KR100691266B1 - Ｃｍｏｓ 이미지 센서의 단위 화소 - Google Patents

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Abstract

포토 다이오드에서 발생하는 암전류를 보상하여 구동범위를 향상시킬 수 있는 CMOS 이미지 센서의 단위 화소가 개시된다. 상기 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는, 광전하를 생성 및 저장하는 포토 다이오드; 상기 포토 다이오드에 저장된 전하를 게이트로 입력받아 전기신호로 출력하며 드레인에 전원전압이 인가되는 드라이브 트랜지스터; 상기 드라이브 트랜지스터의 게이트 전압을 입력 받아, 상기 출력 전압이 한계 레벨 보다 작은 경우 이미지 센서가 포화 상태인 것으로 판단하는 포화 감지 수단; 및 상기 포화 감지 수단의 포화 상태 판단에 따라 상기 전원전압과 상기 드라이브 트랜지스터의 게이트의 연결을 단락/개방하는 스위칭 수단을 포함하여 구성된다.
CMOS, 이미지 센서, 포토 다이오드, 암전류(dark current)

Description

ＣＭＯＳ 이미지 센서의 단위 화소{A UNIT PIXEL OF CMOS IMAGE SENSOR}
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소의 동작을 설명하는 타이밍도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
PD: 포토다이오드 Q1: 리셋 트랜지스터
Q2: 드라이브 트랜지스터 Q3: 셀렉트 트랜지스터
Q4: 스위칭 트랜지스터 Q5: p채널 MOSFET
Q6: n채널 MOSFET VDD: 전원전압
본 발명은 CMOS 이미지 센서의 단위 화소(픽셀: pixel)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 CMOS 이미지 센서의 단위 화소에 포함된 포토 다이오드의 암전류로 인해 드라이버 트랜지스터가 빨리 포화되는 것을 방지하기 위해, 상기 암전류를 보상하는 보상 전류를 상기 포토 다이오드에 제공함으로써, 암전류를 보상하고 빨리 포화되는 것을 방지하며 구동범위(Dynamic range)를 증가시킬 수 있는 CMOS 이미지 센서의 단위 화소에 관한 것이다.
일반적으로 자연계에 존재하는 각 피사체들은 부분별로 빛의 밝기 및 파장이 서로 다르게 나타난다. 이미지 센서는 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 피사체의 서로 다른 밝기 및 파장을 신호 처리 가능한 레벨의 전기적인 값으로 출력하는 소자이다.
보통 상기 이미지 센서는 단위 화소로 사용되며, 다수의 이미지 센서를 소정 규격의 행렬로 배치하여 화소 어레이를 구현하고, 이러한 화소 어레이를 통해 일정 규격의 이미지를 촬상한다.
상술한 이미지 센서는 빛에 반응하는 반도체 소자와, 상기 반도체 소자의 전기적 변화를 소정 레벨의 전기적인 신호로 출력하기 위한 다수의 트랜지스터로 이루어진다.
도 1은 종래의 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 회로도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는, 빛에 반 응하여 용량 값이 변화되는 포토 다이오드(PD)와, 다음 신호의 검출을 위해 상기 포토 다이오드(PD)를 리셋시키는 리셋 트랜지스터(Q1)와, 상기 포토 다이오드(PD)에 저장된 전기신호에 의하여 소스 팔로워(source follower) 역할을 수행하는 드라이브 트랜지스터(Q2)와, 감지 값의 출력을 선택하는 셀렉트 트랜지스터(Q3)로 이루어진다.
즉, 리셋 신호(Rx)에 의하여 상기 리셋 트랜지스터(Q1)가 일정 시간 동안 온되면 상기 포토 다이오드(PD)에 잔류하던 전하가 방출되면서 초기화된 후, 빛에 반응한 용량 값에 비례한 량의 전류가 포토 다이오드(PD)에 저장되고, 드라이브 트랜지스터(Q2)는 상기 포토 다이오드(PD)의 전압을 설정된 범위의 전기신호(출력 전압)로 증폭하여 출력하며, 상기 드라이브 트랜지스터(Q2)로부터 출력되는 출력 전압은 셀렉트 트랜지스터(Q3)가 턴온됨에 의해 화소 어레이의 어드레싱 순서에 맞춰 출력된다.
이러한 종래의 CMOS 이미지 센서에서, 상기 포토 다이오드(PD)는 빛에 전혀 노출되지 않은 경우에도 일종의 누설 전류인 암전류(dark current)를 발생시킨다. 즉, 상기 암전류로 인해 빛이 전혀 수광되지 않는 경우에도 상기 드라이브 트랜지스터(Q2)는 출력 전압을 발생시키게 된다.
이러한 암전류가 상기 드라이브 트랜지스터(Q2)로 인가됨으로써, 상기 드라이버 트랜지스터(Q2)가 포화(saturation)되는 시간이 짧아진다. 다시 설명하면, 빛이 포토 다이오드(PD)에 수광되는 경우 생성되는 전류에 상기 암전류가 더해져서, 포화되는 시간이 짧아진다. 따라서, 포토 다이오드(PD)에서 발생하는 암전류로 인해 CMOS 이미지 센서의 구동범위가 작아지는 문제가 발생한다.
특히, 상기 암전류는 온도의 영향을 크게 받아, 주변온도가 10℃ 상승할 때 상기 암전류는 2배 이상 증가하게 되므로, 상기 암전류에 의한 CMOS 이미지 센서의 구동범위는 더욱 작아지는 문제가 발생하게 된다.
종래에 상기 암전류로 인한 문제를 해결하기 위해, 암화소(dark pixel)에서 발생하는 암전류의 평균치를 취하여 일반 화소의 출력에 보상해주는 방식이 제안되었다. 그러나, 이러한 종래의 암전류 보상 기술은 각 화소에서 생성된 암전류를 감소시키기 보다는 외부에서 수식적으로 뺄셈이 이루어지는 것으므로, 이미지 센서의 단위 화소가 포화된 상태에서는 화소가 열화되는 것을 방지할 수 없는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 CMOS 이미지 센서의 단위 화소에 구비된 드라이브 트랜지스터의 출력 전압을 검출하여 상기 출력 전압이 설정 레벨 이하로 감소하는 경우 포토 다이오드에 보상 전류를 공급함으로써, 포토 다이오드에서 발생하는 암전류를 보상할 수 있는 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 기술적 구성으로서 본 발명은,
광전하를 생성 및 저장하는 포토 다이오드;
상기 포토 다이오드에 저장된 전하를 게이트로 입력받아 소스에서 전압값으로 출력하며 드레인에 전원전압이 인가되는 드라이브 트랜지스터;
상기 드라이브 트랜지스터의 소스 전압을 입력 받아, 상기 소스 전압이 기 설정된 기준 전압 보다 작은 경우 포화 상태인 것으로 판단하는 포화 감지 수단; 및
상기 포화 감지 수단의 포화 상태 판단에 따라 상기 전원전압과 상기 드라이브 트랜지스터의 게이트의 연결을 단락/개방하는 스위칭 수단을 포함하는 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 제공한다.
본 발명의 일실시형태에서, 상기 스위칭 수단은, 상기 포화 감지 수단의 출력단에 게이트가 연결되고, 상기 전원전압에 드레인이 연결되며, 상기 드라이브 트랜지스터의 드레인에 소스가 연결된 스위칭 트랜지스터인 것이 바람직하다.
이 경우 상기 포화 감지 수단은, 상기 드라이브 트랜지스터의 소스에 입력단이 연결된 인버터와, 상기 인버터의 출력을 상기 스위칭 트랜지스터의 게이트로 인가하는 피드백 라인으로 이루어질 수 있다.
상기 인버터는, n채널 MOSFET과 p채널 MOSFET을 포함하며, 상기 n채널 MOSFET과 p채널 MOSFET의 게이트는 서로 연결되어 상기 인버터의 입력단이 되고, 상기 n채널 MOSFET과 p채널 MOSFET의 드레인은 서로 연결되어 상기 인버터의 출력단이 되며, 상기 n채널 MOSFET의 소스는 상기 전원전압에 연결되고 상기 p채널 MOSFET의 소스는 그라운드에 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 포화 감지 수단은, 상기 드라이브 트랜지스터의 출력 전압과 기설정된 기준전압을 비교하여 기준전압보다 드라이브 트랜지스터의 출력 전압이 작은 경우 상기 스위칭 트랜지스터를 온시키는 비교기로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는, 전원전압과 포토 다이오드에 각각 드레인과 소스가 연결되며, 게이트로부터 인가되는 리셋신호에 따라서 상기 포토 다이오드에 기 저장된 광전하를 배출시키는 리셋 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 참조부호를 사용할 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 회로도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는, 광전하를 생성 및 저장하는 포토 다이오드(PD); 상기 포토 다이오드(PD)에 저장된 전하를 게이트로 입력받아 전기신호로 출력하며 드레인에 전원전압(VDD)이 인가되는 드라이브 트랜지스터(Q2); 상기 드라이브 트랜지스터(Q2)의 드레인단에 입력단이 연결된 인버터(21)와, 상기 인버터(21)의 출력단에 연결되어 상기 인버터(21)의 출력을 전달하는 피드백 라인(22)으로 이루어진 포화 감지 수단; 상기 피드백 라인(22)에 게이트가 연결되고, 상기 전원전압(VDD)에 드레인이 연결되며, 상기 드라이브 트랜지스터(Q2)의 드레인에 소스가 연결된 스위칭 트랜지스터(Q4); 상기 전원전압(VDD)과 포토 다이오드(PD)에 각각 드레인과 소스가 연결되며, 게이트로부터 인가되는 리셋신호(Rx)에 따라서 상기 포토 다이오드(PD)에 기 저장된 광전하를 배출시키는 리셋 트랜지스터(Q1); 및 게이트에 인가되는 선택 신호(Sx)에 따라서 턴온됨에 의해 화소 어레이의 어드레싱 순서에 맞게 상기 드라이브 트랜지스터(Q2)의 출력 전압을 출력하는 셀렉트 트랜지스터(Q3)를 포함하여 구성된다.
도 2에 도시된 본 발명의 실시형태는, 종래의 CMOS 이미지 센서 단위 화소에, 이미지 센서 단위 화소의 감지 출력전압을 피드백하여 포화방지를 위한 한계 값 이상인지를 검출하는 포화 감지 수단(21, 22)과, 상기 포화 감지수단(21, 22)의 검출 결과에 따라서 온/오프 스위칭 동작하여 포토 다이오드(PD)에 보상 전류를 공급하는 스위칭 수단(Q4)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시형태에서, 스위칭 수단은, 상기 포화 감지 수단의 출력단에 게이트가 연결되고, 상기 전원전압에 드레인이 연결되며, 상기 드라이브 트랜지스터의 드레인에 소스가 연결된 스위칭 트랜지스터(Q4)로 구성된다. 상기 스위칭 트랜지스터(Q4)는 상기 포화 감지 수단의 출력에 의해 온이 되면, 포토 다이오드(PD)와 전원전압(VDD)을 연결한다. 이로 인해, 포토 다이오드(PD)의 역방향으로 전류가 공급됨으로써 상기 포토 다이오드(PD)에 존재하는 암전류를 보상할 수 있게 된다. 이하의 설명에서, 상기 스위칭 수단(즉, 스위칭 트랜지스터(Q4))가 온 됨으로써 포토 다이오드(PD)에 공급되는 전류를 보상 전류라 할 것이다.
상기 포화감지수단은 인버터(21) 및 피드백라인(22)으로 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 인버터(21)는 n채널 MOSFET(Q5)과 p채널 MOSFET(Q6)으로 구현된다. 상기 n채널 MOSFET(Q5)과 p채널 MOSFET(Q6)의 게이트 및 드레인은 서로 연결되어 각각 입력단 및 출력단이 되고, 상기 n채널 MOSFET(Q5)의 소스는 상기 전원전압(VDD)에 연결되고 상기 p채널 MOSFET(Q6)의 소스는 그라운드에 연결된다.
다른 실시형태에서, 상기 인버터(21) 대신에, 드라이브 트랜지스터(Q2)의 출력 전압을 소정의 기준 전압보다 작은지를 비교하는 비교기(comparator)를 이용할 수도 있다. 이 경우, 상기 비교기는 상기 드라이브 트랜지스터(Q2)의 출력전압과 기설정된 기준전압을 입력받으며, 그 출력은 상기 피드백라인(22)을 통해 스위칭 트랜지스터(Q4)에 연결되어, 기준전압과 상기 드라이브 트랜지스터(Q2)의 출력전압의 비교결과에 따라서 상기 스위칭 트랜지스터(Q4)를 온/오프시키게 된다. 상기 포화 감지 수단은, 상기 드라이브 트랜지스터(Q2)의 출력전압이 한계범위를 벗어나는지를 확인할 수 있으며, 그 결과에 따라서 상기 스위칭 트랜지스터(Q4)를 동작시킬 수 있는 것이라면 상술한 인버터(21) 및 비교기 이외에 다른 것으로도 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소의 동작을 설명하는 타이밍도이다. 이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 화소의 동작을 설명한다.
먼저, 도 2와 도 3의 (a)를 참조하면, 소정의 온 듀티 타임을 갖는 리셋 신호(Rx)가 인가되면, 리셋 트랜지스터(Q1)가 턴온되어, 상기 포토 다이오드(PD)에 기 저장된 광전하를 방출하여 새로운 빛을 수광 검출할 준비를 한다. 이어, 상기 리셋 신호(Rx)의 하강 에지에서, 상기 포토 다이오드(PD)는 빛에 노출되어, 노출된 빛의 량 및 파장에 따른 량의 광전하가 생성, 저장된다. 이 저장값은 소스 팔로워로서 동작하는 드라이브 트랜지스터(Q2)에 의해 소정 이득으로 증폭되고, 선택 신호(Sx)가 인가되는 동안, 턴온된 셀렉트 트랜지스터(Q3)에 의해서 출력된다.
상기와 같은 일련의 동작이 반복되어 이루어지는 중에, 한계 이상의 빛이 상승한 경우, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 드라이브 트랜지스터(Q2)의 출력전압 (Vx)이 기준 레벨이하로 떨어진다. 이에 드라이브 트랜지스터(Q2)의 출력전압이 기 준 레벨 이하로 떨어진 경우 인버터(21)의 출력은 하이 레벨이 되어 스위칭 트랜지스터(Q4)를 온시켜, 상기 포토 다이오드(PD)에 보상전류를 공급하게 된다. 이 보상전류는 상기 포토 다이오드(PD)의 암전류를 보상하여 드라이브 트랜지스터(Q2)가 포화되는 것을 소정 수준으로 방지할 수 있게 된다. 즉, CMOS 이미지 센서의 단위 화소의 구동범위를 증가시키게 된다.
상술한 동작들은 CMOS 이미지 센서의 각 화소별로 이루어지며, 이렇게 구성된 이미지 센서들로 화소 어레이를 구현할 경우, 각 화소 별로 입사되는 빛의 양에 따라서 상술한 바와 같이 동작하게 되므로, 전체 화면 중 빛의 양이 너무 많은 영역에서는 보상전류를 포토 다이오드에 공급하여 포화를 방지하고, 규정범위의 빛이 들어온 영역에서는 정상적으로 동작하여 실제와 거의 유사한 색 재현성을 나타내도록 한다. 따라서, 전체 화질을 상승시킬 수 있다. 특히, CMOS 이미지 센서가 적용된 환경의 온도가 증가함에 따른 암전류의 증가를 보상할 수 있으므로, 전체 이미지 센서의 포화를 방지하고 구동범위를 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, CMOS 이미지 센서의 단위 화소의 포토 다이오드에서 발생하는 암전류를 보상하는 보상 전류를 포토 다이오드로 직접 공급함으로써, 화소의 구동범위를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 암전류를 감소시킴으로써 이에 의해 발생하는 노이즈를 감소시켜 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
더하여, 본 발명에 따르면, 온도가 증가함에 따른 암전류의 증가를 보상 전류를 통해 직접 제거함으로써, 고온의 특수 환경에 적용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 광전하를 생성 및 저장하는 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드에 저장된 전하를 게이트로 입력받아 소스에서 전압값으로 출력하며 드레인에 전원전압이 인가되는 드라이브 트랜지스터;
    상기 드라이브 트랜지스터의 소스 전압을 입력 받아, 상기 소스 전압이 상기 포토 다이오드의 포화 상태 판단을 위해 사전 설정된 기준전압 보다 작은 경우 상기 포토 다이오드가 포화 상태인 것으로 판단하는 포화 감지 수단; 및
    상기 포화감지 수단이 포화 상태인 것으로 판단한 경우 상기 전원 전압과 상기 드라이브 트랜지스터의 게이트의 연결을 단락시키고, 포화 상태가 아닌 것으로 판단한 경우 상기 전원 전압과 상기 드라이브 트랜지스터의 게이트의 연결을 개방하는 스위칭 수단을 포함하는 CMOS 이미지 센서의 단위 화소.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 수단은,
    상기 포화 감지 수단의 출력단에 게이트가 연결되고, 상기 전원전압에 드레인이 연결되며, 상기 드라이브 트랜지스터의 드레인에 소스가 연결된 스위칭 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 단위 화소.
  3. 제2항에 있어서, 상기 포화 감지 수단은
    상기 드라이브 트랜지스터의 소스단에 입력단이 연결된 인버터와,
    상기 인버터의 출력을 상기 스위칭 트랜지스터의 게이트로 인가하는 피드백 라인으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 단위 화소.
  4. 제3항에 있어서, 상기 인버터는,
    n채널 MOSFET과 p채널 MOSFET을 포함하며, 상기 n채널 MOSFET의 게이트와 상기 p채널 MOSFET의 게이트는 서로 연결되어 상기 인버터의 입력단이 되고, 상기 n채널 MOSFET의 드레인과 상기 p채널 MOSFET의 드레인은 서로 연결되어 상기 인버터의 출력단이 되며, 상기 n채널 MOSFET의 소스는 상기 전원전압에 연결되고 상기 p채널 MOSFET의 소스는 그라운드에 연결되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 단위 화소.
  5. 제2항에 있어서, 상기 포화 감지 수단은,
    상기 드라이브 트랜지스터의 소스 전압과 상기 기준전압을 비교하여 상기 기준전압보다 드라이브 트랜지스터의 출력 전압이 작은 경우 상기 스위칭 트랜지스터를 온시키는 비교기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 단위 화소.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전원전압과 포토 다이오드에 각각 드레인과 소스가 연결되며, 게이트로부터 인가되는 리셋신호에 따라서 상기 포토 다이오드에 기 저장된 광전하를 배출시키는 리셋 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 단위 화소.
  7. 광전하를 생성 및 저장하는 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드에 저장된 전하를 게이트로 입력받아 전기신호로 출력하며 드레인에 전원전압이 인가되는 드라이브 트랜지스터;
    상기 드라이브 트랜지스터의 소스에 입력단이 연결된 인버터와, 상기 인버터의 출력단에 연결되어 상기 인버터의 출력을 전달하는 피드백 라인으로 이루어진 포화 감지 수단;
    상기 피드백 라인에 게이트가 연결되고, 상기 전원전압에 드레인이 연결되며, 상기 드라이브 트랜지스터의 드레인에 소스가 연결된 스위칭 트랜지스터; 및
    상기 전원전압과 포토 다이오드에 각각 드레인과 소스가 연결되며, 게이트로부터 인가되는 리셋신호에 따라서 상기 포토 다이오드에 기 저장된 광전하를 배출시키는 리셋 트랜지스터를 포함하는 CMOS 이미지 센서의 단위 화소.
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