KR100681986B1 - 고체 이미지 센서 - Google Patents

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다까히사 우에노
고이찌 시오노
가즈야 요네모또
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소니 가부시끼 가이샤
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Abstract

고체 이미지 센서는 입사광을 전기 신호 전하로 변환한 후 상기 광전 변환을 통하여 얻어진 상기 신호 전하를 저장하기 위한 광전 변환 소자, 상기 광전 변환 소자에 저장된 신호 전하를 전기 신호로 변환하기 위한 증폭 소자, 및 상기 전기 신호를 픽셀 신호로서 상기 증폭 소자로부터 신호선으로 선택적으로 출력하기 위한 선택 스위치를 각각 구비하고 있는 단위 픽셀들을 포함한다. 또한, 상기 이미지 센서는 관련 단위 픽셀로부터 픽셀 신호가 출력될 때마다 상기 광전 변환 소자를 리셋하기 위하여 상기 단위 픽셀들의 각각에 있는 리셋 회로를 더 포함한다. 상기 광전 변환 소자는 픽셀 신호가 출력될 때마다 리셋되어서, 리셋 전 신호와 리셋 후 신호가 각 단위 픽셀로부터 도출되고 다음에 공통 경로를 통하여 전송되어, 상기 신호들 사이의 차이가 취하여져서 각 단위 픽셀의 특성 편차에 기인한 고정 패턴 잡음뿐만 아니라 수직 줄무늬 (streaks)의 수직으로 상관 고정 패턴 잡음도 억제한다.
고체 이미지 센서, 선택 스위치, 리셋 전 신호, 리셋 후 신호, 고정 패턴 잡음

Description

고체 이미지 센서{SOLID-STATE IMAGE SENSOR}
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 구조를 도시한 블록도.
도 2는 제1 실시예의 동작을 설명하기 위한 신호의 타이밍도.
도 3은 CDS 회로의 구성예를 도시한 회로도.
도 4a와 4b는 각각 인핸스먼트형 MOS 트랜지스터와 디플리션형 MOS 트랜지스터의 Id-Vd 특성을 도시한 특성도.
도 5는 제1 실시예의 리셋(reset) 회로의 동작을 설명하기 위한 전위도.
도 6은 단위 픽셀의 다른 구조예를 도시한 회로도.
도 7은 단위 픽셀의 또 다른 구조예를 도시한 회로도.
도 8은 도 5의 구조에 대응하는 전위도.
도 9는 도 6의 구조에 대응하는 전위도.
도 10은 본 발명의 제2 실시예의 구조를 도시한 블록도.
도 11은 제2 실시예의 동작을 설명하는 신호의 타이밍도.
도 12는 제2 실시예의 리셋 회로의 동작을 설명하기 위한 전위도.
도 13은 본 발명의 고체 이미지 센서를 채용한 본 발명의 카메라 구조예를 도시한 개략도.
도 14는 관련 기술의 알려진 구조예를 도시한 블록도.
도 15는 관련 기술의 문제를 설명하기 위한 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 단위 픽셀
12 : 광전 변환 소자
13 : 증폭 MOS 트랜지스터
14 : 선택 MOS 트랜지스터
15 : 리셋 MOS 트랜지스터
16 : 리셋 선택 MOS 트랜지스터
17 : 전원선 (VDD 선)
18 : 수직 신호선
19 : 수평 리셋선
20 : 수직 선택선
21 : 수평 신호선
22 : 수평 선택 MOS 트랜지스터
23 : 수직 주사 회로
24 : 수평 주사 회로
25 : CDS 회로
본 발명은 고체 이미지 센서 및 그 구동 방법에 관한 것으로 특히 단위 픽셀마다 증폭 기능을 구비한 MOS 이미지 센서와 같은 증폭형 고체 이미지 소자와 상기 이미지 센서를 구동하기 위한 방법에 관한 것이다.
도 14는 이와 관련된 분야에서 증폭형 고체 이미지 소자라고 알려진 종래의 2차원 고체 이미지 센서의 구조예를 도시하고 있다. 이 구조도에 있어서, 단위 픽셀(105)은 광다이오드(101), 증폭 MOS 트랜지스터(102), 광다이오드 리셋 (reset) MOS 트랜지스터(103) 및 수직 선택 MOS 트랜지스터(104)로 구성되어 있다. 이 구조에 있어서, 광다이오드 리셋 MOS 트랜지스터(103)의 게이트 전극은 수직 리셋선(108)에 접속되어 있고, 수직 선택 MOS 트랜지스터(104)의 게이트 전극은 수직 선택선(109)에, 수직 선택 MOS 트랜지스터(104)의 소스 전극은 수직 신호선(110)에 각각 접속되어 있다.
수평 선택 MOS 트랜지스터(112)는 수직 신호선(110)의 한쪽 끝과 수평 신호선(111) 사이에 접속되어 있다. 각 픽셀의 동작은 각 행마다 행-선택 수직 주사 회로(113)로부터 출력된 두 종류의 수직 주사 펄스 ΦVSn과 ΦVRn에 의하여 제어되고, 픽셀 신호는 열-선택 수평 주사 회로(114)로부터 출력된 수평 주사 펄스 ΦHm에 의하여 제어되는 수평 선택 MOS 트랜지스터(112)를 통하여 수평 신호선(111)에 출력된다. 이 때, 광전성 변환을 통하여 광다이오드(101)에 저장된 신호 전하는 증폭 MOS 트랜지스터(102)에 의하여 신호 전류로 변환되고, 이미지 센서의 출력 신호로서 도출된다.
그러나, 상기 구조의 증폭형 2차원 고체 이미지 센서에 있어서, 각 픽셀을 구성하는 능동 소자의 특성 편차의 문제가 존재한다. 특히, 증폭 MOS 트랜지스터(102)의 문턱 전압 Vth의 편차에 문제가 있다. 그리고, 상기 편차는 이미지 센서의 출력 신호에 직접적으로 포함된다. 이 특성 편차가 픽셀마다 고정된 값을 가지기 때문에 스크린 상에 표시되는 그림에는 고정 패턴 잡음 (FPN)으로 보인다. 그러한 고정 패턴 잡음을 억제하기 위하여, 프레임 메모리나 라인 메모리를 사용하는 잡음 제거 회로를 상기 소자에 외부적으로 접속하여 픽셀에서의 특성 편차로부터 기인하는 잡음 성분을 제거할 필요가 있다. 결과적으로, 고체 이미지 센서를 이미지 소자로 채용하는 카메라 시스템 등에서는, 외부적으로 접속된 잡음 제거 회로에 따라 크기가 커지게 된다.
상기 소자와 비교하여, 도 15에 도시된 구조를 가지고 있으며 상기 소자의 상기 고정 패턴 잡음을 내부적으로 억제할 수 있는 다른 증폭형 고체 이미지 센서가 고안되었다. 이 고체 이미지 센서의 차이점은, 단위 픽셀(105)이 구조적으로는 도 14의 경우와 동일하지만, 수평 출력 회로(115)가 픽셀(105)의 특성 편차에서 기인하는 고정 패턴 잡음을 억제하기 위하여 제공되어 있고, 이 수평 출력 회로(115)는 픽셀(105)의 신호의 판독 전후(리셋 전후)의 신호의 차이를 취하는 과정을 수행한다는 것에 있다.
도 15에 있어서, 증폭 MOS 트랜지스터(102)의 소스 폴로우어 (source follower)의 부하로서 역할하는 부하 MOS 트랜지스터(116)는 수직 신호선(110)과 그라운드 사이에 접속되어 있다. 또한, 한 쌍의 신호 스위치 MOS 트랜지스터(117 및 117')의 각각의 주전극은 수직 신호선(110)에 접속되어 있다. 그리고, 한 쌍의 신호 유지 커패시터(118 및 118')는 각각 한 쌍의 신호 스위치 MOS 트랜지스터(117 및 117')의 다른 주전극과 그라운드 사이에 접속되어 있다.
또한, 한 쌍의 수평 선택 MOS 트랜지스터(112 및 112')는 한 쌍의 신호 스위치 MOS 트랜지스터(117 및 117')의 다른 주전극과 한 쌍의 수평 신호선(111 및 111') 사이에 각각 접속되어 있다. 그리고, 차동 증폭기(119)의 비반전(+) 입력 단자와 반전(-) 입력 단자는 수평 신호선(111 및 111')의 쌍에 각각 접속되어 있다.
상기 구조의 증폭형 고체 이미지 센서에 있어서, 픽셀 리셋 전과 리셋 후의 신호는 신호 스위치 MOS 트랜지스터(117 및 117')를 통하여 신호 유지 커패시터(118 및 118')에서 각각 유지되어 있고, 수평 선택 MOS 트랜지스터(112 및 112')와 수평 신호선(111 및 111')를 통하여 차동 증폭기(119)로 인가된다. 이어서, 픽셀 리셋 전 신호와 리셋 후 신호의 차이가 각 단위 픽셀의 특성 편차에서 기인하는 고정 패턴 잡음을 제거하기 위하여 차동 증폭기(119)에서 취하여진다.
상기 구조의 증폭형 고체 이미지 센서에 있어서, 각 단위 픽셀의 특성 편차로부터 기인하는 고정 패턴 잡음을 억제하는 것이 가능하다해도, 픽셀 리셋 전 신호와 리셋 후 신호가 각각 분리된 신호 경로를 통하여 차동 증폭기(119)에 도달하기 때문에, 한 쌍의 신호 스위치 MOS 트랜지스터(117 및 117')와 한 쌍의 수평 선택 MOS 트랜지스터(112 및 112')의 특성 편차가 수직으로 상관을 갖는 줄무늬(streaks)의 고정 패턴 잡음으로 화면에 나타난다. 그러므로, 이 구조도 수직 줄무늬의 고정 패턴 잡음을 억제하기 위한 외부 보정 회로를 또한 필요로 한다.
본 발명의 목적은 소자 내의 각 단위 픽셀의 특성 편차로부터 기인하는 고정 패턴 잡음과 또한 수직 줄무늬의 다른 고정 패턴 잡음을 소자내에서 억제할 수 있는 개량된 증폭형 고체 이미지 센서를 제공하는 것이다. 그리고, 본 발명의 다른 목적은 상기 이미지 센서를 구동하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 첫번째 특징에 의하면, 입사광을 전기 신호 전하로 변환한 후 상기 광전 변환을 통하여 얻어진 상기 신호 전하를 저장하기 위한 광전 변환 소자, 상기 광전 변환 소자에 저장된 신호 전하를 전기 신호로 변환하기 위한 증폭 소자, 및 상기 전기 신호를 픽셀 신호로서 상기 증폭 소자로부터 신호선으로 선택적으로 출력하기 위한 선택 스위치를 각각 구비하고 있는 단위 픽셀들; 및 관련 단위 픽셀로부터 픽셀 신호가 출력될 때마다 상기 광전 변환 소자를 리셋하기 위하여 상기 단위 픽셀들의 각각에 있는 리셋 회로를 포함하는 고체 이미지 센서가 제공되어 있다.
본 발명의 두번째 특징에 의하면, 상기 구조의 고체 이미지 센서를 구동하는 방법이 제공되어 있다. 상기 방법은 픽셀 신호가 상기 관련 단위 픽셀로부터 출력될 때마다 상기 광전 변환 소자를 리셋하는 단계; 및 각 단위 픽셀로부터 리셋 전 신호와 리셋 후 신호를 도출하여 이 리셋 전 신호와 리셋 후 신호 사이의 차이를 취하는 단계를 포함한다.
본 발명의 세번째 특징에 의하면, 대상체의 이미지를 형성하기 위하여 상기 대상체로부터의 입사광을 집광하기 위한 광학 시스템; 상기 광학 시스템에 의하여 형성된 광이미지를 전기 신호 전하로 변환한 후 상기 광전 변환을 통하여 얻어진 상기 신호 전하를 저장하기 위한 광전 변환 소자, 상기 광전 변환 소자에 저장된 신호 전하를 전기 신호로 변환하기 위한 증폭 소자, 및 상기 전기 신호를 픽셀 신호로서 상기 증폭 소자로부터 신호선으로 선택적으로 출력하기 위한 선택 스위치를 각각 구비하고 있는 단위 픽셀들과, 관련 단위 픽셀로부터 픽셀 신호가 출력될 때마다 상기 광전 변환 소자를 리셋하기 위하여 상기 단위 픽셀들의 각각에 있는 리셋 회로를 포함하는 고체 이미지 센서; 상기 고체 이미지 센서를 구동할 수 있는 구동기; 및 상기 고체 이미지 센서의 출력 신호를 처리하기 위한 신호 처리기를 포함하는 카메라가 제공되어 있다.
상술한 구조의 고체 이미지 센서를 구성하는 각각의 단위 픽셀에 있어서, 픽셀 신호가 출력될 때마다 광전 변환 소자가 리셋되어서, 리셋 전 신호와 리셋 후 신호가 매 픽셀마다 각각의 단위 픽셀로부터 순차적으로 출력된다. 이 경우에 있어서, 픽셀의 특성 편차에 기인한 고정 패턴 잡음이 각 픽셀의 증폭 소자로부터 오프셋 성분으로서 생성된다. 그러므로, 리셋 전 신호와 리셋 후 신호 사이의 차이를 취함으로써 잡음 성분은 상쇄될 수 있다. 또한, 2차원 고체 이미지 센서에 있어서, 리셋 전 신호와 리셋 후 신호는 수직 신호선으로부터 수평 신호선으로의 동일한 신호 경로를 통하여 출력되므로, 수직으로 상관을 갖는 줄무늬 형상 잡음 성분도 원리적으로 생성되지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명될 것이다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예의 구조를 도시한 블록도이다.
도 1에 있어서, 점선으로 둘러싸인 영역이 단위 픽셀(11)을 나타낸다. 단위 픽셀(11)은 광전 변환 소자인 광다이오드(PD)(12), 증폭 소자인 증폭 MOS 트랜지스터(13), 선택 스위치인 선택 MOS 트랜지스터(14), 리셋 스위치인 리셋 MOS 트랜지스터(15) 및 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)로 구성되어 있다. 전체 단위 픽셀은 행과 열의 매트릭스를 형성하기 위하여 2차원으로 배열되어 있다. 블록도를 단순화하기 위하여, 단지 한 개의 단위 픽셀(m번째 열, n번째 행)(11)만 여기에 도시되어 있다.
이 단위 픽셀(11)에 있어서, 광다이오드(12)는 입사광의 광전 변환을 수행하고 상기 광전 변환을 통하여 얻어진 신호 전하를 저장하는 기능을 가지고 있다. 증폭 MOS 트랜지스터(13)의 게이트 전극은 광다이오드(12)의 케소드 전극에 접속되어 있고, 증폭 MOS 트랜지스터(13)의 드레인 전극은 전원선(VDD)(17)에 접속되어 있다. 그리고, 선택 MOS 트랜지스터(14)는 증폭 MOS 트랜지스터(13)의 소스 전극과 수직 신호선(18) 사이에 접속되어 있다.
리셋 MOS 트랜지스터(15)는 광다이오드(12)의 케소드 전극과 전원선(17) 사이에 접속되어 있고, 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)는 리셋 MOS 트랜지스터(15)의 게이트 전극과 수평 리셋선(19) 사이에 접속되어 있다. 리셋 MOS 트랜지스터(15)와 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)의 각각은 디플리션형 트랜지스터로 구성되어 있다. 이 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)의 게이트는 선택 MOS 트랜지스터(14)의 게이트 전극과 함께 수직 선택선(20)에 접속되어 있다. 수평 선택 MOS 트랜지스터 (22)는 수직 신호선(18)과 수평 신호선(21) 사이에 접속되어 있다.
또, 행-선택 수직 주사 회로(23)와 열-선택 수평 주사 회로(24)가 제공되어 있다. 수직 주사 회로(23)로부터 출력되는 수직 주사 펄스 ΦVn는 수직 선택선(20)에 인가되고, 수평 주사 회로(24)로부터 출력되는 수평 리셋 펄스 ΦHRm는 수평 리셋선(19)에 인가되고, 수평 주사 펄스 ΦHSm는 수평 선택 MOS 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 각각 인가된다. 그래서, 수평 주사 회로(24)가 또한 수평 리셋 펄스 ΦHRm를 생성하는 리셋 회로를 겸하고 있기 때문에, 회로 구성은 간단해 진다.
리셋 전 신호와 리셋 후 신호 사이의 차를 취하는 차분 회로로서 간단한 구성의 상관 이중 샘플링 회로(이후 CDS 회로로 칭함)(25)가 수평 신호선(21)의 출력 엔드(end)에 제공되어 있다. 이 CDS 회로(25)의 확실한 구성은 추후에 그 동작과 함께 상세히 설명될 것이다. CDS 회로(25)의 출력 엔드는 이미지 센서의 출력 단자(26)에 접속되어 있다.
상기 구조의 제1 실시예의 증폭형 고체 이미지 센서의 동작이 도 2의 타이밍도를 참조로 하여 이하에 설명될 것이다.
광전 변환을 통하여 광다이오드(12)에 저장된 신호 전하는 증폭 MOS 트랜지스터(13)에 의하여 전기 신호로 변환된다. 이어서, 수평 비디오 주기동안, 수직 주사 펄스 ΦVn가 수직 주사 회로(23)로부터 출력되어, 수직 선택선(20)을 통하여 선택 MOS 트랜지스터(14)와 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)의 각각의 게이트 전극에 인가된다. 따라서, 이들 MOS 트랜지스터(14 및 16)가 "온"되어서, 신호 전류가 선 택 MOS 트랜지스터(14)를 통하여 수직 신호선(18)에 나타난다.
이 수평 비디오 주기동안, 수평 주사 펄스 ΦHSm는 수평 주사 회로(24)로부터 출력되고, 수평 선택 MOS 트랜지스터(22)의 게이트 전극에 인가된다. 따라서, MOS 트랜지스터(22)는 "온"되고 수직 신호선(18)에 나타나는 신호 전류는 수평 선택 MOS 트랜지스터(22)를 통하여 수평 신호선(21)에 흐르게 되고, 그로 인하여 신호 전류가 수평 신호선(21)을 통하여 CDS 회로(25)에 공급된다.
바로 그 후에, 신호 전류를 출력한 관련 픽셀에 대하여 수평 리셋 펄스 ΦHRm가 수평 주사 회로(24)로부터 수평 리셋선(19)으로 공급된다. 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)는 이때에 "온"상태에 있기 때문에, 수평 리셋 펄스 ΦHRm가 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)를 통하여 리셋 MOS 트랜지스터(15)의 게이트 전극에 인가된다. 결과적으로, 리셋 MOS 트랜지스터(15)는 광다이오드(12)를 VDD 레벨로 리셋하기 위하여 "온"된다.
도 2의 타이밍도로부터 확실히 알 수 있듯이, 이 수평 리셋 펄스 ΦHRm는 수평 주사 펄스 ΦHSm가 생성되어 있는 중간 시점에서 충분히 생성된다. 그러므로, 수평 리셋 펄스 ΦHRm의 소멸이후의 광다이오드(12)의 전하 (잡음 성분) 즉, 리셋 후 신호 전하는 증폭 MOS 트랜지스터(13)에 의하여 전류로 변환되고, 이 리셋 전류는 "온"-상태 선택 MOS 트랜지스터(14), 수직 신호선(18) 및 "온"-상태 수평 선택 MOS 트랜지스터(22)를 통하여 수평 신호선(21)으로 흐르고, 이어서 상기 리셋 전류는 수평 신호선(21)을 통하여 CDS 회로(25)로 공급된다.
전술된 일련의 동작에 의하여, 신호 출력과 리셋 출력은 한 픽셀(11)에 대하 여 신호 출력 -> PD 리셋 -> 잡음 출력의 형태로 순차적으로 얻어진다. 상기 동작은 수평 주사 회로(24)에 의하여 순차적인 픽셀의 선택으로 수직 주사 회로(23)에 의하여 선택된 픽셀 행에 대하여 수행되어, m번째 열, n번째 행 (신호 출력 -> PD 리셋 -> 잡음 출력), (m+1)번째 열, n번째 행 (신호 출력 -> PD 리셋 -> 잡음 출력) 등의 순으로 출력이 수평 신호선(21)에 전송되고, 다음으로 CDS 회로(25)에 공급된다. 이어서, 상관 이중 샘플링이 리셋 전 신호와 리셋 후 잡음 출력에 기초하여 CDS 회로(25)에서 수행되어서, 증폭 MOS 트랜지스터(13)에서의 특성 편차를 주로 제거한다.
도 3은 CDS 회로(25)의 실제적인 구성의 예를 도시하고 있다. 이 회로(25)는 입력 엔드가 입력 단자(31)에 접속되어 있는 전류-전압 변환기(32), 한 쪽 엔드가 전류-전압 변환기(32)의 출력 엔드에 접속되어 있는 클램프 커패시터(33), 한 쪽 주 전극이 클램프 커패시터(33)의 다른 쪽 엔드에 접속되어 있는 클램프 MOS 트랜지스터(34), 한 쪽 주 전극이 클램프 커패시터(33)의 다른 쪽 엔드에 접속되어 있는 샘플 홀드 MOS 트랜지스터(35), 샘플 홀드 MOS 트랜지스터(35)의 다른 주전극과 그라운드 사이에 접속되어 있는 샘플 홀드 커패시터(36) 및 샘플 홀드 MOS 트랜지스터(35)의 다른 주전극과 출력 단자(38) 사이에 접속되어 있는 버퍼 증폭기(37)를 포함하고 있다.
이 CDS 회로(25)에 있어서, 전류-전압 변환기(32)는 반전 (-) 입력으로는 입력 단자(31)을 통하여 공급되는 신호 전류을 받아들이고, 또한 비반전 (+) 입력으로는 선정된 바이어스 전압을 받아들이는 차동 증폭기(39)와 차동 증폭기(39)의 반 전 입력과 출력 엔드 사이에 접속되어 있는 귀환 저항(40)으로 구성되어 있다. 이 변환기(32)는 신호 전류를 신호 전압으로 변화시키는 역할을 한다. 클램프 전압 Vc1이 클램프 MOS 트랜지스터(34)의 다른 주전극에 인가되고, 클램프 펄스 ΦCL는 클램프 MOS 트랜지스터(34)의 게이트 전극에 인가된다.
그래서, 상기 구성의 CDS 회로(25)를 차분 회로로 사용하여 리셋 전 신호 출력과 리셋 후 잡음 출력에 기초한 상기 상관 이중 샘플링으로 인하여, 매 픽셀마다의 증폭 MOS 트랜지스터(13)의 특성 편차, 특히 MOS 트랜지스터의 문턱 전압 (Vth) 편차를 제거하는 것이 가능하다.
상술된 대로, 각 단위 픽셀(11)의 광다이오드(12)는 한 번의 픽셀 신호가 출력될 때마다 리셋되고, 상관 이중 샘플링이 리셋 전 신호 출력과 리셋 후 잡음 출력에 기초하여 실행된다. 그래서, 픽셀의 특성 편차에 기인한 고정된 패턴 잡음과 또한 수직 신호선(18)에 접속된 스위치 소자 (수평 선택 MOS 트랜지스터(22))에서의 특성 편차에 기인한 수직 줄무늬의 고정 패턴 잡음을 억제한다.
픽셀의 특성 편차에 기인한 고정 패턴 잡음은 단위 픽셀(11)의 증폭 MOS 트랜지스터(13)로부터의 오프셋 성분으로 생성되어서, 이 잡음은 리셋 전 신호와 리셋 후 신호의 상관 이중 샘플링을 행함으로써 기본적으로 제거될 수 있다. 수직 신호선(18)에 접속되어 있는 스위치 소자의 특성 편차에 기인한 다른 수직 줄무늬 고정 패턴 잡음의 경우, 분리된 스위치 소자 (예로서, 수평 선택 MOS 트랜지스터(22))를 통하지 않고, 동일한 신호 경로를 통하여 픽셀 리셋 전 신호와 리셋 후 신호를 공급하기 위하여 회로 구성이 고안되어서, 원칙적으로 상기 잡음의 생성을 막 는다.
광다이오드(12)의 리셋 동작에 관한 더 상세한 설명은 이하에 주어질 것이다. 도 1에서 분명하게 도시된 바와 같이, 리셋 MOS 트랜지스터(15)와 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)의 각각은 디플리션형 트랜지스터로 구성되어 있다.
인핸스먼트형 (enhancement type) 트랜지스터가 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)로서 채용될 경우, 광다이오드(12)를 VDD 레벨로 리셋할 때, 수직 주사 펄스 ΦVn에 의하여 선택된 상태에서 수평 리셋 펄스 ΦHRm가 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)의 드레인 전극에 인가되면, 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)가 도 4a에 도시된 바와 같이 포화 영역에서 동작해서, 소스 전위가 드레인 전위보다 낮아진다.
또, 디플리션형 트랜지스터가 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)로서 채용될 경우, 이 트랜지스터는 도 4b에 도시된 바와 같이 선형 영역에서 동작해서 소스 전위가 충분히 드레인 전위에 육박한다. 마찬가지로, 인핸스먼트형 트랜지스터가 리셋 MOS 트랜지스터(15)로 채용될 경우, 리셋이 포화 영역에서 수행되어, 만약 리셋 시간이 짧으면 약간의 전하가 제거되지 않은 채 남아있어 잔상이 발생한다. 그러나, 디플리션형 트랜지스터가 채용될 경우, 리셋이 선형 영역에서 수행되어 잔류 전하가 없이 완전한 리셋 동작이 이루어진다.
다음, 상기 구조의 실시예의 증폭형 고체 이미지 센서의 동작이 도 2의 타이밍도를 기본으로 하여 도 5의 전위도를 참조로 이하에 설명될 것이다.
선택된 픽셀의 신호 판독 모드 (도 2의 타이밍(a))에 있어서, 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)가 수직 주사 펄스 ΦVn에 의하여 "온"되어서, 소스 전위에 대응하 는 수평 리셋 펄스 ΦHRm의 저레벨 전위가 리셋 MOS 트랜지스터(15)의 게이트 전극에 인가된다. 이 MOS 트랜지스터(15)는 이 때는 "온"되지 않기 때문에, 광다이오드(12)에 저장된 신호 전하는 증폭 MOS 트랜지스터(13)에 의하여 신호 전류로 변환된다.
선택된 픽셀의 리셋 모드 (도 2의 타이밍(b))에 있어서, 고레벨 수평 리셋 펄스 ΦHRm가 "온"상태의 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)를 통하여 리셋 MOS 트랜지스터(15)의 게이트 전극에 인가되어, 리셋 MOS 트랜지스터(15)가 "온"되어 선형 영역에서 광다이오드(12)를 VDD 레벨까지 완전히 리셋한다.
선택된 픽셀의 잡음 레벨 판독 모드 (도 2의 타이밍(c))에 있어서, 수평 리셋 펄스 ΦHRm가 저레벨에 있으므로, 저레벨 전위가 "온" 상태에 있는 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)를 통하여 리셋 MOS 트랜지스터(15)의 게이트 전극에 인가되어, 리셋 MOS 트랜지스터(15)는 "오프"된다. 결과적으로, 리셋 레벨이 증폭 MOS 트랜지스터(13)에 의하여 잡음 전류로 변환된다. 동시에, 이 시점에서 다음 프레임의 저장이 시작된다.
신호 전하 저장 모드 (도 2의 타이밍(d))에 있어서, 다른 행과 열을 판독할 때, 수직 주사 펄스 ΦVn는 저레벨로 변한다. 그러나, 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)가 디플리션형이기 때문에, 리셋 MOS 트랜지스터(15)의 게이트 전극이 부동 상태에 위치함이 없이 저레벨로 유지된다.
비선택된 픽셀의 리셋 모드 (도 2의 타이밍(e))에 있어서, 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)의 드레인이 고레벨 수평 리셋 펄스 ΦHRm에 의하여 VDD 레벨로 되고, 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)의 게이트 전극의 저레벨에 대응하는 전위가 리셋 MOS 트랜지스터(15)의 게이트 전극에 인가된다. 광다이오드(12)에 있어서, 공핍 리셋 게이트는 횡단 (transverse) 오버플로우 차단막으로서 직접 역할하고, 이 레벨 이상의 과잉 전하는 전원 공급 소자로 보내진다. 그리고, 오버플로우 차단막은 이 시점에서 낮아지고, 그것에 의하여 오버플로우 레벨이 결정된다.
각 단위 픽셀의 구조에 관하여는, 도 6 또는 7에 도시된 바와 같이, 리셋 MOS 트랜지스터(15)와 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)가 광다이오드(12)의 캐소드 전극(12)와 전원선(17)의 사이에 직렬로 접속되어 있고, 수평 리셋 펄스 ΦHRm 또는 수직 주사 펄스 ΦVn가 리셋 MOS 트랜지스터(15)의 게이트 전극에 인가되고, 수직 주사 펄스 ΦVn 또는 수평 리셋 펄스 ΦHRm가 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)의 게이트 전극에 인가된다.
그러나, 상기 구조예에 있어서, 잡음 레벨을 판독시 리셋 MOS 트랜지스터(15)와 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)에 의하여 얻어지는 피드스루(feedthrough)는 신호 레벨 판독시의 피드스루와는 다르다는 약점이 있어서, 픽셀마다 약간의 편차를 야기한다. 상기 현상의 이유는 도 6의 구조에 대응하는 도 8의 전위도를 참조하여 이하에 설명될 것이다.
먼저, 상태 1가 수직 주사 펄스 ΦVn의 생성에 의하여 픽셀이 선택되고 리셋이 수평 리셋 펄스 ΦHRm의 생성에 의하여 수행되는 조건을 나타낸다고 가정해 보자. 상태 1에서, 광다이오드(12)는 VDD 레벨로 리셋된다. 이어서, 상태 2에서, 수평 리셋 펄스 ΦHRm가 소멸되고, 리셋 MOS 트랜지스터(15)가 "오프"일 때, 광다 이오드(12)의 전위가 피드스루 때문에 VDD 레벨보다 미소하게 낮아진다. 이 상태에서는 잡음 레벨 판독 모드를 가정한다.
상태 3에서, 비선택 모드는 수직 주사 펄스 ΦVn의 소멸을 가정하고 있다. 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)가 "오프"일 때, 리셋 MOS 트랜지스터(15)와 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16) 사이의 확산 영역의 전위는 피드스루로 인하여 VDD 레벨보다 미소하게 얕아진다.
상태 4는 광다이오드(12)의 전위가 저장된 전하에 의하여 얕아진 전하 저장 조건을 나타낸다. 샹태 5는 다른 행의 동일 열이 리셋 상태인 비선택 리셋 조건을 나타낸다. 이 상태에서는, 리셋 MOS 트랜지스터(15)가 수평 리셋 펄스 ΦHRm의 생성에 의하여 "온"되어서, 신호 전하, 리셋 게이트 피드스루 및 리셋 선택 게이트 피드스루가 조정된다.
상태 6에서, 리셋 게이트 피드스루는 수평 리셋 펄스 ΦHRm의 소멸시에 광다이오드(12)에 더 추가된다. 상태 5와 상태 6은 다른 행의 판독 주기동안 반복된다. 상태 7에서, 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)는 수직 주사 펄스 ΦVn의 생성에 의하여 "온"되고, 신호 레벨은 이 상태에서 판독된다. 그 후, 동작은 상태 1로 되돌아 온다.
도 8의 전위도의 상태 2와 상태 7의 비교로부터 알 수 있듯이, 상태 2에서 잡음 레벨 판독시의 피드스루로 인하여 광다이오드(12)에 저장된 전하량은 상태 7에서 신호 레벨 판독시에 저장된 전하량과 다르다. 문턱 전압 편차의 경우와 유사하게 피드스루량은 각각의 트랜지스터에 따라 다르기 때문에, 신호 레벨 판독 모드 와 잡음 레벨 판독 모드 사이의 피드스루 차이는 픽셀 편차를 억제하기 위하여 사용된 CDS 회로(25)에서 상쇄될 수 없다.
도 9의 전위도에서 알 수 있듯이, 리셋 MOS 트랜지스터(15)와 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)가 상호 역전 관계로 접속되어 있는 도 7의 구조에서도, 도 6의 구조에서와 동일한 단점이 여전히 존재한다.
대조적으로, 본 실시예는 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)의 소스 전극이 리셋 MOS 트랜지스터(15)의 게이트 전극에 접속되도록 고안되어서, 수평 리셋 펄스 ΦHRm이 리셋 선택 MOS 트랜지스터(16)의 드레인 및 소스 전극을 통하여 리셋 MOS 트랜지스터(15)의 게이트 전극에 인가된다. 그러므로, 잡음 판독 모드나 신호 판독 모드시, 동작이 리셋 선택 게이트에 관하여 피드스루에 의하여 동작이 불리한 영향을 받지 않아서, 다음 단계의 CDS 회로(25)가 픽셀마다의 리셋 게이트로부터 기인한 피드스루를 억제할 수 있게 된다.
도 10은 1차원 고체 이미지 센서에 적용된 본 발명의 제2 실시예의 구조를 도시한 블록도이다.
도 10에서, 점선으로 둘러싸인 영역이 단위 픽셀(51)을 나타낸다. 이 단위 픽셀(51)은 광전 변환 소자로서 광다이오드 (PD)(52), 증폭 소자로서 증폭 MOS 트랜지스터(53), 선택 스위치로서 선택 MOS 트랜지스터(54) 및 리셋 스위치로서 리셋 MOS 트랜지스터(55)로 구성되어 있다. 전체 단위 픽셀은 1차원 배열로 선형적으로 배열되어 있다.
이 단위 픽셀(51)에 있어서, 광다이오드(52)는 입사광의 광전 변환을 수행하 고 상기 광전 변환을 통하여 얻어진 신호 전하를 저장하는 기능을 가지고 있다. 증폭 MOS 트랜지스터(53)의 게이트 전극은 광다이오드(52)의 캐소드 전극에 접속되어 있고, 증폭 MOS 트랜지스터(53)의 드레인 전극은 전원 소자선 (VDD)(56)에 접속되어 있다.
선택 MOS 트랜지스터 (54)는 증폭 MOS 트랜지스터(53)의 소스 전극과 신호선 (57)의 사이에 접속되어 있다. 리셋 MOS 트랜지스터(55)는 광다이오드(52)의 캐소드 전극과 전원 소자선(56) 사이에 접속되어 있다. 리셋 MOS 트랜지스터(55)는 디플리션형 MOS 트랜지스터로 구성되어 있다.
또한, 주사 회로(58)는 1 차원으로 배치된 단위 픽셀(51)을 순차적으로 선택하기 위하여 구비되어 있다. 주사 회로(58)로부터 출력된 주사 펄스 ΦHSm는 선택 MOS 트랜지스터(54)의 게이트 전극에 인가되고, 리셋 펄스 ΦHRm는 설정 MOS 트랜지스터(55)의 게이트 전극에 각각 인가된다. 그래서, 주사 회로(58)가 리셋 펄스 ΦHRm을 생성하는 리셋 회로로 또한 역할하기 때문에 회로 구성이 단순해진다.
단순 구조의 CDS 회로(59)는 픽셀 리셋 전 신호와 리셋 후 신호 사이의 차이를 취하는 차분 회로로 역할하기 위하여 신호선(57)의 출력쪽에 제공되어 있다. 앞서의 제1 실시예와 동일하게, 이 CDS 회로(59)는 도 3에 도시된 바와 같이 구성되어 있다.
상기 구조의 제2 실시예의 증폭형 고체 이미지 센서의 동작은 도 4를 참조하여 이하에 설명될 것이다.
먼저, 광전 변환을 통하여 광다이오드(52)에 저장된 신호 전하 (전자)는 증 폭 MOS 트랜지스터(53)에 의하여 전기 신호로 변환된다. 그리고, 주사 펄스 ΦHSm가 주사 회로(58)로부터 출력될 때, 선택 MOS 트랜지스터(54)는 "온"되고, 신호 전류는 선택 MOS 트랜지스터(54)를 통하여 신호선(57)을 통하여 CDS 회로(59)로 공급된다.
바로 그 후에, 리셋 펄스 ΦHRm가 신호 전류를 출력한 관련 픽셀과 관련된 주사 회로(58)로부터 출력되고, 이 펄스는 리셋 MOS 트랜지스터(55)의 게이트 전극에 인가된다. 리셋 MOS 트랜지스터(55)는 이 시점에서 "온"되기 때문에, 광다이오드(52)는 VDD 레벨로 리셋된다.
도 11의 타이밍도로부터 알 수 있듯이, 이 리셋 펄스는 ΦHRm 주사 펄스 ΦHSm의 유지 기간 (고레벨 주기)에 생성된다. 그러므로, 리셋 펄스 ΦHRm의 소멸 후의 광다이오드(52)의 전하 (잡음 성분) 즉, 광다이오드(52)의 리셋 후 신호 전하는 증폭 MOS 트랜지스터(53)에 의하여 전류로 변환되고, 이 리셋 전류는 "온" 상태의 선택 MOS 트랜지스터(54)를 통하여 신호선(57)으로 흐르며, 이어서 상기 리셋 전류는 신호선(57)을 통하여 CDS 회로(59)로 공급된다.
앞서 언급된 일련의 동작에 의하여, 신호 출력과 리셋 출력은 한 개의 픽셀(51)에 대하여 신호 출력 -> PD 리셋 -> 잡음 출력의 형식으로 순차적으로 얻어지고, 다음으로 CDS 회로(59)에 공급된다. 이어서, 상관 이중 샘플링이 이 CDS 회로(59)에서 상기 리셋 전 신호 출력과 리셋 후 잡음 출력에 기초하여 수행된다. 그래서, 주로 증폭 MOS 트랜지스터(53)에서의 특성 편차를 제거한다.
이제 광다이오드(52)의 리셋 동작에 대하여 이하에서 상세하게 설명될 것이 다. 도 10에서 알 수 있듯이, 리셋 MOS 트랜지스터(55)는 디플리션형 트랜지스터로 구성되어 있다.
인핸스먼트형 트랜지스터가 리셋 MOS 트랜지스터(55)로 채용되었을 경우, 광다이오드(52)를 VDD 레벨로 리셋 하였을 때, 만약 리셋 펄스 ΦHRm에 의하여 선택된 상태에서 전원 공급 소자로부터 VDD 전압이 드레인 전극에 인가된다면, 리셋 MOS 트랜지스터(55)는 도 4a에 도시된 바와 같이 포화 영역에서 동작한다. 그래서, 소스 전위가 드레인 전위보다 낮게 되고, 만약 리셋 시간이 짧으면 약간의 전하가 제거되지 않은 채 남아 있어서, 잔상을 야기시킨다.
또한, 디플리션형 트랜지스터가 리셋 MOS 트랜지스터(55)로 채용될 경우, 이 트랜지스터는 도 4b에 도시된 바와 같이 선형 영역에서 동작하여, 소스 전위가 충분히 드레인 전위에 이르러 잔류 전하가 없이 완전한 리셋을 성취할 수 있다.
다음, 상기 구조의 제2 실시예의 증폭형 고체 이미지 센서의 동작이 도 11의 타이밍도를 바탕으로 도12의 전위도를 참조하여 이하에 설명될 것이다.
신호 판독 모드 (도 11의 타이밍(a))에 있어서, 리셋 MOS 트랜지스터(55)는 "온"되지 않아서, 광다이오드(52)에 저장된 신호 전하가 증폭 MOS 트랜지스터(53)에 의하여 신호 전류로 변환된다.
리셋 모드 (도 11의 타이밍(b))에 있어서, 고레벨 리셋 펄스 ΦHRm가 리셋 MOS 트랜지스터(55)의 게이트 전극에 인가되어서, 리셋 MOS 트랜지스터(55)가 "온"되어 광다이오드(52)를 선형 영역에서 VDD 레벨까지 완전히 리셋한다.
잡음 레벨 판독 모드 (도 11의 타이밍(c))에 있어서, 리셋 펄스 ΦHRm가 저 레벨에 있으므로, 리셋 MOS 트랜지스터(55)는 "오프"된다. 결과적으로 리셋 레벨은 증폭 MOS 트랜지스터(53)에 의하여 잡음 전류로 변환된다. 동시에, 다음 프레임의 저장이 이 시점에서 시작된다 (도 11의 타이밍(d)).
광다이오드(52)에 있어서, 공핍 리셋 게이트는 직접적으로 횡단 오버플로우 차단벽으로 역할하고, 이 레벨 이상의 과잉 전하는 전원 공급 소자로 보내진다. 오버플로우 레벨은 리셋 MOS 트랜지스터(55)의 게이트 전위의 저레벨에 대응한다.
도 13은 전술한 고체 이미지 센서와 그 구동방식을 채용한 본 발명의 카메라 구조의 예를 도시한 개략도이다.
도 13에 있어서, 물체로부터의 입사광은 렌즈(210)를 포함하는 광학 시스템에 의하여 고체 이미지센서(220)의 이미지 형성 면에 촛점이 맞추어 진다. 고체 이미지 센서(220)는 상술된 구조를 가지고 있다. 이 이미지 센서는 도시되지 않은 타이밍 생성기를 포함하는 구동기(230)를 수단으로 전술된 방법에 기초하여 구동된다.
고체 이미지 센서(220)의 출력 신호는 신호 처리기(240)에서 다양한 단계를 거쳐 처리되어서 비디오 신호가 된다.
본 발명의 완전하고 명료한 공개를 위하여 구체적인 실시예를 들어 설명되었지만, 첨부된 청구 범위는 이에 제한되는 것이 아니라, 본 기술 분야에서 숙련된 자가 여기에 설명된 기본적 지식의 범위 안에서 실시할 수 있는 모든 수정 및 대안 실시예를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
그러므로, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 결정되어져야 한 다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 증폭 기능을 갖는 단위 픽셀이 행렬 형상으로 2차원 배치되어 이루어지는 고체 이미지 센서에서, 단위 픽셀 각각에서 픽셀 신호를 출력할 때마다 광전 변환 소자를 완전 리셋하는 구성으로 함으로써, 각 픽셀에 의해 신호 성분과 잡음 성분을 순차적으로 출력할 수 있으므로, 리셋 전후의 차분을 취함으로써 고정 패턴 잡음을 억제할 수 있다. 또한, 각 픽셀을 완전 리셋하고 있으므로 잔상의 발생도 없으며, 또한 신호 성분과 잡음 성분이 수직 신호선으로부터 수평 신호선으로의 동일한 경로를 통하여 출력되므로, 줄무늬 형상의 발생도 억제할 수 있다.

Claims (2)

  1. 고체 이미지 센서에 있어서,
    입사광을 전기 신호 전하로 변환한 후 이러한 광전 변환을 통하여 얻어진 신호 전하를 저장하기 위한 광전 변환 소자, 상기 광전 변환 소자로부터의 상기 신호 전하를 전기 신호로 변환하기 위한 증폭 소자, 및 상기 신호 전하를 리셋하며 디플리션(depletion) 트랜지스터인 리셋 소자를 각각 포함하는 단위 픽셀들을 포함하며,
    상기 증폭 소자는 상관 이중 샘플링 동작을 위해 리셋 전하 레벨 및 신호 전하 레벨의 전기 신호를 출력하는 고체 이미지 센서.
  2. 고체 이미지 센서에 있어서,
    입사광을 전기 신호 전하로 변환한 후 이러한 광전 변환을 통하여 얻어진 신호 전하를 저장하기 위한 광전 변환 소자, 상기 광전 변환 소자 내에 저장된 상기 신호 전하를 전기 신호로 변환하기 위한 증폭 소자, 및 상기 광전 변환 소자에 의해 생성된 상기 전기 신호 전하를 리셋하기 위한 리셋 소자를 각각 포함하는 단위 픽셀들을 포함하며,
    상기 증폭 소자에 의해 증폭된 상기 리셋 후 신호와 상기 전기 신호 전하에 기초하고 상기 증폭 소자에 의해 증폭된 이미지 신호는 모두 공통 신호 경로를 통해 상관 이중 샘플링부에 출력되는 고체 이미지 센서.
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