KR100705005B1 - 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소에 관한 것으로, 암전류원의 역할을 하는 다크 다이오드를 포토 다이오드에 직접 연결함으로써, 이미지 화소에서 생성되는 암전류를 최소화 할 수 있을 뿐 아니라, 암전류에 의해 발생되는 노이즈를 줄일 수 있게 되므로 높은 신호대 잡음비(S/N)와, 다이나믹 레인지, 및 저조도 특성이 향상되며, 고온 동작 특성이 개선되는 이점이 있다.
본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소는, 제 1 노드와 접지 단자에 연결되어, 입사되는 빛에 의해 신호를 생성하는 광전 변환소자; 상기 제 1 노드와 전원 단자에 연결되어 암전류를 공급하는 전류원; 제 2 노드와 전원 단자 및 상기 제 1 노드에 연결되어, 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하에 의해 상기 제 1 노드에 연결된 노드의 전위를 변화시켜 상기 제 2 노드의 바이어스를 변화시키는 제 1 스위치; 상기 제 1 스위치에 연결되고, 로우 선택 신호가 인가되어 상기 광전 변환소자에서 생성된 신호에 의한 전위차를 컬럼 선택 라인으로 출력하는 제 2 스위치; 및 상기 제 1 노드와 전원 단자 사이에 연결되고, 리셋 신호가 인가되어 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 제 3 스위치;를 포함한다.
씨모스 이미지 센서, 이미지 화소, 포토 다이오드, 다크 다이오드, 암전류

Description

씨모스 이미지 센서의 이미지 화소{IMAGE PIXEL OF CMOS IMAGE SENSOR}
도 1은 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서와 그 주변의 소자들을 나타낸 도면
도 2는 종래 기술에 따른 3-트랜지스터 이미지 화소의 회로 구성도
도 3은 종래 기술에 따른 4-트랜지스터 이미지 화소의 회로 구성도
도 4는 종래 기술에 따른 암전류를 보상하기 위한 이미지 센서의 구조를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소의 회로 구성도
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소의 회로 구성도
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
500 : 제 1 실시예의 이미지 화소 501, 601 : 포토 다이오드
502, 602 : 다크 다이오드 503, 603 : 제 3 트랜지스터
504, 604 : 제 1 트랜지스터 505, 605 : 제 2 트랜지스터
506, 607 : 제 1 노드 507, 608 : 제 2 노드
508, 610 : 리셋 신호 509, 611 : 로우 선택 신호
510, 612 : 컬럼 선택 라인 600 : 제 2 실시예의 이미지 화소
606 : 제 4 트랜지스터 609 : 제 3 노드
613 : 트랜스퍼 신호
본 발명은 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소에 관한 것으로, 암전류원의 역할을 하는 다크 다이오드를 포토 다이오드에 직접 연결함으로써, 이미지 화소에서 생성되는 암전류를 최소화 할 수 있을 뿐 아니라, 암전류에 의해 발생될 수 있는 노이즈를 줄일 수 있게 되므로 높은 신호대 잡음비(S/N)와, 다이나믹 레인지, 및 저조도 특성이 향상되며, 고온에서의 특성 열화가 방지되어 고온 동작 특성이 개선될 수 있는 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소에 관한 것이다.
이미지 센서는, 빛이 컬러 필터(color filter)를 통해 광 도전체에 들어오면 빛의 파장과 세기에 따라 광 도전체에서 발생한 전자-전공이 신호를 형성하여 출력부까지 전송하는 것으로, 그 방식에 따라 CCD(Charge Coupled Device) 이미지센서와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 구분된다.
CCD 이미지 센서는 수광부인 포토 다이오드와 전하 전송부 및 신호 출력부로 구성된다. 포토 다이오드는 광을 받아들여 신호 전하를 생성하고, 전하 전송부는 포토 다이오드에서 생성된 신호 전하를 CCD를 이용하여 손실없이 신호 출력부로 전달하며, 신호 출력부는 신호 전하를 축적하고 신호 전하량에 비례하는 전압을 감지 하여 아날로그 출력을 낸다. 따라서, CCD 이미지 센서는 마지막 단에서 전압의 형태로 변환하기 때문에 노이즈 특성이 우수하며, 이에 따라 고화질 디지털 카메라(Digital Camera) 및 캠코더(Camcorder) 등에 사용된다. 그러나 상기 CCD 이미지 센서는, 구동방식이 복잡하여 큰 전압이 요구될 뿐 아니라 별도의 구동회로가 필요하게 되므로 전력소비가 크며, 마스크 공정의 단계 수가 많기 때문에 신호 처리회로를 CCD칩 내에 구현할 수 없는 등의 단점을 가지고 있다. 따라서 이러한 단점을 극복하기 위하여, 서브 마이크론 CMOS 이미지 센서에 대한 많은 개발이 이루어 지고 있다.
CMOS 이미지 센서는, CCD 이미지 센서와는 달리 각각의 포토 다이오드에서 발생한 신호 전하를 전압으로 변환하고 이를 마지막 단까지 전달함으로써, CCD 이미지 센서에 비해 신호가 약하며, 고정적으로 발생하는 노이즈 뿐만 아니라 암전류(dark current)에 기인한 노이즈 등으로 잡음이 생기는 단점을 가진다. 그러나 반도체 공정 기술이 발전함에 따라, CDS(Correlated Double Sampling)회로를 채용하게 되어 리셋 노이즈를 대폭 개선함으로써 좀더 향상된 수준의 이미지 신호를 얻을 수 있게 되었다. 즉, CDS 회로는 이미지 화소의 리셋 전압을 샘플링한 다음, 신호 전압을 샘플링하는 동작을 수행하며, 이때 CDS 회로의 출력은 리셋 전압과 신호 전압의 차이가 되므로, 이미지 화소 내의 트랜지스터의 문턱 전압 차이에서 오는 고정 패턴 노이즈 및 리셋 전압의 차이에서 오는 리셋 노이즈가 억제됨으로써 좀더 고해상도의 이미지를 얻을 수 있게 되었다. 이에 따라, CMOS 이미지 센서는 디지털 카메라와, 모바일 폰(Mobile Phone) 및 PC 카메라 등에 폭넓게 사용되고 있으며, 최근에는 오토 모바일(Automobile) 등과 같은 특수한 용도로까지 확대되고 있다.
한편, 오토 모바일 등과 같은 특수한 용도의 CMOS 이미지센서를 구현하기 위해서는 이미지 화소의 크기를 줄이는 것보다 암전류를 최소화하고 고온동작 특성을 개선하는 것이 중요하다.
또한, 이외에도 CMOS 이미지 센서는 고해상도의 이미지를 얻기 위하여 다수의 요건들을 만족해야 한다. 즉, 높은 신호대 잡음비(S/N), 높은 양자 효율, 높은 필 팩터, 높은 다이나믹 레인지 등을 만족해야 한다.
상기에서 언급한 CMOS 이미지 센서가 만족해야 하는 요건들을 갖추기 위해서, 이미지 화소의 구조는 1-트랜지스터 구조, 3-트랜지스터 구조, 4-트랜지스터 구조의 순으로 발전하여 왔다.
도 1은 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서(1)와 그 주변의 소자들을 나타낸 도면으로써, 씨모스 이미지 센서(1)는 수광부인 포토 다이오드와 전하 전송부 및 신호 출력부로 구성된 복수의 이미지 화소(100)로 구성되며, 또한, 상기 이미지 센서(1)는 로우 선택 신호 입력 단자로 구성된 로우 선택 라인(101)과 연결되고, 상기 포토 다이오드에서 생성된 신호를 리드하고 리셋 후의 기준 전위를 리드 아웃하는 리드 아웃 회로(102)와 연결된다. 이때, 상기 리드된 신호는 컬럼 신호 출력 단자로 구성된 컬럼 선택 라인(103)으로 출력되게 되며, 상기 출력된 신호는 출력 버퍼(104) 및 아날로그/디지털 컨버터(105)를 통해 전기적 신호로 변환되게 된다.
도 2는 종래 기술에 따른 3-트랜지스터 이미지 화소(200)의 회로 구성도를 나타낸 것이다.
도 2에서 도시한 바와 같이, 3-트랜지스터 이미지 화소(200)는, 게이트가 제 1 노드(206)에 연결되고 드레인은 전원 단자(VDD)에 연결되며 소스는 제 2 노드(207)에 연결되는 제 1 트랜지스터(203)와, 게이트에는 로우 선택 신호(209)가 인가되고 드레인은 제 2 노드(207)에 연결되며 소스는 컬럼 선택 라인(210)에 연결되는 제 2 트랜지스터(204), 게이트에 리셋 신호 입력 단자를 통하여 리셋 신호(208)가 인가되고 드레인은 전원 단자(VDD)에 연결되며 소스는 제 1 노드(206)에 연결되는 제 3 트랜지스터(202)와, 상기 제 1 노드(206)와 접지 단자에 연결되는 포토 다이오드(201)를 포함하여 구성된다.
여기서, 제 1 노드(206)는, 포토 다이오드(201)에서 발생한 전하를 저장하고 저장된 전하에 상응하는 전압을 발생하며, 리셋 동작시 저장된 전하를 배출하는 역할을 한다.
상기와 같이 구성된 3-트랜지스터 이미지 화소(200)의 이미지 센싱 동작을 설명하면 다음과 같다.
포토 다이오드(201)에는, 외부에서 입사되는 빛에 의하여 전하들이 축적된다. 이때, 축적된 신호 전하는 제 3 트랜지스터(202)의 소스인 제 1 노드(206)의 전위를 변화시키며, 이러한 전위 변화는 상기 이미지 화소(200)의 소스 팔로워(source follower)의 역할을 하는 제 1 트랜지스터(203)의 게이트 전위를 변화시키게 된다.
제 1 트랜지스터(203)의 게이트 전위의 변화는 제 1 트랜지스터(203)의 소스 또는 제 2 트랜지스터(204)의 드레인과 연결된 제 2 노드(207)의 바이어스를 변화시킨다.
또한, 신호 전하들이 축적되는 동안 제 3 트랜지스터(202)의 소스 또는 제 1 트랜지스터(203)의 소스의 전위가 변화하게 된다. 이때, 제 2 트랜지스터(204)의 게이트에 로우 선택 신호 입력 단자를 통하여 로우 선택 신호(209)가 입력되면, 포토 다이오드(201)에서 생성된 신호 전하에 의해 발생된 전위차를 컬럼 선택 라인(210)쪽으로 출력하게 된다.
아울러, 포토 다이오드(201)의 전하 생성에 의해 발생된 신호 레벨을 검출한 후에는, 리셋 신호 입력 단자를 통한 리셋 신호(208)에 의해 제 3 트랜지스터(202)가 턴 온 되며, 이에 따라 포토 다이오드(201)에 축적된 신호 전하는 전부 리셋 된다.
도 3은 종래 기술에 따른 4-트랜지스터 이미지 화소(300)의 회로 구성도를 나타낸 것이다.
4-트랜지스터 씨모스 이미지 센서는 3-트랜지스터 씨모스 이미지 센서의 노이즈 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로 그 구성은 다음과 같다.
도 3에서 도시한 바와 같이, 4-트랜지스터 이미지 화소(300)는, 게이트가 제 1 노드(306)에 연결되고 드레인은 전원 단자(VDD)에 연결되며 소스는 제 2 노드(307)에 연결되는 제 1 트랜지스터(303)와, 게이트에는 로우 선택 신호(310)가 인 가되고 드레인은 제 2 노드(307)에 연결되며 소스는 컬럼 선택 라인(311)에 연결되는 제 2 트랜지스터(304), 게이트에 리셋 신호 입력 단자를 통하여 리셋 신호(309)가 인가되고 드레인은 전원 단자(VDD)에 연결되며 소스는 제 1 노드(306)에 연결되는 제 3 트랜지스터(302)와, 게이트에는 트랜스퍼 신호(312)가 인가되고, 드레인은 제 1 노드(306)에 연결되며, 소스는 제 3 노드(308)에 연결되는 제 4 트랜지스터(305)와, 상기 제 3 노드(308)와 접지 단자에 연결되는 포토 다이오드(301)를 포함하여 구성된다.
상기 도 2와 마찬가지로, 도 3의 제 1 노드(306) 역시 포토 다이오드(301)에서 발생한 전하를 저장하고 저장된 전하에 상응하는 전압을 발생하며, 리셋 동작시 저장된 전하를 배출하는 역할을 한다.
상기와 같이 구성된 4-트랜지스터 이미지 화소(300)의 이미지 센싱 동작을 설명하면 다음과 같다.
포토 다이오드(301)에는, 외부에서 입사되는 빛에 의하여 전하들이 축적되고, 축적된 신호 전하가 포토 다이오드(301)의 표면으로 집중되며, 이때 제 4 트랜지스터(305)의 게이트에 트랜스퍼 신호(312)가 입력되어 제 4 트랜지스터(305)가 턴 온되면, 제 1 노드(306)로 신호 레벨이 전달된다.
이러한 상태에서, 만약 제 3 트랜지스터(302)가 오프 상태를 유지하고 있다면, 제 1 노드(306)에 축적된 신호 전하에 의하여 제 3 트랜지스터(302)의 소스에 연결된 제 1 노드(306)의 전위를 변화시키게 되며, 이는 제 1 트랜지스터(303)의 게이트 전위를 변화시키게 된다.
제 1 트랜지스터(303)의 게이트 전위의 변화는 제 1 트랜지스터(303)의 소스 또는 제 2 트랜지스터(304)의 드레인과 연결된 제 2 노드(307)의 바이어스를 변화시킨다.
또한, 신호 전하들이 축적되는 동안 제 3 트랜지스터(302)의 소스 또는 제 1 트랜지스터(303)의 소스의 전위가 변화하게 된다. 이때, 제 2 트랜지스터(304)의 게이트에 로우 선택 신호 입력 단자를 통하여 로우 선택 신호(310)가 입력되면, 포토다이오드(301)에서 생성된 신호 전하에 의해 발생된 전위차를 컬럼 선택 라인(311)쪽으로 출력하게 된다.
아울러, 포토 다이오드(301)의 전하 생성에 의해 발생된 신호 레벨을 검출한 후에는, 리셋 신호 입력 단자를 통한 리셋 신호(309)에 의해 제 3 트랜지스터(302)가 턴 온 되며, 이에 따라 포토 다이오드(301)에 축적된 신호 전하는 전부 리셋 된다.
도 2 및 도 3에서 도시한 이미지 화소(200, 300)를 통해서 이미지 센싱이 진행되어 이미지 신호가 출력되지만, 포토 다이오드(201, 301)에서 발생하는 암전류(Id)로 인하여 이미지 신호에 노이즈가 형성됨으로써 왜곡된 이미지 신호가 출력되게 된다.
여기서, 암전류란 광신호가 없는 상태에서도 이미지 센서의 이미지 화소에 의해 생성되는 바람직하지 않은 전류로, 열에너지에 의해 공핍층 내에서 발생하는 전류를 의미한다. 따라서, 상기 포토 다이오드(201, 301)에서도 암전류(Id)가 발생 하게 되고, 상기 발생한 암전류(Id)는 제 1 트랜지스터(203, 303)에 의해 전압으로 변환되어 무신호시에도 출력 신호로 작용하게 되며, 상기 암전류(Id)에 의해 생성된 신호로 인하여 왜곡된 이미지 신호가 출력되게 된다.
도 4는 종래 기술에 따른 암전류를 보상하기 위한 이미지 센서(1)의 구조를 나타낸 도면으로써, 암전류를 보상하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 4에서 도시한 바와 같이, 도 2 및 도 3에서 언급한 암전류를 보상하기 위한 방법으로, 씨모스 이미지 센서(1)를 구성하는 이미지 화소 중 다크 이미지 화소(400)들을 상기 씨모스 이미지 센서(1)의 외곽 부분에 두어 여기서 발생한 암전류의 값을 계산하여 보상해 주는 방법을 이용한다.
즉, 상기 복수의 다크 이미지 화소(400)에서 발생되는 암전류의 평균치를 구하고, 이를 각각의 이미지 화소에 대하여 동일하게 보상함으로써 암전류를 최소화시킬 수 있는 방법이 이용되고 있다.
그러나, 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소는, 암전류를 보상하기 위한 방법으로, 다크 이미지 화소에서 발생되는 암전류의 평균치를 구하고, 이를 각각의 이미지 화소에 대하여 동일하게 보상하는 방법을 이용함에 따라, 각각의 이미지 화소에 대한 개별적인 보상이 이루어지지 않는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 암전류 보상방법은, 각각의 이미지 화소에 대하여 암전류를 보 상하는 것이 아니므로, 암전류가 증가하는 고온 동작시에는 이미지 화소의 포토 다이오드가 빨리 방전되어서 이미지 화소의 특성이 열화되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 암전류원의 역할을 하는 다크 다이오드를 포토 다이오드에 직접 연결함으로써, 이미지 화소에서 생성되는 암전류를 최소화 할 수 있을 뿐 아니라, 암전류에 의해 발생될 수 있는 노이즈를 줄일 수 있게 되므로 높은 신호대 잡음비(S/N)와, 다이나믹 레인지, 및 저조도 특성이 향상되며, 고온에서의 특성 열화가 방지되어 고온 동작 특성이 개선되는 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소는, 제 1 노드와 접지 단자에 연결되어, 입사되는 빛에 의해 신호를 생성하는 광전 변환소자; 상기 제 1 노드와 전원 단자에 연결되어 암전류를 공급하는 전류원; 제 2 노드와 전원 단자 및 상기 제 1 노드에 연결되어, 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하에 의해 상기 제 1 노드에 연결된 노드의 전위를 변화시켜 제 2 노드의 바이어스를 변화시키는 제 1 스위치; 상기 제 1 스위치에 연결되고, 로우 선택 신호가 인가되어 상기 광전 변환소자에서 생성된 신호에 의한 전위차를 컬럼 선택 라인으로 출력하는 제 2 스위치; 및 상기 제 1 노드와 전원 단자 사이에 연결되고, 리셋 신호가 인가되어 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 제 3 스위치;를 포함한다.
여기서, 상기 광전 변환소자는 포토 다이오드이며, 상기 포토 다이오드의 양극 단자는 접지 단자와 연결되고, 음극 단자는 상기 제 1 노드에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전류원은, 메탈로 덮여 있어 빛이 투과하지 못하는 다크 다이오드이며, 상기 다크 다이오드의 양극 단자는 상기 제 1 노드에 연결되고, 음극 단자는 전원 단자에 연결되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제 1 스위치는 트랜지스터이며, 상기 트랜지스터의 게이트는 상기 제 1 노드에 연결되고, 드레인은 전원 단자에 연결되며, 소스는 상기 제 2 노드에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 스위치는 트랜지스터이며, 상기 트랜지스터의 게이트에는 로우 선택 신호가 인가되고, 드레인은 상기 제 2 노드와 연결되며, 소스는 컬럼 선택 라인에 연결되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제 3 스위치는 트랜지스터이며, 상기 트랜지스터의 게이트에는 리셋 신호가 인가되고, 드레인은 전원 단자에 연결되며, 소스는 상기 제 1 노드에 연결되는 것을 특징으로 한다.
한편, 제 3 노드와 접지 단자에 연결되어, 입사되는 빛에 의해 신호를 생성하는 광전 변환소자; 상기 제 3 노드와 전원 단자에 연결되어 암전류를 공급하는 전류원; 제 2 노드와 전원 단자 및 제 1 노드에 연결되어, 상기 제 1 노드에 축적된 신호전하에 의해 상기 제 1 노드에 연결된 노드의 전위를 변화시켜 상기 제 2 노드의 바이어스를 변화시키는 제 1 스위치; 상기 제 1 스위치에 연결되고, 로우 선택 신호가 인가되어 상기 광전 변환소자에서 생성된 신호에 의한 전위차를 컬럼 선택 라인으로 출력하는 제 2 스위치; 제 1 노드와 전원 단자 사이에 연결되고, 리셋 신호가 인가되어 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 제 3 스위치; 및 제 1 노드와 제 3 노드에 연결되고, 트랜스퍼 신호가 인가되어 상기 광전 변환소자에서 생성된 신호 전하를 트랜스퍼 시키는 제 4 스위치;를 포함한다.
여기서, 상기 광전 변환소자는 포토 다이오드이며, 상기 포토 다이오드의 양극 단자는 접지 단자와 연결되고, 음극 단자는 상기 제 3 노드에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전류원은, 메탈로 덮여 있어 빛이 투과하지 못하는 다크 다이오드이며, 상기 다크 다이오드의 양극 단자는 상기 제 3 노드에 연결되고, 음극 단자는 전원 단자에 연결되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제 1 스위치는 트랜지스터이며, 상기 트랜지스터의 게이트는 상기 제 1 노드에 연결되고, 드레인은 전원 단자에 연결되며, 소스는 상기 제 2 노드에 연결되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제 2 스위치는 트랜지스터이며, 상기 트랜지스터의 게이트에는 로우 선택 신호가 인가되고, 드레인은 상기 제 2 노드와 연결되며, 소스는 컬럼 선택 라인에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 3 스위치는 트랜지스터이며, 상기 트랜지스터의 게이트에는 리셋 신호가 인가되고, 드레인은 전원 단자에 연결되며, 소스는 상기 제 1 노드에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 4 스위치는 트랜지스터이며, 상기 트랜지스터의 게이트에는 트랜스퍼 신호가 인가되고, 드레인은 상기 제 1 노드에 연결되며, 소스는 상기 제 3 노드에 연결되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
실시예 1
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소(500)를 도시한 것으로, 3-트랜지스터 이미지 화소(500)의 회로 구성도를 나타낸 것이다.
도 5에서 도시한 바와 같이, 3-트랜지스터 이미지 화소(500)는, 게이트가 제 1 노드(506)에 연결되고 드레인은 전원 단자(VDD)에 연결되며 소스는 제 2 노드(507)에 연결되는 제 1 트랜지스터(504)와, 게이트에는 로우 선택 신호(509)가 인가되고 드레인은 제 2 노드(507)에 연결되며 소스는 컬럼 선택 라인(510)에 연결되는 제 2 트랜지스터(505), 게이트에 리셋 신호 입력 단자를 통하여 리셋 신호(508)가 인가되고 드레인은 전원 단자(VDD)에 연결되며 소스는 제 1 노드(506)에 연결되는 제 3 트랜지스터(503)와, 상기 제 1 노드(506)와 접지 단자에 연결되는 포토 다이오드(501) 및 제 1 노드(506)와 전원 단자(VDD)에 연결되는 다크 다이오드(502) 를 포함하여 구성된다.
여기서, 제 1 노드(506)는, 포토 다이오드(501)에서 발생한 전하를 저장하고 저장된 전하에 상응하는 전압을 발생하며, 리셋 동작시 저장된 전하를 배출하는 역할을 한다.
또한, 다크 다이오드(502)에는, 빛이 투과되지 못하는 물질을 입힘으로써 빛에 의해 생성되는 전류는 존재하지 않고 오로지 암전류만이 생성되게 되며, 이에 따라 다크 다이오드(502)는 암전류원으로써의 역할을 하게 된다.
상기와 같이 구성된 3-트랜지스터 이미지 화소(500)의 이미지 센싱 동작 및 암전류 보상 과정을 설명하면 다음과 같다.
포토 다이오드(501)에는, 외부에서 입사되는 빛에 의하여 전하들이 축적된다. 이때, 축적된 신호 전하는 제 3 트랜지스터(503)의 소스인 제 1 노드(506)의 전위를 변화시키며, 이러한 전위 변화는 상기 이미지 화소(500)의 소스 팔로워(source follower)의 역할을 하는 제 1 트랜지스터(504)의 게이트 전위를 변화시키게 된다.
제 1 트랜지스터(504)의 게이트 전위의 변화는 제 1 트랜지스터(504)의 소스 또는 제 2 트랜지스터(505)의 드레인과 연결된 제 2 노드(507)의 바이어스를 변화시킨다.
또한, 신호 전하들이 축적되는 동안 제 3 트랜지스터(503)의 소스 또는 제 1 트랜지스터(504)의 소스의 전위가 변화하게 된다. 이때, 제 2 트랜지스터(505)의 게이트에 로우 선택 신호 입력 단자를 통하여 로우 선택 신호(509)가 입력되면, 포 토 다이오드(501)에서 생성된 신호 전하에 의해 발생된 전위차를 컬럼 선택 라인(510)쪽으로 출력하게 된다.
아울러, 포토 다이오드(501)의 전하 생성에 의해 발생된 신호 레벨을 검출한 후에는, 리셋 신호 입력 단자를 통한 리셋 신호(508)에 의해 제 3 트랜지스터(503)가 턴 온 되며, 이에 따라 포토 다이오드(501)에 축적된 신호 전하는 전부 리셋 된다.
상기의 과정을 통하여 3-트랜지스터 이미지 화소(500)의 이미지 센싱이 진행되어 이미지 신호가 출력되지만, 포토 다이오드(501)에서 발생하는 암전류(ID1)로 인하여 이미지에 노이즈가 형성됨으로써 왜곡된 이미지 신호가 출력되게 된다.
즉, 상기 포토 다이오드(501)에서도 암전류(ID1)가 발생하게 되며, 상기 발생한 암전류(ID1)는 제 1 트랜지스터(504)에 의해 전압으로 변환되어 무신호시에도 출력신호로 작용하게 된다. 따라서, 상기 암전류(ID1)에 의해 생성된 신호로 인하여 왜곡된 이미지 신호가 출력되게 된다.
따라서, 상기 문제점을 해결하기 위하여, 암전류원의 역할을 하는 다크 다이오드(502)를 포토 다이오드(501)에 직접 연결함으로써, 포토 다이오드(501)에서 발생되는 암전류를 보상할 수 있게 된다.
즉, 포토 다이오드(501)에서 발생하는 암전류(ID1)로 인하여, 제 1 노드(506)는 저장된 전하에 상응하는 일정 전압을 유지할 수 없으나, 다크 다이오드 (502)의 양극 단자를 포토 다이오드(501)의 음극 단자와 직접 연결된 제 1 노드(506)에 연결시켜 다크 다이오드(502)에서 발생하는 암전류(ID2)를 제 1 노드(506)에 보상함으로써, 제 1 노드(506)는 저장된 전하에 상응하는 일정 전압을 유지할 수 있게 된다.
또한, 고온 동작시, 포토 다이오드(501)에서 발생하는 암전류(ID1)가 증가된다 할지라도, 그 증가량만큼 다크 다이오드(502)의 암전류(ID2)도 증가하게 되어 고온 동작에서 발생하는 특성 열화를 방지할 수 있게 된다.
실시예 2
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소(600)를 도시한 것으로, 4-트랜지스터 이미지 화소(600)의 회로 구성도를 나타낸 것이다.
도 6에서 도시한 바와 같이, 4-트랜지스터 이미지 화소(600)는, 게이트가 제 1 노드(607)에 연결되고 드레인은 전원 단자(VDD)에 연결되며 소스는 제 2 노드(608)에 연결되는 제 1 트랜지스터(604)와, 게이트에는 로우 선택 신호(611)가 인가되고 드레인은 제 2 노드(608)에 연결되며 소스는 컬럼 선택 라인(612)에 연결되는 제 2 트랜지스터(605), 게이트에 리셋 신호 입력 단자를 통하여 리셋 신호(610)가 인가되고 드레인은 전원 단자(VDD)에 연결되며 소스는 제 1 노드(607)에 연결되는 제 3 트랜지스터(603)와, 게이트에는 트랜스퍼 신호(613)가 인가되고, 드레인은 제 1 노드(607)에 연결되며, 소스는 제 3 노드(609)에 연결되는 제 4 트랜지스터(606)와, 상기 제 3 노드(609)와 접지 단자에 연결되는 포토 다이오드(601) 및 제 3 노드(609)와 전원 단자(VDD)에 연결되는 다크 다이오드(602)를 포함하여 구성된다.
상기 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 실시예의 제 1 노드(607) 역시 포토 다이오드(601)에서 발생한 전하를 저장하고 저장된 전하에 상응하는 전압을 발생하며, 리셋 동작시 저장된 전하를 배출하는 역할을 한다.
또한, 제 2 실시예에서 사용되는 다크 다이오드(602)에도, 빛이 투과되지 못하는 물질을 입힘으로써 빛에 의해 생성되는 전류는 존재하지 않고 오로지 암전류만이 생성되게 되며, 이에 따라 상기 다크 다이오드(602)도 암전류원으로써의 역할을 하게 된다.
상기와 같이 구성된 4-트랜지스터 이미지 화소(600)의 이미지 센싱 동작 및 암전류 보상 과정을 설명하면 다음과 같다.
포토 다이오드(601)에는, 외부에서 입사되는 빛에 의하여 전하들이 축적되고, 축적된 신호 전하가 포토 다이오드(601)의 표면으로 집중되며, 이때 제 4 트랜지스터(606)의 게이트에 트랜스퍼 신호(613)가 입력되어 제 4 트랜지스터(606)가 턴 온되면, 제 1 노드(607)로 신호 레벨이 전달된다.
이러한 상태에서, 만약 제 3 트랜지스터(603)가 오프 상태를 유지하고 있다면, 제 1 노드(607)에 축적된 신호 전하에 의하여 제 3 트랜지스터(603)의 소스에 연결된 제 1 노드(607)의 전위를 변화시키게 되며, 이는 제 1 트랜지스터(604)의 게이트 전위를 변화시키게 된다.
제 1 트랜지스터(604)의 게이트 전위의 변화는 제 1 트랜지스터(604)의 소스 또는 제 2 트랜지스터(605)의 드레인과 연결된 제 2 노드(608)의 바이어스를 변화시킨다.
또한, 신호 전하들이 축적되는 동안 제 3 트랜지스터(603)의 소스 또는 제 1 트랜지스터(604)의 소스의 전위가 변화하게 된다. 이때, 제 2 트랜지스터(605)의 게이트에 로우 선택 신호 입력 단자를 통하여 로우 선택 신호(611)가 입력되면, 포토다이오드(601)에서 생성된 신호 전하에 의해 발생된 전위차를 컬럼 선택 라인(612)쪽으로 출력하게 된다.
아울러, 포토 다이오드(601)의 전하 생성에 의해 발생된 신호 레벨을 검출한 후에는, 리셋 신호 입력 단자를 통한 리셋 신호(610)에 의해 제 3 트랜지스터(603)가 턴 온 되며, 이에 따라 포토 다이오드(601)에 축적된 신호 전하는 전부 리셋 된다.
상기의 과정을 통하여 4-트랜지스터 이미지 화소(600)의 이미지 센싱이 진행되어 이미지 신호가 출력되지만, 포토 다이오드(601)에서 발생하는 암전류(ID1)로 인하여 이미지에 노이즈가 형성됨으로써 왜곡된 이미지 신호가 출력되게 된다.
즉, 제 1 실시예와 마찬가지로, 상기 포토 다이오드(601)에서 암전류(ID1)가 발생하게 되고, 상기 발생한 암전류(ID1)는 제 1 트랜지스터(604)에 의해 전압으로 변환되어 무신호시에도 출력신호로 작용하게 되므로, 이에 따라, 상기 암전류(ID1) 에 의해 생성된 신호로 인하여 왜곡된 이미지 신호가 출력되게 된다.
따라서, 상기 문제점을 해결하기 위하여, 암전류원의 역할을 하는 다크 다이오드(602)를 포토 다이오드(601)에 직접 연결함으로써, 포토 다이오드(601)에서 발생되는 암전류를 보상할 수 있게 된다.
즉, 포토 다이오드(601)에서 발생하는 암전류(ID1)로 인하여, 제 3 노드(609)는 이미지 출력에 필요한 일정 전압을 유지할 수 없으나, 다크 다이오드(602)의 양극 단자를 포토 다이오드(601)의 음극 단자와 직접 연결된 제 3 노드(609)에 연결시켜 다크 다이오드(602)에서 발생하는 암전류(ID2)를 제 3 노드(609)에 보상함으로써, 제 3 노드(609)는 이미지 출력에 필요한 일정 전압을 유지할 수 있게 된다.
또한, 고온 동작시에도 제 1 실시예와 마찬가지로, 포토 다이오드(601)에서 발생하는 암전류(ID1)가 증가된다 할지라도, 그 증가량만큼 다크 다이오드(602)의 암전류(ID2)도 증가하게 되어 고온 동작에서 발생하는 특성 열화를 방지할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형, 및 변경이 가능할 것이며, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소에 있어서, 암전류원의 역할을 하는 다크 다이오드를 포토 다이오드에 직접 연결함으로써, 포토 다이오드에서 발생되는 암전류를 보상할 수 있게 되므로 이미지 화소에서 생성되는 암전류를 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 암전류를 최소화 함으로써 이에 의해 발생되는 노이즈를 줄일 수 있게 되므로 높은 신호대 잡음비(S/N) 및 다이나믹 레인지 특성이 향상되며, 어두운 곳에서도 형상 등을 감지할 수 있는 저조도 특성이 개선되는 효과가 있다.
아울러, 온도가 증가하게 되면 포토 다이오드에서 발생하는 암전류도 증가하게 되나, 그 증가량만큼 다크 다이오드의 암전류도 증가하게 되므로, 고온에서의 특성 열화가 방지되어 고온 동작 특성이 개선되는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 제 1 노드와 접지 단자에 연결되어, 입사되는 빛에 의해 신호를 생성하는 광전 변환소자;
    상기 제 1 노드와 전원 단자에 연결되어 암전류를 공급하는 전류원;
    제 2 노드와 전원 단자 및 상기 제 1 노드에 연결되어, 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하에 의해 상기 제 1 노드에 연결된 노드의 전위를 변화시켜 상기 제 2 노드의 바이어스를 변화시키는 제 1 스위치;
    상기 제 1 스위치에 연결되고, 로우 선택 신호가 인가되어 상기 광전 변환소자에서 생성된 신호에 의한 전위차를 컬럼 선택 라인으로 출력하는 제 2 스위치; 및
    상기 제 1 노드와 전원 단자 사이에 연결되고, 리셋 신호가 인가되어 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 제 3 스위치;를 포함하며,
    상기 전류원은, 메탈로 덮여 있어 빛이 투과하지 못하는 다크 다이오드이며, 상기 다크 다이오드의 양극 단자는 상기 제 1 노드에 연결되고, 음극 단자는 전원 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광전 변환소자는 포토 다이오드이며, 상기 포토 다이오드의 양극 단자는 접지 단자와 연결되고, 음극 단자는 상기 제 1 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 스위치는 트랜지스터이며, 상기 트랜지스터의 게이트는 상기 제 1 노드에 연결되고, 드레인은 전원 단자에 연결되며, 소스는 상기 제 2 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 스위치는 트랜지스터이며, 상기 트랜지스터의 게이트에는 로우 선택 신호가 인가되고, 드레인은 상기 제 2 노드와 연결되며, 소스는 컬럼 선택 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 3 스위치는 트랜지스터이며, 상기 트랜지스터의 게이트에는 리셋 신호가 인가되고, 드레인은 전원 단자에 연결되며, 소스는 상기 제 1 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소.
  7. 제 3 노드와 접지 단자에 연결되어, 입사되는 빛에 의해 신호를 생성하는 광전 변환소자;
    상기 제 3 노드와 전원 단자에 연결되어 암전류를 공급하는 전류원;
    제 2 노드와 전원 단자 및 제 1 노드에 연결되어, 상기 제 1 노드에 축적된 신호전하에 의해 상기 제 1 노드에 연결된 노드의 전위를 변화시켜 상기 제 2 노드의 바이어스를 변화시키는 제 1 스위치;
    상기 제 1 스위치에 연결되고, 로우 선택 신호가 인가되어 상기 광전 변환소자에서 생성된 신호에 의한 전위차를 컬럼 선택 라인으로 출력하는 제 2 스위치;
    상기 제 1 노드와 전원 단자 사이에 연결되고, 리셋 신호가 인가되어 상기 제 1 노드에 축적된 신호 전하를 리셋시키는 제 3 스위치; 및
    상기 제 1 노드와 제 3 노드에 연결되고, 트랜스퍼 신호가 인가되어 상기 광전 변환소자에서 생성된 신호 전하를 트랜스퍼 시키는 제 4 스위치;를 포함하며,
    상기 전류원은, 메탈로 덮여 있어 빛이 투과하지 못하는 다크 다이오드이며, 상기 다크 다이오드의 양극 단자는 상기 제 3 노드에 연결되고, 음극 단자는 전원 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 광전 변환소자는 포토 다이오드이며, 상기 포토 다이오드의 양극 단자는 접지 단자와 연결되고, 음극 단자는 상기 제 3 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소.
  9. 삭제
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 스위치는 트랜지스터이며, 상기 트랜지스터의 게이트는 상기 제 1 노드에 연결되고, 드레인은 전원 단자에 연결되며, 소스는 상기 제 2 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 제 2 스위치는 트랜지스터이며, 상기 트랜지스터의 게이트에는 로우 선택 신호가 인가되고, 드레인은 상기 제 2 노드와 연결되며, 소스는 컬럼 선택 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 제 3 스위치는 트랜지스터이며, 상기 트랜지스터의 게이트에는 리셋 신호가 인가되고, 드레인은 전원 단자에 연결되며, 소스는 상기 제 1 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소.
  13. 제 7항에 있어서,
    상기 제 4 스위치는 트랜지스터이며, 상기 트랜지스터의 게이트에는 트랜스퍼 신호가 인가되고, 드레인은 상기 제 1 노드에 연결되며, 소스는 상기 제 3 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 이미지 화소.
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