KR100658368B1 - Image sensor having current mirror and driving method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
도1a 내지 도1b는 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀,1A to 1B illustrate a conventional three-transistor CMOS active pixel,
도2a 내지 도2b는 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀,2A to 2B illustrate a conventional 4-transistor CMOS active pixel;
도3a 내지 도3c는 종래의 씨모스 이미지 센서의 구동 과정,3A to 3C illustrate a driving process of a conventional CMOS image sensor;
도4a 내지 도4c는 본 발명에 따른 이미지 센서의 구동 과정,4a to 4c is a driving process of the image sensor according to the present invention,
도4d는 본 발명에 따른 이미지 센서의 커런트 미러의 구조,4d is a structure of a current mirror of the image sensor according to the present invention;
도5a 내지 도5c는 본 발명에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀.5A to 5C are unit pixels of the image sensor according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
40: 화소부 41: 컬럼 공통 접점40: pixel portion 41: column common contact
42a: 제1스위치 42b: 제2스위치42a:
43a: 제1커패시터 43b: 제2커패시터43a:
44a: 제1비교기 44a: 제1비교기44a:
45a: MUX 46: CDS45a: MUX 46: CDS
47: SHA 48: PGA47: SHA 48: PGA
49: ADC 50: 커런트 미러49: ADC 50: Current Mirror
51: ISP 52: 스위치51: ISP 52: switch
본 발명은 커런트 미러를 갖는 이미지 센서 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 단위픽셀들(화소부)에서 출력되는 전류 신호의 전압변환과정에서 화소부로의 역 로딩 현상을 방지하는 커런트 미러를 갖는 이미지 센서 및 그 구동 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor having a current mirror and a driving method thereof, and more particularly, to a current mirror having a current mirror that prevents reverse loading of a current signal output from unit pixels (pixel section) into a pixel section. An image sensor and a driving method thereof.
이미지 센서는 외부의 에너지(예를 들면, 빛 에너지)에 반응하는 반도체 장치의 성질을 이용하여, 이미지를 찍어(capture)내는 장치이다. 자연계에 존재하는 각 피사체에서 발생되는 빛은 파장 등에서 고유의 값을 가진다. 이미지 센서의 픽셀은 각 피사체에서 발생하는 빛을 감지하여, 전기적인 값으로 변환한다. 즉, 이미지 센서의 픽셀은 피사체에서 발생되는 빛 에너지 등에 대응하여, 빛의 파장에 대응하는 전기적인 값을 발생한다. 이 중 전하결합소자(CCD; Charge Coupled Device)는 개개의 MOS 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS 이미지 센서는 CMOS 집적회로 제조기술을 이용하여 픽셀 어레이를 구성하고 이를 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다. CMOS 이미지 센서는 저전력 소비라는 큰 장점을 가 지고 있기 때문에 휴대폰 등 개인 휴대용 시스템에 매우 유용하다.An image sensor is a device that captures an image by using a property of a semiconductor device that responds to external energy (for example, light energy). Light generated from each subject existing in the natural world has a unique value in wavelength and the like. The pixel of the image sensor detects light generated from each subject and converts it into an electric value. That is, the pixel of the image sensor generates an electrical value corresponding to the wavelength of light in response to the light energy generated from the subject. Among them, a charge coupled device (CCD) is a device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while individual MOS capacitors are located in close proximity to each other, and a CMOS image sensor is a pixel array using a CMOS integrated circuit manufacturing technology. Is a device that employs a switching scheme that constructs and sequentially detects the output. CMOS image sensors have the great advantage of low power consumption, making them very useful for personal portable systems such as mobile phones.
도1a는 종래의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면으로서, 주변 구성요소의 회로를 포함하는 포토 다이오드(photo-diode)의 단면을 나타내는 도면이고, 도1b는 도1a의 등가회로도이다. 기존의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는, 포토 다이오드의 한쪽 접합을 구성하는 N+형의 불순물층(11)과 N+형 부유 확산층(13)이 서로 접촉된다. 그러므로 포토 다이오드의 캐패시스턴스 성분은 실질적으로 N+형의 불순물층(11)과 N+형의 부유 확산층에 의하여 생성되는 커패시터 성분의 합으로 된다. 따라서 기존의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 적용하는 이미지 센서는 감도가 떨어지는 단점이 있다. 이와 같은 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀의 단점을 보완하기 위한 것이 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀이다.FIG. 1A is a diagram illustrating a conventional three-transistor CMOS active pixel, showing a cross section of a photo-diode including a circuit of peripheral components, and FIG. 1B is an equivalent circuit diagram of FIG. 1A. In the conventional three-transistor CMOS active pixel, the N +
도2a는 종래의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀을 나타내는 도면으로서, 주변 구성 요소의 회로를 포함하는 포토 다이오드의 단면을 나타내는 도면이고, 도2b는 상기 도2a의 등가회로도이다. 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에는 3-트랜지스터 TL모스 액티브 픽셀에서 발생하는 노이즈를 제거하기 위하여 전송제어신호(Tx)에 의하여 제어되는 전송 트랜지스터(25)가 사용된다. 포토 다이오드의 한족 접합을 구성하는 N+형 불순물층과 N+형 부유 확산층이 서로 격리된다. 따라서, 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는, 이미지 센서의 감도도 증가하고, 이미지 질도 향상될 수 있다. 그러나, 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀에서는, 전송 트랜지스터가 추가됨으로 인하여 수광 면적이 작아지는 단점이 있다.FIG. 2A is a diagram illustrating a conventional 4-transistor CMOS active pixel, showing a cross section of a photodiode including a circuit of peripheral components, and FIG. 2B is an equivalent circuit diagram of FIG. 2A. In the 4-transistor CMOS active pixel, a
결과적으로, 기존의 3-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀은 감도가 낮은 단점을 가지며, 기존의 4-트랜지스터 씨모스 액티브 픽셀은 수광면적이 작은 문제점을 가진다.As a result, the conventional three-transistor CMOS active pixel has a disadvantage of low sensitivity, and the conventional four-transistor CMOS active pixel has a problem in that a light receiving area is small.
도3a은 도1a 및 도2a에 나타낸 단위 픽셀들의 조합으로 이루어진 화소부(30)와 연결되는 회로도를 나타낸 것이다. 화소부(30)란 단위 픽셀들이 이루는 하나의 컬럼(column)을 의미한다. 화소부(30)는 컬럼의 수만큼 구비되는 것이고, 각 화소부에 구비되는 단위 픽셀의 수는 로우(row)의 수만큼 구비되는 것이다. 일반적으로 '640×480 VGA', '1025×768 SGA'라 함은 각각 '640개의 컬럼×480개의 로우', '1025개의 컬럼×768개의 로우'로 이루어지는 렌즈를 의미하는 것이다. 실제 공정에서는 각 컬럼 및 로우의 갯수가 이보다 다소 많이 구비된다. 도3b는 도1a 및 도2a에 나타낸 단위 픽셀들에 인가되는 신호를 나타낸 것이다.FIG. 3A shows a circuit diagram connected to the
도 3a 및 도 3b에 도시된 회로 및 신호상의 처리 과정을 보면 다음과 같다. 다수의 단위 픽셀로 이루어지는 로우(row)에 셀렉트 신호가 인가되면, 다수의 단위 픽셀에서 로우인에이블(R_en, row enable) 구간동안 캡쳐(capture)된 이미지 데이터 신호가 컬럼의 공통 접점(31, common)으로부터 CDS(36, Correlated Double Sampling)로 인가된다. 이미지 데이터 신호에는 밝은 빛의 데이터 신호인 고조도 신호로부터 어두운 빛의 데이터 신호인 저조도 신호에 이르기까지 주위 환경에 따른 다양한 레벨의 조도에 해당하는 데이터 신호가 포함된다.The processing on the circuit and signal shown in FIGS. 3A and 3B is as follows. When a select signal is applied to a row made up of a plurality of unit pixels, an image data signal captured during a row enable period (R_en, row enable) in the plurality of unit pixels is generated. ) Is applied to the CDS (36, Correlated Double Sampling). The image data signal includes data signals corresponding to various levels of illuminance according to the surrounding environment, from a high illuminance signal that is a bright light data signal to a low illuminance signal that is a dark light data signal.
그러나, 도3a에 도시된 회로 구조에서는 화소부(30)에서 출력되는 전류 신호의 전압변환과정에서 화소부로의 역 로딩 현상이 발생하게 된다. 즉, 광량이 지나치게 많거나 적을 경우에는 화소부(30)에서 출력되는 전류 신호가 역 로딩되거나 지나치게 어둡게 왜곡되는 문제점이 발생한다. 이러한 문제점은 화소부(30)에서 출력되는 전류 신호의 전압변환 방식에의 문제점으로 지적될 수 있다.However, in the circuit structure shown in FIG. 3A, a reverse loading phenomenon occurs to the pixel portion during voltage conversion of the current signal output from the
따라서, 본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 화소부에서 출력되는 전류 신호의 전압변환과정에서, 화소부에서 출력되는 공통 접점에 커런트 미러를 다수로 구비함으로써, 광량이 지나치게 많을 때와 광량이 지나치게 적을 때전류 신호로 인한 후단부 신호처리 범위를 적절하게 맞춰주기 위하여 커런트 미러의 MOS 크기에 따라 전류량을 변화시키는 이미지 센서 및 그 구동 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.Accordingly, the present invention is to solve the problems of the prior art, and in the voltage conversion process of the current signal output from the pixel portion, by providing a plurality of current mirrors at the common contact output from the pixel portion, SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an image sensor and a driving method thereof which change the amount of current according to the MOS size of the current mirror in order to suitably match the rear end signal processing range due to the current signal when the amount of light is too small.
본 발명의 목적은 화소부로부터 인가되는 이미지 데이터 신호에 대하여 크기가 다른 복수의 출력 전류 신호를 제공하기 위하여 병렬연결된 복수의 크기가 다른 MOS, 상기 복수의 출력 전류 신호 중 상기 화소부에 인가되는 이미지의 조도에 적합한 출력전류신호를 출력하기 위하여 상기 복수의 크기가 다른 MOS 중 어느 하나를 선택하기 위한 선택수단과 연결되며, 상기 선택수단에 의해 선택된 MOS로부터 출력되는 출력 전류 신호를 CDS로 인가시키는 커런트 미러를 포함하여 이루어지는 이미지 센서에 의해 달성된다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a plurality of different sized MOSs connected in parallel to an image data signal applied from a pixel portion and an image applied to the pixel portion among the plurality of output current signals. Connected to a selection means for selecting any one of the plurality of MOSs having different sizes to output an output current signal suitable for illuminance of the light source, and a current for applying an output current signal output from the MOS selected by the selection means to the CDS. Achieved by an image sensor comprising a mirror.
또한, 본 발명의 목적은 로우인에이블 신호가 인가되고 화소부에서 이미지 데이터 신호가 생성되는 단계; 상기 생성된 이미지 데이터 신호의 출력 전류 신호를 이미지 처리를 위한 최적의 상태로 전압변환할 수 있도록 상기 화소부에 병렬연결된 복수의 MOS 중 어느 하나의 MOS를 선택하는 단계; 상기 선택된 MOS에서 변환된 전압 신호를 출력하여 이미지 처리하는 단계를 포함하여 이루어지는 이미지 센서의 구동 방법에 의해 달성된다.In addition, an object of the present invention is to apply a low enable signal and to generate an image data signal in the pixel portion; Selecting one of the plurality of MOSs connected in parallel to the pixel unit so as to convert the output current signal of the generated image data signal into an optimal state for image processing; And outputting the converted voltage signal in the selected MOS to perform image processing.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
도4a는 본 발명에 따른 이미지 센서의 화소부(40)와 연결되는 회로도를 나타낸 것이며, 도4b는 본 발명에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀들에 인가되는 신호를 나타낸 것이고, 도4c는 본 발명에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀들에 인가되는 신호에 따른 동작 현상을 나타낸 것이다.Figure 4a shows a circuit diagram connected to the
도 4a 내지 도 4c에 도시된 처리 과정을 보면 다음과 같다. 다수의 단위 픽셀로 이루어지는 로우(row)에 셀렉트 신호가 인가되면, 다수의 단위 픽셀에서 로우 인에이블(R_en, row enable) 구간동안 캡쳐(capture)된 이미지 데이터 신호가 컬럼의 공통 접점(41, common)으로부터 CDS(46, Correlated Double Sampling)로 인가된다. 이미지 데이터 신호에는 밝은 빛의 데이터 신호인 고조도 신호로부터 어두운 빛의 데이터 신호인 저조도 신호에 이르기까지 주위 환경에 따른 다양한 레벨의 조도에 해당하는 데이터 신호가 포함된다.The processing shown in FIGS. 4A to 4C is as follows. When a select signal is applied to a row made up of a plurality of unit pixels, an image data signal captured during a row enable period (R_en, row enable) in the plurality of unit pixels is captured by the
다양한 레벨의 조도에 따른 데이터 신호는 각 레벨에 따라 CDS(46)를 포함한 회로에 인가된 이미지 데이터 전압을 강하시킨다. 즉, 저조도 데이터 신호는 이미지 데이터 전압을 상대적으로 적게 강하시키는 반면, 고조도 데이터 신호는 이미지 데이터 전압을 상대적으로 많이 강하시킨다. 도 4c는 각 조도 레벨에 따른 데이터 신호의 전압 강하 현상을 나타낸 것이다. 도 4c에서는 설명의 편의상 세가지 레벨을 도시하였지만 실제는 이보다 훨씬 다양한 레벨의 데이터 신호가 존재할 수 있다.The data signal according to the various levels of illumination lowers the image data voltage applied to the circuit including the
도4c의 'A' 구간 및 'C' 구간에서는 신호의 변동이 없는 안정화(stable) 구간이며 'B' 구간은 신호의 전압 강하가 발생하는 구간이다. 도4b의 신호 중 로우인에이블(R_en) 신호가 로우(row)의 각 단위 픽셀에 인가되어 이미지 데이터 신호가 컬럼의 공통 접점(41)에 인가되면, CDS(46)의 제1스위치(42a)가 리셋샘플링 구동신호에 의해 'B' 구간 동안 리셋샘플링(SR, reset sampling)을 진행하여 제1커패시터(43a)에 그 값이 저장되고 제1비교기(44a)를 통해 MUX(45)로 신호가 인가된다. 리셋샘플링(SR)이 진행된 후, 로우인에이블이 종료되기 전, CDS(46)의 제2스위치(42b)가 데이터샘플링 구동신호에 의해 'C' 구간 동안 데이터샘플링(SD, data sampling)을 진행하여 제2커패시터(43b)에 그 값이 저장되고 제2비교기(44b)를 통해 MUX(45)로 신호가 인가된다.In the 'A' section and the 'C' section of FIG. 4C, a stable section with no change in the signal and a 'B' section are sections in which the voltage drop of the signal occurs. When the low enable signal R_en of the signal of FIG. 4B is applied to each unit pixel of the row, and the image data signal is applied to the
이러한 일련의 신호(R_en, SR, SD)가 한 주기동안 진행되면 단위 픽셀에 저장된 이미지 데이터를 획득하게 되고, 차등증폭기(47, SHA, Sample and Hold Amplifier), PGA(48, Programmable Gain Amplifier) 및 ADC(49, Analog-Digital Converter) 등을 통해 이미지 데이터를 출력하게 된다.When the series of signals R_en, SR, and SD progress for one period, image data stored in a unit pixel is acquired, and a differential amplifier (47, SHA, Sample and Hold Amplifier), PGA (48, Programmable Gain Amplifier) and Image data is output through an ADC (49, Analog-Digital Converter).
도4d는 본 발명에 따른 이미지 센서의 커런트 미러(50)를 보다 상세히 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 커런트 미러(50)는 MOS의 채널길이(L)를 고정하고 MOS의 폭(W)의 비율로 전류량을 증폭 혹은 감소시킬 수 있다. 즉, 다수의 단위 픽셀에서 로우인에이블(R_en, row enable) 구간동안 캡쳐(capture)된 이미지 데이터 신호가 컬럼의 공통 접점(41, common)으로부터 CDS(46)로 인가되기 전에, ISP(51, Image Signal Processor)의 제어를 통해 W의 크기가 2개이상인 다수의 커런트 미러(50) 중 어느 하나의 커런트 미러를 선택하게 되는 구조이다.4d shows a
도4d에서 볼 수 있듯이, 기준(Ref.) 출력 전류가 4㎂ 이라면, 예를 들어, 3.5㎂ → 4㎂ → 4.5㎂ 혹은, 극단적으로, 1.5㎂ → 4㎂ → 8㎂ 등의 방식으로 W의 크기를 달리하여 출력 전류에 대한 최적의 MOS를 선택하기 위한 다수의 커런트 미러(50)를 구비하는 것이다. 본 발명에 따른 이미지 센서는, 커런트 미러(50)의 MOS의 갯수는 최적 이미지을 위해서라면 그 갯수의 제한을 두지 않으며, 단지 L을 고정하고 W의 비율을 조절한 다수의 MOS 구조를 갖는 커런트 미러(50)를 구비하는 것이다. 도4d에서 볼 수 있듯이, 각 MOS에는 구동을 제어하는 스위치(52a 내지 52c) 가 각각 구비되고 ISP 등의 제어수단을 통하여 스위치(52a 내지 52c)의 on/off가 결정된다. 즉, 광량이 많을수록 W의 두께가 두꺼운 MOS를 선택하게 되고, 광량이 적을수록 W의 두께가 얇은 MOS를 선택하는 것이다.As shown in FIG. 4D, if the reference output current is 4 mA, for example, 3.5 mA → 4 mA → 4.5 mA or, extremely, 1.5 mA → 4 mA → 8 mA, etc. It is provided with a plurality of
또한, 본 발명의 다른 실시예로서, 도4d에 도시된 MOS의 구조를 모두 동일하게 하여 광량이 많을수록 많은 갯수의 MOS를 선택하고, 광량이 적을수록 적은 갯수의 MOS를 선택하는 방식으로 실시할 수도 있다.In addition, as another embodiment of the present invention, the MOS structures shown in FIG. 4D are all the same, so that the larger the amount of light, the larger number of MOSs are selected, and the smaller the amount of light, the smaller the number of MOSs may be selected. have.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 도4d에 도시된 MOS의 구조를 L을 고정하고 W의 비율을 조절한 다수의 MOS 구조를 취하되, 광량이 많을수록 많은 갯수의 MOS를 선택하고, 광량이 적을수록 적은 갯수의 MOS를 선택하는 방식으로 실시할 수도 있다. 즉, 이러한 방식은 광량에 따라 하나만의 MOS를 선택하는 방식과, 광량에 따라 동일한 MOS들에서 복수의 MOS를 선택하는 방식보다 정확한 출력이 가능하다. 예를 들어, 3.5㎂, 4㎂, 4.5㎂ 등의 0.5㎂ 차이를 갖는 복수의 MOS를 다수개 구비한 상태에서, 0.1㎂, 0.2㎂, 0.3㎂ 등의 보다 다양하고 작은 차이를 갖는 복수의 MOS를 다수개 구비하여 제어하는 방식이다.In addition, as another embodiment of the present invention, the MOS structure shown in Fig. 4d is fixed to L and a plurality of MOS structures in which the ratio of W is adjusted, but the larger the amount of light, the greater the number of MOS is selected, the amount of light The smaller the number, the smaller the number of MOS can be selected. That is, this method is more accurate than the method of selecting only one MOS according to the amount of light, and the method of selecting a plurality of MOS in the same MOS according to the amount of light. For example, in the state where a plurality of MOSs having a 0.5 kHz difference such as 3.5 kHz, 4 kHz, 4.5 GHz and the like are provided, a plurality of MOSs having more various and smaller differences such as 0.1 kHz, 0.2 kHz, 0.3 GHz It is provided with a plurality of ways to control.
본 발명에 따른 단위 픽셀 구조에서는 광량에 따라 ㎀에서 수백 ㎂에 이르기까지 다양한 크기의 출력 전류가 흐를 수 있기 때문에, 저조도(예를 들어, 실내) 혹은 고조도(예를 들어, 여름의 해변) 상황에 따라 광전류량의 변화가 매우 크다. 광전류량 변화를 제어하는 종래기술에 따르면, ISP에서 프레임 인테그레이션 타임(frame integration time)에 의해 조절하지만, 결국 조절한계가 발생하고 최대 60㏈ 정도를 갖게 된다. 그러나 본 발명에 따른 이미지 센서의 커런트 미러 구조에서 는 조도 상황에 맞는 전류를 증폭 혹은 감소시키고, 아날로그적으로 다이나믹 레인지(DR, Dynamic Range)를 설정할 수 있는 것이다. 결국 초저조도에서 초고조도까지 그 범위를 넓힐 수 있는 방식인 것이다.In the unit pixel structure according to the present invention, since the output current of various magnitudes from ㎀ to several hundred ㎂ may flow depending on the amount of light, low light (eg indoor) or high light (eg summer beach) situations Therefore, the change of the amount of photocurrent is very large. According to the prior art for controlling the change in the amount of photocurrent, the ISP adjusts by the frame integration time (frame integration time), but in the end the adjustment limit occurs and has a maximum of about 60 kHz. However, in the current mirror structure of the image sensor according to the present invention, it is possible to amplify or reduce the current according to the illuminance situation, and to set the dynamic range (DR) in an analog manner. After all, it is a way to extend the range from ultra-low light to ultra-high light.
병렬로 연결한 게이트 공통 접점(gate common)형 커런트 미러(50) 구조에서는 출력 전압의 범위를 8bit/10bit/12bit ADC의 해상도(resolution)을 감안하여 전압범위가 유지되도록 한다. 즉 이미지의 명암을 구분지을 수 있는 것이다.In the gate common
광량에 따라 범위를 달리하여 미러링(mirroring)되는 MOS는 모두 동시에 전압으로 변환되나 전압범위를 벗어나는 경우 순차적으로 off되고 최적의 W크기를 갖는 미러링 MOS만 동작하여 자동으로 DR을 결정하게 된다. 그러나 로우(row)마다 개별적으로 이러한 방식을 사용하게 되면 명암의 차이가 큰 피사체에 따라 가로줄의 밝기가 달라질 수 있기 때문에 왜곡된 이미지를 얻게 되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 모든 픽셀에 사용되는 미러링 MOS의 크기는 하나로 통일해야 한다. 이러한 기능은 아날로그 회로에서의 피드백(feedback)회로를 통해서 가능하며 또한 디지털적으로도 아날로그 회로상의 피드백을 거치지 않고 ISP에서 적의판단(제어)하여 선택하여 미러링 MOS를 선택하는 기능으로 수행할 수 있다. 결국, 전체적인 이미지 밝기를 가지고 평균범위(기준) 내에서 피드백을 주는 제어방식을 취하는 것이다.The MOSs mirrored by varying the range depending on the amount of light are all converted to voltage at the same time, but when out of the voltage range, only the mirroring MOS having the optimal W size is sequentially turned off and DR is automatically determined. However, if this method is used individually for each row, the brightness of the horizontal line may vary according to a subject having a large contrast difference, which may cause a problem of obtaining a distorted image. Therefore, the size of the mirroring MOS used for all pixels must be unified. This function can be performed through a feedback circuit in the analog circuit, and can also be performed by selecting a mirroring MOS by judging (controlling) the host appropriately without going through the analog circuit. The result is a control scheme that gives feedback within the average range (reference) with overall image brightness.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 이미지 센서의 화소부(40)에 다수 형성되는 단위 픽셀 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀 구조로서, 단위 픽셀을 제작함에 있어서 통상의 반도 체의 MOS 공정만으로 상기 단위 픽셀을 형성한 것이다. 상기 단위 픽셀의 구조는 수광부분은 광 입사에 의한 광전변환 방식을 사용하는 PMOS로 이루어지고 상기 PMOS에 연결되어 스위치 역할을 수행하는 NMOS를 포함하여 이루어진 1PMOS와 1NMOS의 2-트랜지스터 구조이다.5A to 5C are diagrams for describing a unit pixel structure formed in the
따라서, 본 발명은 종래의 하나의 포토 다이오드와 3-트랜지스터 또는 하나의 포토 다이오드와 4-트랜지스터 구조의 단위픽셀을 2-트랜지스터 구조로 구현함으로써 단위픽셀의 피치 사이즈가 작아지며, 또한 종래의 리셋과 같은 제어(control) 신호가 없으므로 픽셀의 레이아웃(Layout)에서 메탈 라인이 줄어들기 때문에 단위 픽셀의 구조를 단순화할 수 있다.Therefore, the present invention implements the unit pixel of the conventional one photodiode and three-transistor or one photodiode and four-transistor structure in a two-transistor structure, so that the pitch size of the unit pixel is reduced, and the conventional reset and Since there is no control signal, the metal line is reduced in the layout of the pixel, thereby simplifying the structure of the unit pixel.
본원발명의 제1실시예에 따른 단위 픽셀 형성방법은 다음과 같다. P형 반도체 기판(200)상에 PMOS와 NMOS를 구현하기 위하여 PMOS 영역에 N-웰(well)(220)을 형성한다. 상기 N-웰의 형성공정은, P형 반도체 기판상에 패턴을 형성하여 N-well이 형성될 영역만을 오픈한 상태에서 N형 불순물을 이온주입 공정을 수행하며, 이후, 열처리하여 N-well을 형성한다. N-well이 형성된 기판의 전면에 게이트 산화막(260)과 폴리 실리콘을 순차적으로 증착하고 패터닝한 후 식각하여 PMOS에 플로팅 게이트(240)를, NMOS에 셀렉트 게이트(250)를 각각 형성한다.The unit pixel forming method according to the first embodiment of the present invention is as follows. In order to implement PMOS and NMOS on the P-
이후, PMOS영역의 소스/드레인 형성 영역만이 오픈된 마스크를 형성하고, 고농도의 P형 이온주입공정을 수행하여 PMOS 영역에 소스/드레인(230)을 형성하고, 순차적으로 NMOS 영역의 소스/드레인 형성 영역만 오픈된 마스크를 형성하고, 고농도의 N형 이온주입 공정을 수행하여 NMOS 영역에 소스/드레인(270)을 형성한다. 부 가적으로 PMOS 및 NMOS의 소스/드레인이 형성된 영역에 저항을 감소시키기 위하여 살리사이드 공정을 부가적으로 수행할 수도 있다. 그러나, 본 발명의 PMOS는 빛을 받아들이는 광소자로써 빛이 PMOS의 상부에 형성된 플로팅 게이트를 투과하여야 하므로 상기 플로팅 게이트에는 살리사이드공정을 수행하지 않는 것이 필수적이다.Subsequently, a mask in which only the source / drain formation region of the PMOS region is opened is formed, a high concentration P-type implantation process is performed to form the source /
본 발명의 제1실시예의 단위 픽셀에 따른 처리원리를 설명하면 다음과 같다. 상기 NMOS와 동일한 기판상에 형성된 PMOS의 소스에 전압을 인가하면, PMOS의 N-well은 전기적으로 중성상태인 공핍 영역(depletion region)이 형성되게 된다. 이후, 수광부인 PMOS로 빛을 받아 광자(photon)가 공핍 영역인 N-well에 입사되면 EHP(electron hole pair)가 생성되며 이로 인하여 PMOS 소자의 게이트 저면에 P채널이 형성된다. PMOS와 연결된 NMOS에 형성된 셀렉트 게이트에 전압이 인가되고 NMOS에 형성된 소스와 드레인 사이에 N채널이 형성되어 PMOS에 형성된 신호 전하를 받아 출력신호를 내보내게 된다.The processing principle according to the unit pixel of the first embodiment of the present invention is described as follows. When a voltage is applied to the source of the PMOS formed on the same substrate as the NMOS, the N-well of the PMOS forms a depletion region in an electrically neutral state. Subsequently, when a photon is incident on an N-well, which is a depletion region, by receiving light through a PMOS, which is a light receiving unit, an electron hole pair (EHP) is generated, thereby forming a P channel on a gate bottom of the PMOS device. A voltage is applied to the select gate formed in the NMOS connected to the PMOS, and an N channel is formed between the source and the drain formed in the NMOS to receive the signal charge formed in the PMOS and emit an output signal.
이를 도 5b의 그래프를 통해 설명하면, 종래의 포토 다이오드는 광의 세기가 임계지점 이상이 되어야 전류가 흐르게 되어 선형적으로 광의 세기가 증가할수록 전류가 증가하는 경향을 보이게 되나, 본 발명의 PMOS로 구현된 이미지 센서 픽셀은 빛을 받는 즉시 전류가 흐르게 되는 구조로 이루어져 암전류가 없으며, 도 5b의 A영역에 나타난 바와 같이 소량의 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기는 매우 급격한 양상을 알 수 있으며, 도 5b가 B 영역에서는 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기가 비교적 완만한 양상을 나타난다.Referring to the graph of FIG. 5B, the conventional photodiode exhibits a tendency that the current increases as the light intensity increases linearly when the light intensity is greater than or equal to a critical point, but is implemented by the PMOS of the present invention. The image sensor pixel has a structure in which a current flows immediately upon receiving light, and there is no dark current, and as shown in area A of FIG. 5B, the slope of the current change with respect to a small amount of light is very sharp. In the region of 5b, the slope of the current change with respect to the light change is relatively gentle.
따라서, 본 발명의 제1실시예는 종래의 리셋과 같이 제어신호가 없으므로 픽 셀의 레이아웃(layout)에서 메탈 라인이 줄어들기 때문에 기존의 단위 화소에 비하여 피치 사이즈가 줄어들 수 있으며, 또한 종래의 CMOS 이미지 센서의 경우 하나의 광자가 하나의 전자-정공쌍을 생성시키는 반면, 본 발명의 PMOS 수광소자는 하나의 광자가 증폭된 광전류를 생성시키므로 광전류의 전류 이득이 100~1000에 달하여 소량의 빛이 입사되는 저 조도에서도 이미지의 구현이 가능하며, 종래의 센서보다 전하 축적 시간을 100~1000배 줄일 수 있어 전하 축적 시간이 1프레임 또는 1라인이 아닌 수십 클락(clock) 지연만으로 충분하므로 인테그레이션 시간(integration time)이 불필요하여 고속의 동영상 구현을 가능하게 한다.Therefore, in the first embodiment of the present invention, since there is no control signal as in the conventional reset, since the metal lines are reduced in the layout of the pixels, the pitch size can be reduced compared to the conventional unit pixels, and the conventional CMOS In the case of an image sensor, one photon generates one electron-hole pair, whereas the PMOS light-receiving device of the present invention generates a photocurrent in which one photon is amplified, so that the current gain of the photocurrent reaches 100 to 1000, so that a small amount of light The image can be realized even at the low light incident, and the charge accumulation time can be reduced by 100 ~ 1000 times compared to the conventional sensor, and the charge accumulation time is only enough for tens of clock delays instead of one frame or one line. No integration time is required, enabling high speed video.
부가적으로, 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 단위 화소 일반적인 MOS공정으로 단위 화소를 구현하므로 기존의 CMOS이미지 센서의 전용공정이 불필요하다. 본 발명은 인테그레이션 타임이 거의 없이 PMOS에서 빛을 받아 NMOS를 통하여 출력하므로 스위치용 MOS의 누설전류에 의한 암전류를 제외하고 긴 인테그레이션으로 인한 센서의 암전류를 극소화할 수 있다. 따라서, 종래의 씨모스 이미지 센서의 형성공정 시 암전류를 방지하기 위하여 수광부의 표면에 에피층을 형성하는 공정이 불필요하며, 본원의 PMOS 수광소자는 하나의 광자가 증폭된 광전류를 생성하므로 빛을 단위 화소의 수광부에 모으기 위하여 단위화소의 상부에 마이크로 렌즈 형성공정이 불필요하다. 이러한 공정들을 모두 생략할 수 있으므로 단가가 저렴한 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.In addition, since the unit pixel of the CMOS image sensor of the present invention implements the unit pixel in a general MOS process, a dedicated process of the conventional CMOS image sensor is unnecessary. Since the present invention receives light from the PMOS and outputs it through the NMOS with little integration time, it is possible to minimize the dark current of the sensor due to the long integration except the dark current caused by the leakage current of the switch MOS. Therefore, in the conventional CMOS image sensor forming process, an epitaxial layer is formed on the surface of the light receiving unit in order to prevent dark current, and the PMOS light receiving device of the present application generates light current in which one photon is amplified. In order to collect in the light-receiving portion of the pixel, a microlens forming process is not necessary on the unit pixel. Since all of these processes can be omitted, the cost is low.
본 발명의 실시예2는 PMOS의 게이트와 PMOS의 N-well이 연결된 형태이다.In Embodiment 2 of the present invention, the gate of the PMOS is connected to the N-well of the PMOS.
도 5c는 본 발명의 제2실시예에 따른 CMOS이미지 센서의 구성도로서, 단위 픽셀을 제작함에 있어서 일반 반도체의 MOS공정만으로 상기 단위 픽셀을 형성한다. 상기 단위 픽셀의 구조에서 수광부분은 광 입사에 의한 광전변환 방식을 사용하는 PMOS와 상기 PMOS에 연결되어 스위치 역할을 수행하는 NMOS를 포함하여 이루어진1PMOS와 1NMOS의 2T구조이며, 상기 PMOS의 게이트와 N-well이 연결된 형태의 단위 픽셀을 형성한다.FIG. 5C is a configuration diagram of a CMOS image sensor according to a second exemplary embodiment of the present invention. In manufacturing a unit pixel, the unit pixel is formed only by a MOS process of a general semiconductor. In the structure of the unit pixel, the light-receiving portion is a 2T structure of 1PMOS and 1NMOS including a PMOS using a photoelectric conversion method by light incidence and an NMOS connected to the PMOS and serving as a switch. The -wells form unit pixels of the type connected.
따라서, 본원발명은 종래의 1PD+3T 또는 1PD+4T구조의 단위픽셀을 2T구조로 구현함으로써 단위픽셀의 피치 사이즈가 작아지며, 또한 종래의 리셋과 같은 제어(control) 신호가 없으므로 픽셀의 레이아웃(Layout)에서 메탈 라인이 줄어들기 때문에 단위 픽셀의 구조를 단순화할 수 있다.Therefore, the present invention reduces the pitch size of the unit pixel by implementing the unit pixel of the conventional 1PD + 3T or 1PD + 4T structure in a 2T structure, and also because there is no control signal such as the conventional reset (pixel layout) Layout reduces the metal lines, simplifying the structure of the unit pixel.
도 5c는 본 발명에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀 구조의 제2실시예로서, 단위 픽셀 형성방법은 다음과 같다. P형 반도체 기판(200)상에 PMOS와 NMOS를 구현하기 위하여 PMOS 영역에 N-웰(well)(220)을 형성한다. 상기 N-웰의 형성공정은, P형 반도체 기판상에 패턴을 형성하여 N-well이 형성될 영역만을 오픈한 상태에서 N형 불순물을 이온주입 공정을 수행하며, 이후, 열처리하여 N-well을 형성한다. N-well이 형성된 기판의 전면에 게이트 산화막(260)과 폴리 실리콘을 순차적으로 증착하고 패터닝한 후 식각하여 PMOS에 플로팅 게이트(240)를, NMOS에 셀렉트 게이트(250)를 각각 형성한다.5C is a second embodiment of the unit pixel structure of the image sensor according to the present invention. In order to implement PMOS and NMOS on the P-
이후, PMOS영역의 소스/드레인 형성 영역만이 오픈된 마스크를 형성하고, 고농도의 P형 이온주입공정을 수행하여 PMOS 영역에 소스/드레인(230)을 형성하고, 순차적으로 NMOS 영역의 소스/드레인 형성 영역만 오픈된 마스크를 형성하고, 고농 도의 N형 이온주입 공정을 수행하여 NMOS 영역에 소스/드레인(270)을 형성한다.Subsequently, a mask in which only the source / drain formation region of the PMOS region is opened is formed, a high concentration P-type implantation process is performed to form the source /
상기 PMOS에 형성된 게이트(240)와 N-well(220)을 연결하기 위하여 N웰의 표면에 컨택부(210)를 형성한다. N-well의 컨택부(210)는 N-well의 형성 농도보다 높은 농도로 N형 이온을 주입하고, 고농도의 N형 이온이 주입된 영역에 금속패턴(280)을 형성하여 PMOS와 N-well을 전기적으로 연결한다. A
이때, 제2실시예 또한, PMOS는 빛을 받아들이는 광소자로써 빛은 PMOS의 상부에 형성된 게이트를 통과하여야 하므로 PMOS상부의 게이트는 살리사이드 공정을 하지 않는다.In this case, the PMOS is an optical device that receives light, and since the light must pass through the gate formed on the upper side of the PMOS, the gate on the upper side of the PMOS is not subjected to the salicide process.
본 발명의 제2실시예의 단위 화소에 따른 처리원리를 설명하면 다음과 같다. 상기 NMOS와 동일한 기판상에 형성된 PMOS의 소스에 전압을 인가하면, PMOS의 N-well은 전기적으로 중성상태인 공핍 영역(depletion region)이 형성되게 된다. 이때 PMOS의 수광부로 빛을 받아 광자가 공핍영역인 N-well에 입사하게 되어 EHP(electron hole pair)가 생성되며, 이때, 게이트에 전압을 인가하면 상기 게이트와 연결된 N-well에 남아있는 전자는 기판 바이어스(bias)역할을 하게 되어 채널이 형성되기 위하여 최소로 필요한 전압(threshold voltage)을 낮추는 역할을 하게 되어 P채널이 용이하게 형성된다. 그리고, 순차적으로 PMOS와 연결된 NMOS에 형성된 셀렉트 게이트에 전압이 인가되고 NMOS에 형성된 소스와 드레인 사이에 N채널이 형성되어 PMOS에 형성된 신호 전하를 받아 출력신호를 내보내게 된다.The processing principle according to the unit pixel of the second embodiment of the present invention is described as follows. When a voltage is applied to the source of the PMOS formed on the same substrate as the NMOS, the N-well of the PMOS forms a depletion region in an electrically neutral state. At this time, when the light is received by the light-receiving part of the PMOS, photons are incident on the N-well, which is a depletion region, to generate an electron hole pair (EHP). When a voltage is applied to the gate, electrons remaining in the N-well connected to the gate are It acts as a substrate bias, thereby lowering the minimum voltage required to form the channel, thereby easily forming the P channel. Subsequently, a voltage is sequentially applied to the select gate formed in the NMOS connected to the PMOS, and an N channel is formed between the source and the drain formed in the NMOS to receive the signal charge formed in the PMOS and emit an output signal.
이를 도 5b의 그래프를 통해 설명하면, 종래의 포토 다이오드는 광의 세기가 임계지점 이상이 되어야 전류가 흐르게 되어 선형적으로 광의 세기가 증가할수록 전류가 증가하는 경향을 보이게 되나, 본원발명 제2실시예의 단위 픽셀은 게이트에 전압을 인가하면 상기 게이트와 연결된 N-well에 남아있는 전자는 서브 바이어스(bias)역할을 하게 되어 채널이 형성되기 위하여 최소로 필요한 전압(threshold voltage)을 낮추는 역할을 하게 도5b의 A영역에 나타난 바와 같이 소량의 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기가 본 발명의 제1실시예에 나타난 변화보다 급격한 양상을 나타내는 것을 알 수 있으며, B영역에서는 빛의 변화에 대한 전류 변화의 기울기가 제1실시예에 나타난 변화보다 완만한 양상을 나타낸다.Referring to the graph of FIG. 5B, in the conventional photodiode, the current flows only when the intensity of light exceeds a critical point, so that the current tends to increase as the intensity of light increases linearly, but according to the second embodiment of the present invention. When the unit pixel applies a voltage to the gate, the electrons remaining in the N-well connected to the gate act as a sub-bias, thereby lowering the minimum voltage required to form a channel. It can be seen that the slope of the current change with respect to the small amount of light change is more rapid than the change shown in the first embodiment of the present invention. The slope is gentler than the change shown in the first embodiment.
따라서, 본 발명의 제2실시예 또한 종래의 리셋과 같이 제어신호가 없으므로 픽셀의 레이아웃(layout)에서 메탈라인이 줄어들기 때문에 기존의 단위화소에 비하여 피치 사이즈가 줄어들 수 있고, PMOS의 수광부에 소량의 빛이 입사되어도 많은 량의 전류가 흐를 수 있게 되어 저조도에서 명확한 상을 구현이 가능하며, 인테그레이션 시간이 거의 필요없어 고속의 동영상 구현을 가능하게 한다.Therefore, since the second embodiment of the present invention also does not have a control signal as in the conventional reset, since the metal lines are reduced in the layout of the pixels, the pitch size can be reduced as compared with the conventional unit pixels, and a small amount of the light receiving portion of the PMOS is achieved. Even if the light is incident, a large amount of current can flow, so that a clear image can be realized at low light, and the integration time requires almost no high speed video.
그리고, 본 발명의 제2실시예는 일반적인 MOS공정으로 단위 화소를 구현하여 기존의 CMOS이미지 센서의 전용공정이 불필요하므로 향후, 공정 수율의 증가 및 공정비용의 절감의 효과를 유도할 수 있다.In addition, since the second embodiment of the present invention implements a unit pixel in a general MOS process, a dedicated process of a conventional CMOS image sensor is unnecessary, thereby inducing an effect of increasing process yield and reducing process cost in the future.
본 발명은 도5a 내지 도5c에서 살펴본 바와 같이, 고속 및 고화질의 이미지를 구현할 수 있는 단위 픽셀 구현 기술과, 도4a 내지 도4d에서 살펴본 바와 같이, 화소부에서 출력되는 공통 접점에 커런트 미러를 다수로 구비함으로써, 커런트 미러의 MOS 크기에 따라 전류량을 변화시켜 광량이 지나치게 많을 때와 광량이 지나치게 적을 때전류 신호로 인한 후단부 신호처리 범위를 적절하게 맞춰주는 기술을 동시에 달성할 수 있다.5A to 5C, the present invention provides a unit pixel implementation technique capable of realizing high speed and high quality images, and a plurality of current mirrors are provided at common contacts output from the pixel unit, as described with reference to FIGS. 4A to 4D. In this case, it is possible to simultaneously achieve a technique of appropriately matching the rear end signal processing range due to the current signal when the amount of light is too large and the amount of light is too small by changing the amount of current according to the MOS size of the current mirror.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been shown and described with reference to the preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be possible.
따라서, 본 발명의 커런트 미러를 갖는 이미지 센서 및 그 구동 방법은 화소부에서 출력되는 공통 접점에 커런트 미러를 다수로 구비함으로써, 광량이 지나치게 많을 때와 광량이 지나치게 적을 때전류 신호로 인한 후단부 신호처리 범위를 적절하게 맞춰주기 위하여 커런트 미러의 MOS 크기에 따라 전류량을 변화시키는 이미지 센서 및 그 구동 방법을 제공함으로써 인간의 눈처럼 원추세포가 밝을때, 간상세포가 어두울때 각각 활성화되는 원리와 유사하다할 수 있다.Therefore, the image sensor having the current mirror of the present invention and its driving method include a plurality of current mirrors at the common contact output from the pixel portion, so that the rear end signal due to the current signal when the amount of light is too large and the amount of light is too small. It is similar to the principle of being activated when cone cells are bright and rod cells are dark like human eyes by providing an image sensor and a driving method thereof that change the amount of current according to the MOS size of the current mirror to suit the processing range appropriately. can do.
또한, 본 발명의 이미지 센서는 하나의 NMOS와 하나의 PMOS 수광 소자를 구비하여 단위 픽셀을 구성함으로써 픽셀 자체의 피치 사이즈(pitch size)를 줄일 수 있다.In addition, the image sensor of the present invention may include one NMOS and one PMOS light-receiving element to configure a unit pixel, thereby reducing the pitch size of the pixel itself.
또한, 본 발명의 이미지 센서는 수광소자에 소량의 빛이 들어와도 소스와 드레인에 흐르는 전류의 양이 커 저조도에서도 이미지 구현이 우수한 특성을 갖는다.In addition, the image sensor of the present invention is excellent in the image implementation even in low light, even if a small amount of light enters the light receiving element is a large amount of current flowing through the source and drain.
또한, 본 발명의 이미지 센서는 종래의 인테그레이션 타임(integration time)이 불필요하므로 고속 및 고화질의 이미지의 구현이 가능하다.In addition, since the image sensor of the present invention does not require a conventional integration time, it is possible to realize high-speed and high-quality images.
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