KR100660905B1 - Ｃｍｏｓ 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

플로팅 확산 영역의 등가 커패시턴스값을 조절함으로써, 플로팅 확산 영역의 전압값이 구동 범위를 벗어나는 문제점을 개선할 수 있는 CMOS 이미지 센서가 개시된다. 상기 CMOS 이미지 센서는, 빛 에너지를 전기적인 신호로 변환하는 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드에 저장된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터와, 선택 제어신호에 응답하여, 상기 플로팅 확산 영역의 전압레벨에 따라 가변하는 데이터 신호를 외부로 전달하기 위한 셀렉트 트랜지스터 및 상기 플로팅 확산 영역의 등가 커패시턴스 값을 조절하기 위하여, 상기 플로팅 확산 영역와 상기 셀렉트 트랜지스터 사이에 연결되는 적어도 하나의 커패시터를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＣＭＯＳ 이미지 센서{CMOS Image sensor}
도 1은 종래의 CMOS 이미지 센서의 단위픽셀을 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2의 단위화소 회로를 구동하기 위한 제어신호의 파형도 및 출력전압을 나타내는 파형도이다.
도 4는 플로팅 확산 영역의 등가 커패시턴스 값에 따른 출력전압을 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
200: 단위화소
T11: 트랜스퍼 트랜지스터 T12: 리셋 트랜지스터
T13: 드라이브 트랜지스터 T14: 셀렉트 트랜지스터
T15: 로드 트랜지스터 FD: 플로팅 확산 영역
C: 커패시터
본 발명은 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로서, 특히 플로팅 확산(floating diffusion) 영역과 셀렉트 트랜지스터 사이에 커패시터를 장착하여, 상기 플로팅 확산 영역의 등가 커패시턴스 값을 조절할 수 있는 CMOS 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서와 CMOS 이미지 센서로 나뉜다. CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서는 외부의 물체를 촬영하고 빛을 흡수하여 광 전하를 축적하는 수단과 축적된 전하를 전송하는 전송 수단 및 전송된 전하를 전기 신호로 출력하는 출력 수단을 구비한다.
광 전하를 축적하는 수단은 일반적으로 포토 다이오드(photo-diode)가 이용된다. 포토다이오드에 축적된 전하가 상기 전송 수단 및 출력 수단에 의해서 외부로 출력된다. 신호 검출이 끝나면 다음의 이미지 센싱 동작을 위하여 포토다이오드에 축적된 전하를 배출해야 하며 이러한 전하의 배출 동작을 리셋(reset)이라고 한다.
이와 같은 동작 원리에 의해서 동작되는 CCD 이미지 센서는 구동방식이 CMOS 이미지 센서에 비하여 복잡하고 고 전력이 소비되는 문제가 있다. 따라서 소비전력의 감소와 집적도가 우수한 CMOS 이미지 센서가 많이 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소(pixel)를 나타내는 회로도이다. 도시된 바와 같이 상기 단위 화소(100)는, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토 다이오드(PD)와, 복수 개의 트랜지스터 소자들(T1 내지 T4)을 구비한다.
상기 복수 개의 트랜지스터 소자들 중 트랜스퍼 트랜지스터(T1)는, 전송 제 어신호(Tx)에 응답하여, 상기 포토 다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송한다. 또한 리셋 트랜지스터(T2)는, 리셋 신호(Rx)에 응답하여 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전위를 소정의 전원전압(VDD) 레벨로 리셋시켜, 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 저장된 광전하를 배출하는 역할을 한다.
또한 드라이브 트랜지스터(T3)는 소스 팔로워-버퍼 증폭기(Source Follower-Buffer Amplifier)의 역할을 하며, 셀렉트 트랜지스터(T4)는 어드레싱(Addressing)을 위한 것으로서, 선택 제어신호(Sx)에 응답하여 스위칭됨으로써 픽셀 데이터 신호를 출력단(OUT)으로 전송한다. 한편, 단위 화소(100)의 외부에는 상기 출력단(OUT)으로부터 출력되는 신호의 전압을 읽을 수 있도록, 소정의 로드 제어신호(load)에 의해 제어되는 로드 트랜지스터(T5)가 연결된다.
상기 CMOS 이미지 센서의 단위화소(100)의 동작은 다음과 같이 이루어진다. 초기에 트랜스퍼 트랜지스터(T1)와 리셋 트랜지스터(T2)를 턴온시켜 단위 화소(100)를 리셋시킨다. 이 때, 포토 다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 포토 다이오드(PD)에 전하 축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산 영역(FD)은 공급 전압(VDD)에 비례하여 전하 축적된다.
이 후, 트랜스퍼 트랜지스터(T1)를 턴오프시키고 셀렉트 트랜지스터(T4)를 턴온시킨 다음, 리셋 트랜지스터(T2)를 턴오프시킨다. 이 때 단위화소(100) 출력단(OUT)의 전압인 제1 출력전압(V1)을 독출하여 버퍼(미도시)에 저장시킨다. 이후, 트랜스퍼 트랜지스터(T1)를 턴온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 포토 다이오드(PD)의 광전하들을 플로팅 확산 영역(FD)으로 이동시킨 다음, 다시 출력단(OUT)의 전압 인 제2 출력전압(V2)을 독출한다. 이후, 상기 두 전압에 대하여 전압차(V1-V2)를 산출하고, 이에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환시키는 동작이 이루어진다.
상기 포토 다이오드(PD)의 크기가 감소하는 경우에는, 광전하를 집적할 수 있는 포토 다이오드(PD)의 유효 면적이 감소하므로, 상기 CMOS 이미지 센서의 구동범위(Dynamic range)가 감소하게 된다. 그러나, 최근에 소자의 집적도가 증가함에 따라 상기 포토 다이오드(PD)의 유효 면적을 증가시키는 데에 한계가 따르게 되며, 특히 상기 포토 다이오드(PD)의 유효 면적을 증가시키게 되면, 액티브 영역에 형성되는 플로팅 확산 영역(FD)의 면적은 상대적으로 감소하게 된다.
플로팅 확산 영역(FD)의 면적이 감소하는 경우, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 커패시턴스 값(Cfd)이 감소하게 되며, 이에 따라 1/Cfd 로 정의되는 컨버젼 게인(conversion gain) 값은 증가하게 된다. 즉, 광전하가 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달되는 경우, 컨버젼 게인값이 증가함에 따라 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압 강하량이 증가하게 된다.
상기 전압 강하량이 증가하게 되어 플로팅 확산 영역(FD)의 전압값이 구동 범위를 벗어나는 경우, 상기 광전하가 플로팅 확산 영역(FD)에서 포토 다이오드(PD)로 역류하는 문제가 발생할 수 있다. 그러나 종래에는 상술한 바와 같은 컨버젼 게인값의 증가에 따른 문제를 적절하게 대응할 수 있는 수단을 구비하지 않았다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 컨버젼 게인값이 증가함에 따라 발생할 수 있는 광전하의 역류 등의 문제를 개선할 수 있는 CMOS 이미지 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서는, 빛 에너지를 전기적인 신호로 변환하는 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드에 저장된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터와, 선택 제어신호에 응답하여, 상기 플로팅 확산 영역의 전압레벨에 따라 가변하는 데이터 신호를 외부로 전달하기 위한 셀렉트 트랜지스터 및 상기 플로팅 확산 영역의 커패시턴스 값을 조절하기 위하여, 상기 플로팅 확산 영역와 상기 셀렉트 트랜지스터 사이에 연결되는 적어도 하나의 커패시터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 커패시터는, 제1 전극이 플로팅 확산 영역에 연결되고, 제2 전극이 상기 셀렉트 트랜지스터의 게이트에 연결되는 것이 바람직하다.
또한 바람직하게는 상기 커패시터는, 상기 플로팅 확산 영역의 커패시턴스 성분과 서로 병렬하게 연결되도록 한다.
또한 바람직하게는 상기 등가 커패시턴스 값은, 상기 포토 다이오드에 포화 저장된 광전하가 상기 플로팅 확산 영역으로 모두 전송되는 경우, 상기 플로팅 확산 영역의 전압이 상기 포토 다이오드의 전압 이상이 되도록 조절되도록 한다.
한편, 상기 선택 제어신호는, 상기 CMOS 이미지 센서의 단위화소로 입력되는 전원전압과 접지전압 사이를 토글링하는 레귤레이션(regulation)된 전압신호인 것 이 바람직하다.
한편 상기 커패시터는, PIP(Polysilicon-Insulator-Polysilicon) 구조의 커패시터로 이루어지거나, MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조의 커패시터로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서는, 빛 에너지를 전기적인 신호로 변환하는 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드에 저장된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터와, 선택 제어신호에 응답하여, 상기 플로팅 확산 영역의 전압레벨에 따라 가변하는 데이터 신호를 외부로 전달하기 위한 셀렉트 트랜지스터 및 상기 플로팅 확산 영역의 등가 커패시턴스 값을 증가시키기 위하여, 상기 플로팅 확산 영역의 등가 커패시턴스 성분과 병렬하게 연결되는 적어도 하나의 커패시터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타내는 회로도이다. 도시된 바와 같이 상기 CMOS 이미지 센서의 단위화소(200)는, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토 다이오드(PD)와, 복수 개의 트랜지스터 소자들(T11 내 지 T14)을 구비한다.
상기 복수 개의 트랜지스터 소자들 중 트랜스퍼 트랜지스터(T11)는, 일 전극이 상기 포토 다이오드(PD)와 연결되며, 타 전극이 플로팅 확산 영역(FD)과 연결된다. 상기 트랜스퍼 트랜지스터(T11)는, 전송 제어신호(Tx)에 응답하여, 상기 포토 다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송한다.
또한 리셋 트랜지스터(T12)는, 일 전극이 소정의 전원전압(VDD)과 연결되며, 타 전극이 상기 플로팅 확산 영역(FD)과 연결된다. 상기 리셋 트랜지스터(T12)는, 리셋 신호(Rx)에 응답하여 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전위를 전원전압(VDD) 레벨로 리셋시켜, 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 저장된 광전하를 배출하는 역할을 한다.
또한 드라이브 트랜지스터(T13)는, 일 전극이 상기 전원전압(VDD)에 연결되며, 소스 팔로워-버퍼 증폭기(Source Follower-Buffer Amplifier)의 역할을 한다. 또한, 셀렉트 트랜지스터(T14)는, 일 전극이 상기 드라이브 트랜지스터(T13)의 타 전극에 연결되고, 타 전극이 출력단(OUT)과 연결된다. 상기 셀렉트 트랜지스터(T14)는, 어드레싱(Addressing)을 위한 것으로서, 선택 제어신호(Sx)에 응답하여 스위칭됨으로써 데이터 신호를 출력단(OUT)으로 전송한다.
한편, 단위 화소(200)의 외부에는 상기 출력단(OUT)으로부터 출력되는 신호의 전압을 읽을 수 있도록, 소정의 로드 제어신호(load)에 의해 제어되는 로드 트랜지스터(T15)가 연결된다. 상기 로드 트랜지스터(T15)는, 일 전극이 상기 출력단(OUT)에 연결되며, 타 전극이 소정의 전압(Vss, 바람직하게는 접지전압)에 연결된 다.
상술하였던 바와 같이, 소자의 집적도가 증가함에 따라 CMOS 이미지 센서의 단위화소의 물리적 크기가 감소하게 된다. 그러나 상기 포토 다이오드(PD)는 감도의 향상을 위해서 그 크기를 감소시키는데 한계가 있다. 또한, 상기 포토 다이오드(PD)의 유효 면적을 증가시킴에 따라 액티브 영역에 형성되는 플로팅 확산 영역(FD)의 면적은 상대적으로 감소하게 된다.
플로팅 확산 영역(FD)의 면적이 감소하는 경우, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 커패시턴스 값(Cfd)이 감소하게 되며, 이에 따라 1/Cfd 로 정의되는 컨버젼 게인(conversion gain) 값은 증가하게 된다. 상기 컨버젼 게인값이 증가하게 되면, 광전하 하나가 상기 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달되는 경우 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압 강하량(e/Cfd, e는 광전하의 전하량)이 증가하게 된다.
일반적으로 상기 포토 다이오드(PD)에 저장된 광전하가 모두 전송된 경우 상기 플로팅 확산 영역(FD)과 연결된 포토 다이오드(PD)의 일 전극이 1.2V 라 하고, 상기 소정의 전원전압(VDD)이 2.8V 라 할 때, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 동작 전압 범위는 1.2V 내지 2.8V가 된다. 또한 포화되는 광전하가 10000개인 것으로 하고, 각 광전하의 전송에 의한 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압 강하가 40 내지 90 ㎶/e 인 것으로 할 때, 상기 포화된 광전하가 모두 포토 다이오드(PD)로부터 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송되면, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압은 0.4 내지 0.9V 가 강하되어 2.1V 내지 2.4V가 되므로 상기 동작 전압 범위를 만족한다. 그러나 플로팅 확산 영역(FD)의 커패시턴스 값이 작아지게 되어, 각 광전하의 전송에 의한 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압 강하가 200 ㎶/e 이 되는 경우, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압은 2V 가 강하되어 0.8V가 되므로 상기 동작 전압 범위를 벗어나게 된다. 이 경우 플로팅 확산 영역(FD)보다 포토 다이오드(PD)의 전압이 높아지게 되므로, 상기 광전하가 플로팅 확산 영역(FD)에서 포토 다이오드(PD)로 역류하는 문제가 발생할 수 있다.
상기와 같은 문제를 개선하기 위해 상기 도 2에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서는, 단위 화소(200)내에 상기 플로팅 확산 영역(FD)과 상기 셀렉트 트랜지스터(T14) 사이에 연결되는 적어도 하나의 커패시터(C)를 구비한다. 상기 커패시터(C)를 더 구비함에 따라 플로팅 확산 영역(FD)의 등가 커패시턴스 성분값을 조절할 수 있다. 특히 플로팅 확산 영역(FD)의 유효 면적이 감소함에도 불구하고, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 등가 커패시턴스 값을 일정 범위 내로 증가시킬 수 있다.
상기 커패시터(C)를 플로팅 확산 영역(FD)과 셀렉트 트랜지스터(T14) 사이에 연결함에 있어서, 상기 커패시터(C)의 제1 전극이 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 연결되고, 제2 전극이 상기 셀렉트 트랜지스터(T14)의 게이트에 연결되도록 한다. 이에 따라 상기 커패시터(C)의 제2 전극으로, 상기 셀렉트 트랜지스터(T14)의 온/오프를 제어하는 선택 제어신호(Sx)가 인가되도록 한다.
또한, 상기 커패시터(C)를 플로팅 확산 영역(FD)과 셀렉트 트랜지스터(T14) 사이에 연결함에 있어서, 상기 커패시터(C)가 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 커패시턴스 성분과 서로 병렬하게 연결되도록 한다. 따라서 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 등가 커패시턴스는, 원래 커패시턴스 값 Cfd 에 상기 커패시터(C)의 커패시턴스 값 Cc의 합에 해당하게 되므로, 상기 등가 커패시턴스 값(Cfd + Cc)을 일정 범위 내로 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 포토 다이오드(PD)로부터 광전하를 저장하기 위하여, 상기 커패시터(C)의 제2 전극에 소정의 전압을 인가해야 한다. 이 경우 상기 제2 전극에 상기 선택 제어신호(Sx)가 인가되도록 한다. 상기 선택 제어신호(Sx)는 소정의 구간에서 논리 로우레벨 및 논리 하이레벨을 갖는다. 상기 선택 제어신호(Sx)의 논리 로우레벨은 도 2에 도시된 전압 Vss와 동일한 레벨인 것이 바람직하며, 상기 전압 Vss는 접지전압인 것이 바람직하다. 또한, 상기 선택 제어신호(Sx)의 논리 하이레벨은 도 2에 도시된 전원전압 VDD와 동일한 레벨인 것이 바람직하다.
상기 선택 제어신호(Sx)는 바람직하게 레귤레이션(regulation)된 안정한 전압을 갖는 신호가 적용된다. 상기 커패시터(C)의 제2 전극에 안정한 전압을 갖는 선택 제어신호(Sx)를 인가하는 경우, 일반 전원전압(VDD)를 인가하는 경우에 비하여 출력단(OUT)을 통해 출력되는 신호를 안정화할 수 있다. 즉, 상기 커패시터(C)의 제2 전극에 인가되는 전압이 불안정하게 되면, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 커패시턴스 값 Cfd 및 상기 커패시터(C)의 커패시턴스 값 Cc에 따른 소정의 비율로, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압값이 불안정하게 된다.
상기 커패시터(C)는 레이아웃의 측면에서 PIP(Polysilicon-Insulator-Polysilicon) 구조의 커패시터로 이루어지거나, MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조의 커패시터 등으로 이루어질 수 있으며, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기타의 수단이 적용되어도 무방하다.
상기 도 2에 도시된 CMOS 이미지 센서의 단위화소(200)의 동작을 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 도 2의 단위화소 회로를 구동하기 위한 제어신호의 파형도 및 출력전압을 나타내는 파형도이다. 도시된 파형도에서, Sx는 셀렉트 트랜지스터(T14)를 제어하는 선택 제어신호이고, Rx는 리셋 트랜지스터(T12)를 제어하는 리셋 신호이며, Tx는 트랜스퍼 트랜지스터(T11)를 제어하는 전송 제어신호이다. 또한 Vfd는 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압값을 나타낸다.
상기 선택 제어신호(Sx)가 로우 레벨이고 상기 리셋 신호(Rx)가 하이 레벨인 구간 동안 상기 플로팅 확산 영역(FD)을 리셋시킨다. 이에 따라 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압값은 전원전압(VDD)에 해당하는 값이 된다.
이후, 선택 제어신호(Sx)가 하이 레벨로 토글링(toggling)되고 리셋 신호(Rx)가 로우 레벨로 토글링됨에 따라, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 리셋 동작은 멈추게 되며, 출력단(OUT)을 통해 데이터를 독출할 수 있다. 전송 제어신호(Tx)가 하이 레벨로 토글링하기 전이므로, 포토 다이오드(PD)에 저장된 광전하는 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송되지 않는다. 이에 따라 상기 구간중 어느 시점(A1)에서 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압값(V1)은 상기 전원전압(VDD)에 해당하는 값을 유지하게 된다.
이후, 상기 전송 제어신호(Tx)가 하이 레벨로 토글링되어 트랜스퍼 트랜지스터(T11)가 턴온된다. 이에 따라, 상기 포토 다이오드(PD)에 저장된 광전하가 플로 팅 확산 영역(FD)으로 이동한다. 상기 전송 제어신호(Tx)가 하이 레벨인 구간동안, 포토 다이오드(PD)에 저장된 광전하는 모두 플로팅 확산 영역(FD)으로 이동하며, 이에 따라 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압값은 낮아지게 된다.
이후 상기 전송 제어신호(Tx)가 로우 레벨로 토글링하며, 상기 플로팅 확산 영역(FD)은 낮아진 전압값을 유지하게 된다. 이 구간에서의 어느 시점(A2)에서 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압값(V2)은, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 등가 커패시턴스값(Cfd+Cc)을 조절함으로써 가변시킬 수 있다.
일예로서, 상기 커패시터의 커패시턴스 Cc를 조절함으로써, 등가 커패시턴스값(Cfd+Cc)이 1×C을 갖도록 하거나, 상기 등가 커패시턴스값(Cfd+Cc)이 2×C을 갖도록 할 수 있다.
상기 전원전압(VDD)이 2.8V이고, 상기 등가 커패시턴스값(Cfd+Cc)이 1×C 인 경우, 소정 개수의 광전하가 포토 다이오드(PD)로부터 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송되어, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압값을 0.8V 강하시킬 수 있다. 이에 따라 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압값은 2V가 된다.
반면, 상기 등가 커패시턴스값(Cfd+Cc)이 2×C 인 경우, 상술하였던 컨버젼 게인(1/Cfd+Cc)이 상기 등가 커패시턴스값(Cfd+Cc)이 1×C 인 경우에 비하여 1/2로 감소한다. 따라서 동일한 개수의 광전하가 포토 다이오드(PD)로부터 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송될 때, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압값은 0.4V 강하되며, 이에 따라 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압값은 2.4V 가 된다.
즉, 플로팅 확산 영역(FD)의 면적이 감소되어 컨버젼 게인이 증가하는 경우, 상기 컨버젼 게인의 증가량에 따라 상기 추가 구성되는 커패시터(C)의 커패시턴스값(Cc)을 조절함으로써, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압값이 구동 전압범위 이내의 값을 갖도록 할 수 있다.
도 4는 플로팅 확산 영역의 등가 커패시턴스 값에 따른 출력전압을 나타내는 그래프이다. 가로축의 Vfd는 플로팅 확산 영역의 전압값을 나타내며, 세로축의 Vout은 출력단을 통해 출력되는 데이터 신호의 전압값을 나타낸다.
도 4의 그래프에서 A1 지점은 도 3의 A1 지점을 나타내는 것으로서, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압값은 전원전압(VDD), 예를 들면 2.8V의 값을 갖는다. 또한 소스 팔로워로서 동작하는 도 2의 드라이브 트랜지스터(T13)에 의하여, 출력단(OUT)을 통해 출력되는 데이터의 전압값은 1.8V를 갖는다.
도 3의 A2 지점에서와 같이 광전하가 포토 다이오드(PD)로부터 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송됨에 따라, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압값은 낮아진다. 특히 도 4의 A2 지점은 플로팅 확산 영역(FD)의 등가 커패시턴스 값이 1×C 인 경우를 나타내며, A2` 지점은 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 등가 커패시턴스 값이 2×C 인 경우를 나타낸다. 즉, 동일한 광전하가 전송되더라도, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 등가 커패시턴스 값이 2×C인 경우의 컨버전 게인은, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 등가 커패시턴스 값이 1×C인 경우에 비해 1/2이 되므로, 강하되는 전압값이 1/2로 감소한다. 이에 따라 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압값이 2.4V인 경우에는 출력단(OUT)의 전압값이 1.5V가 되며, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압값이 2.0V인 경우에는 출력단(OUT)의 전압값이 1.2V가 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 CMOS 이미지 센서에 따르면, 플로팅 확산 영역의 등가 커패시턴스 값을 조절함으로써, 컨버젼 게인값이 증가함에 따라 발생할 수 있는 광전하의 역류 등을 방지하며 이미지를 정확히 센싱할 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. 빛 에너지를 전기적인 신호로 변환하는 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드에 저장된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터;
    선택 제어신호에 응답하여, 상기 플로팅 확산 영역의 전압레벨에 따라 가변하는 데이터 신호를 외부로 전달하기 위한 셀렉트 트랜지스터; 및
    상기 플로팅 확산 영역의 등가 커패시턴스 값을 조절하기 위하여, 상기 플로팅 확산 영역와 상기 셀렉트 트랜지스터 사이에 연결되는 적어도 하나의 커패시터를 구비하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 커패시터는,
    제1 전극이 플로팅 확산 영역에 연결되고, 제2 전극이 상기 셀렉트 트랜지스터의 게이트에 연결되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 커패시터는,
    상기 플로팅 확산 영역의 커패시턴스 성분과 서로 병렬하게 연결되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 등가 커패시턴스 값은,
    상기 포토 다이오드에 포화 저장된 광전하가 상기 플로팅 확산 영역으로 모두 전송되는 경우, 상기 플로팅 확산 영역의 전압이 상기 포토 다이오드의 전압 이상이 되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 선택 제어신호는,
    상기 CMOS 이미지 센서의 단위화소로 입력되는 전원전압과 접지전압 사이를 토글링하는 레귤레이션(regulation)된 전압신호인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 커패시터는,
    PIP(Polysilicon-Insulator-Polysilicon) 구조의 커패시터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 커패시터는,
    MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조의 커패시터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  8. 빛 에너지를 전기적인 신호로 변환하는 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드에 저장된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터;
    선택 제어신호에 응답하여, 상기 플로팅 확산 영역의 전압레벨에 따라 가변하는 데이터 신호를 외부로 전달하기 위한 셀렉트 트랜지스터; 및
    상기 플로팅 확산 영역의 등가 커패시턴스 값을 증가시키기 위하여, 상기 플로팅 확산 영역의 커패시턴스 성분과 병렬하게 연결되는 적어도 하나의 커패시터를 구비하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 커패시터는,
    상기 플로팅 확산 영역과 상기 셀렉트 트랜지스터 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 커패시터는,
    제1 전극이 상기 플로팅 확산 영역에 연결되고, 제2 전극이 상기 셀렉트 트랜지스터의 게이트에 연결되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 등가 커패시턴스 값은,
    상기 포토 다이오드에 포화 저장된 광전하가 상기 플로팅 확산 영역으로 모두 전송되는 경우, 상기 플로팅 확산 영역의 전압이 상기 포토 다이오드의 전압 이상이 되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  12. 제 8항에 있어서, 상기 선택 제어신호는,
    상기 CMOS 이미지 센서의 단위화소로 입력되는 전원전압과 접지전압 사이를 토글링하는 레귤레이션(regulation)된 전압신호인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  13. 제 8항에 있어서, 상기 커패시터는,
    PIP(Polysilicon-Insulator-Polysilicon) 구조의 커패시터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  14. 제 8항에 있어서, 상기 커패시터는,
    MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조의 커패시터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111988543A (zh) * 2015-01-18 2020-11-24 三星电子株式会社 像素图像不均匀的补偿方法及相关图像传感器

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4467542B2 (ja) * 2006-06-15 2010-05-26 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社 固体撮像装置
US8896733B2 (en) * 2011-01-21 2014-11-25 Aptina Imaging Corporation Imaging system with automatic conversion gain selection
JP2014204364A (ja) * 2013-04-08 2014-10-27 ソニー株式会社 固体撮像素子および駆動方法、並びに電子機器
US9277147B2 (en) 2013-08-23 2016-03-01 Semiconductor Components Industries, Llc Multimode pixel readout for enhanced dynamic range
TWI572023B (zh) * 2015-04-15 2017-02-21 力晶科技股份有限公司 Ｃｍｏｓ影像感測單元及其製造方法
US10347681B2 (en) * 2016-02-19 2019-07-09 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Imaging device
KR102559953B1 (ko) 2016-06-13 2023-07-28 에스케이하이닉스 주식회사 플로팅 확산 영역의 전압 변동 리드아웃 장치 및 그 방법과 그를 이용한 씨모스 이미지 센서

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5952686A (en) * 1997-12-03 1999-09-14 Hewlett-Packard Company Salient integration mode active pixel sensor
US6046444A (en) * 1997-12-08 2000-04-04 Intel Corporation High sensitivity active pixel with electronic shutter
US7847847B2 (en) * 2005-01-27 2010-12-07 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Structure for CMOS image sensor with a plurality of capacitors

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111988543A (zh) * 2015-01-18 2020-11-24 三星电子株式会社 像素图像不均匀的补偿方法及相关图像传感器

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