의 일정 전류량은 컬럼당 1개씩 형성되어 직접적으로 드라이버 트랜지스터(Dx Tr)에 전달되기 때문에 소스 팔로워 자체의 노이즈 요소를 최소화시킬 수 있다. 따라서, 일정 전류에 의해 출력(Vout2)이 형성되며 이 신호는 후속 CMOS 프로세싱에 의해 신호처리 된다.

단위 픽셀에서 필팩터를 확보하는 방법 중 게이트 수를 줄이는 것이 지배적이지만, 콘택수를 줄이는 것 또한 매우 중요하다. 즉, 종래에는 기본적으로 콘택수고 3개 또는 2개 이상이어야만 정상적인 동작을 이룰 수 있는 반면에 본 발명에서는 2개의 콘택 형성으로도 동작이 가능하므로 집적도 측면에서 매우 유리하며 실재 3개 트랜지스터를 구비하지만 2개 리셋 트랜지스터의 게이트는 공유되기 때문에 설계차원에서 보면 2개의 트랜지스터만 사용하는 것과 동일하다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 포토다이오드의 면적을 확보하기 위해 단위 픽셀에 2개의 트랜지스터를 구비하며 노이즈 억제를 위해 사용되는 소스 팔로워 회로를 컬럼당 1개씩 사용함으로써 최대한의 노이즈 효과를 감소시키는데 그 특징이 있다. 단위 픽셀에 사용되는 2개의 트랜지스터는 포토다이오드에서 플로팅 확산영역으로 전하를 이동하는 트랜스퍼 트랜지스터와 포토다이오드를 초기화시키는 리셋 트랜지스터로 구성된다. 상기 트랜스퍼 트랜지스터는 포토다이오드에서 빛에 의해 형성된 전하를 플로팅 확산영역으로 전달시키면서 동시에 어드레스를 설정하도록 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 구동 방법을 도 5를 참조하여 설명한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위화소는, 수광영역으로서 역할하는 포토다이오드(PD), 포토다이오드(PD)에 축전된 전하를 전달받는 플로팅 확산영역(FD), 그 제1 접합이 공급전원단(VDD)에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역(FD)에 연결되는 리셋 트랜지스터(Rx Tr) 및 그 제1 접합이 상기 포토다이오드(PD)에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역(FD)에 연결되어 상기 포토다이오드(PD)에 축전된 전하를 상기 플로팅 확산영역(FD)으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx TR)를 포함한다.

이와 같은 구조를 포함하는 이미지 센서의 구동은, 포토다이오드(PD)의 초기 상태를 형성시키기 위해 트랜스퍼 트랜지스터(Tx Tr)와 리셋 트랜지스터(Rx Tr)를 동시에 턴온시켜 포토다이오드(PD)에 있는 전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 모두 이동시킴으로써 포토다이오드(PD) 내부를 전하가 공핍되어 있는 상태로 유지시킨다. 이어서, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx TR)와 리셋 트랜지스터(Rx Tr)를 동시에 턴-오프시키고 이때 출력(Vout1)을 측정하여 레퍼런스 데이터로서 저장한다. 다음으로, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx TR)와 리셋 트랜지스터(Rx Tr)의 턴-오프 이후 일정 시간동안 빛에 의해 포토다이오드(PD)에 전하를 축전시킨다. 이후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx TR)를 턴-온하여 포토다이오드(PD)에 모여있는 전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 전달시켜 플로팅 확산영역(FD)의 전위를 변화시킨다. 변화된 플로팅 확산영역(FD)의 전위를 소스 팔로워 회로를 통해 이미지 데이터로서 저장한다. 그리고, CDS 방식으로 레퍼런스 데이터와 이미지 데이터의 차를 신호출력으로 픽셀의 고유 데이터를 추출하는 형태로하여, 후속 CMOS 프로세싱 회로를 통해 이미지를 구현한다.

도 6a 및 도 6b는 도 5와 같은 CMOS 이미지 센서를 구현하기 위한 평면도이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따라 종래 이미지 센서의 크기를 유지하면서 이미지 센서의 해상력을 향상시킬 수 있다. 즉, 전술한 본 발명에 따라 픽셀 내부에 어드레싱을 위한 트랜지스터를 별도로 만들 필요가 없어, 로직 컨트롤 블럭(logic control block) 크기를 감소시킬 수 있으며 그에 따라 센서의 로직 컨트롤 회로를 단순화시킬 수 있다. 또한 펙셀의 리셋 트랜지스터와 트랜스퍼 트랜지 스터의 타이밍만 설정하면 되므로 종래 보다 타이밍 설정에 있어 유리하고 실재 센싱타임을 보다 길게 확보할 수 있으므로 동일한 전체 타이밍에 대한 이미지 구현이 빨리 형성된다. 따라서 이미지 센서의 프레임 레이트(frame rate)를 증가시켜 동영상이 가능해진다. 같은 프레임 레이트에 대한 출력전압 구동범위가 증가되므로 감도차원에서 우수하다. 그리고, 칼럼당 1개씩 소스 팔로워를 형성하기 때문에 소스 팔로워 회로에서 픽셀 어레이간 변화를 최소화시킬 수 있어 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 또한, 픽셀 어레이를 고해상력 상태로 사용가능하기 때문에 다양한 형태의 어레이를 구현할 수 있다. 즉, 소스 팔로워 회로를 기존에 단위 픽셀당 1개씩 형성함으로써 소스 팔로워 회로의 이득변화(gain variation)를 최소화시켜 노이즈 억제를 향상시킬 수 있다. 특히 전술한 본 발명의 일실시예와 같이 리셋 트랜지스터를 2개 사용함으로써 포토다이오드의 초기화에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.

Claims

수광영역;

상기 수광영역에 축전된 전하를 전달받는 플로팅 확산영역;

그 제1 접합이 공급전원단에 연결되고 그 제2 접합이 상기 수광영역에 연결되는 제1 리셋 트랜지스터;

그 제1 접합이 공급전원단에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되는 제2 리셋 트랜지스터; 및

그 제1 접합이 상기 수광영역에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되어 상기 수광영역에 축전된 전하를 상기 플로팅 확산영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터

를 포함하는 이미지 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 리셋 트랜지스터의 게이트와 상기 제2 리셋 트랜지스터의 게이트는 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
수광영역;

상기 수광영역에 축전된 전하를 전달받는 플로팅 확산영역;

그 제1 접합이 공급전원단에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되는 리셋 트랜지스터; 및

그 제1 접합이 상기 수광영역에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되어 상기 수광영역에 축전된 전하를 상기 플로팅 확산영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터

를 포함하는 이미지 센서.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 플로팅 확산영역의 출력을 입력받는 게이트, 공급전원단에 연결된 제1 접합 및 출력단에 연결되는 제2 접합으로 이루어지는 드라이버 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제 4 항에 있어서,

상기 이미지 센서는 단위화소가 로우 및 컬럼으로 어레이를 이루며,

상기 드라이버 트랜지스터는 동일 컬럼에 공유되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제 5 항에 있어서,

상기 출력단에 연결된 제1 접합 및 접지되는 제2 접합을 포함하는 로드 트랜지스터를 더 포함하는 이미지 센서.
포토다이오드, 상기 포토다이오드에 축전된 전하를 전달받는 플로팅 확산영역, 그 제1 접합이 공급전원단에 연결되고 그 제2 접합이 상기 포토다이오드에 연결되는 제1 리셋 트랜지스터, 그 제1 접합이 공급전원단에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되는 제2 리셋 트랜지스터 및 그 제1 접합이 상기 포토다이오드에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되어 상기 포토다이오드에 축전된 전하를 상기 플로팅 확산영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터를 단위화소 내에 구비하며, 상기 플로팅 확산영역의 출력을 입력받는 게이트, 공급전원단에 연결된 제1 접합 및 출력단에 연결되는 제2 접합으로 이루어지는 드라이버 트랜지스터를 구비하는 소스 팔로워를 포함하는 이미지 센서의 구동 방법에 있어서,

상기 트랜스퍼 트랜지스터, 상기 제1 리셋 트랜지스터 및 상기 제2 리셋트랜지스터를 턴온시켜 상기 포토다이오드를 공핍 상태로 만드는 단계;

상기 트랜스퍼 트랜지스터, 상기 제1 리셋 트랜지스터 및 상기 제2 리셋 트랜지스터를 턴-오프 시키고 출력 전압을 측정하여 그 값을 컬럼당 할당된 레지스터 에 레퍼런스 데이터로서 저장하는 단계;

상기 트랜지스터, 상기 제1 리셋 트랜지스터 및 상기 제2 리셋 트랜지스터를 턴-오프시키는 단계;

트랜스퍼 트랜지스터를 턴-온시켜 상기 포토다이오드에 축전된 전하를 상기 플로팅 확산영역으로 전하를 이동시키면서 변화되는 상기 플로팅 확산영역의 전위를 컬럼당 할당된 레지스터에 이미지 데이터로서 저장하는 단계; 및

상기 이미지 데이터와 상기 레퍼런스 데이터로부터 얻어진 실재 데이터를 디스플레이 하는 단계

를 포함하는 이미지 센서 구동 방법.
포토다이오드, 상기 포토다이오드에 축전된 전하를 전달받는 플로팅 확산영역, 그 제1 접합이 공급전원단에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되는 리셋 트랜지스터 및 그 제1 접합이 상기 포토다이오드에 연결되고 그 제2 접합이 상기 플로팅 확산영역에 연결되어 상기 포토다이오드에 축전된 전하를 상기 플로팅 확산영역으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터를 단위화소 내에 구비하며, 상기 플로팅 확산영역의 출력을 입력받는 게이트, 공급전원단에 연결된 제1 접합 및 출력단에 연결되는 제2 접합으로 이루어지는 드라이버 트랜지스터를 구비하는 소스 팔로워를 포함하는 이미지 센서의 구동 방법에 있어서,

상기 트랜스퍼 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터를 턴온시켜 상기 포토다이오드를 공핍 상태로 만드는 단계;

상기 트랜스퍼 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터를 턴-오프 시키고 출력 전압을 측정하여 그 값을 컬럼당 할당된 레지스터에 레퍼런스 데이터로서 저장하는 단계;

상기 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터를 턴-오프시키는 단계;

트랜스퍼 트랜지스터를 턴-온시켜 상기 포토다이오드에 축전된 전하를 상기 플로팅 확산영역으로 전하를 이동시키면서 변화되는 상기 플로팅 확산영역의 전위를 컬럼당 할당된 레지스터에 이미지 데이터로서 저장하는 단계; 및

상기 이미지 데이터와 상기 레퍼런스 데이터로부터 얻어진 실재 데이터를 디스플레이 하는 단계

를 포함하는 이미지 센서 구동 방법.