KR100829383B1 - 시모스 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 씨모스(CMOS, 이하 '씨모스'라 함) 이미지 센서에 대한 것으로서, 상세하게는, 이미지 센서의 감도를 개선시킨 시모스 이미지 센서에 대한 것이다.
본 발명에 따른 시모스 이미지 센서는, 반도체 기판 상에 배치된 포토 다이오드; 상기 포토 다이오드와 연결된 게이트, 접지된 제1 전극 및 전류 감지부에 연결된 제2 전극을 포함하는 드라이브 트랜지스터; 상기 포토 다이오드 및 상기 게이트 사이에 연결되어 상기 포토 다이오드에서 발생 된 전압을 상기 게이트로 인가하는 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 제2 전극 및 상기 전류 감지부 사이에 배치된 셀렉트 트랜지스터; 및 상기 포토 다이오드를 리셋시키기 위해 전원 라인에 연결된 리셋 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 본 발명은 시모스 이미지 센서에서 광감지 소자의 출력을 감쇄없이 읽어낼 수 있다.
전류 감지, 출력, 드라이브 트랜지스터
Description
도 1은 종래기술의 4 개의 트랜지스터를 가지는 전압 감지형 시모스 이미지 센서의 단위 화소 회로도.
도 2는 본 발명에 따른 전류 감지형 시모스 이미지 센서의 단위화소를 보여주는 등가 회로도.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
200 : 광감지 소자 201 : 트랜스퍼 트랜지스터
202 : 플로팅확산영역 203 : 리셋 트랜지스터
204 : 드라이브 트랜지스터 205 : 셀렉트 트랜지스터
206 : 전류 감지부
본 발명은 씨모스(CMOS, 이하 '씨모스'라 함) 이미지 센서에 대한 것으로서, 상세하게는, 이미지 센서의 감도를 개선시킨 시모스 이미지 센서에 대한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 개별 모스(MOS : metal-oxide-silicon) 캐패시터(capacitor)가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 이중결합소자(CCD : charge coupled device)와 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로에 사용하는 시모스(CMOS)기술을 이용하여 화소수 만큼 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한 시모스(CMOS : complementary MOS) 이미지 센서가 있다.
그리고 피사체의 정보를 전기적인 신호로 변환하는 시모스 이미지 센서는 포토다이오드가 들어있는 시그날 처리칩 들로 구성되어 있으며, 칩 하나에 증폭기(Amplifier), 아날로그/디지탈 변환기(A/D converter), 내부 전압 발생기(Internal voltage generator), 타이밍 제너레이터(Timing generator) 그리고 디지털 로직(Digital logic) 등이 결합되기도 하는데, 이는 공간과 전력 그리고 비용절감에 큰 장점을 갖고 있다. 이중결합소자(CCD)가 전문공정을 통하여 제조하지만, 시모스 이미지 센서는 이중결합소자보다 가격이 저렴한 실리콘 웨이퍼(Wafer)의 식각 공정을 통하여 대량생산이 가능하며, 집적도에서도 장점이 있다.
시모스 이미지 센서에 있어서, 빛에서 전기적인 신호로 신호를 변환하여 포토 다이오드(photo diode)에 전하를 저장하게 되는데 어두워 입사 광량이 적을 경우, 포토 다이오드에 쌓인 전하가 너무 적어서 그 신호를 출력할 때 발생하는 잡음(noise)과 분간할 수 없게 되는 문제가 발생한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 시모스 이미지 센서에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래기술의 4 개의 트랜지스터를 가지는 전압 감지형 시모스 이미지 센서의 단위 화소 회로도이다.
도 1에서와 같이, 광전하를 생성하는 포토다이오드(photodiode)로 이루어진 광감지 소자(100)와, 게이트로 Tx 신호를 인가받아 광감지 소자(100)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(FD)(102)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor)(101)와, 게이트로 Rs 신호를 인가받아 원하는 값으로 플로팅확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅확산영역(102)을 리셋(reset)시키기 위한 리셋 트랜지스터(reset transistor)(103)와, 게이트로 신호를 인가받아 소오스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하는 드라이버 트랜지스터(drive transistor)(104)와, 어드레싱(addressing) 역할을 하는 셀렉트 트랜지스터(select transistor)(105)로 구성된다.
종래 전압 감지형 시모스 이미지 센서는 읽고자 하는 단위화소의 셀렉트 트랜지스터(105)와 트랜스퍼 트랜지스터(101)가 열리면 광감지 소자(100)의 전압을 읽어낼 수 있다. 이 상태에서 리셋 트랜지스터(103)가 열리면 상기 광감지 소자(100)의 전압이 초기화되고 이 값을 먼저 읽은 광감지 소자(100)의 전압에서 빼주면 이 값은 이전에 리셋된 이후 광감지 소자가 빛을 누적해서 받은 량에 비례하는 전압이 된다.
이렇게 리셋 전후의 전압을 읽어서 비교하는 방식은 단위화소 내 소자 편차 에 기인하는 영향을 효과적으로 제거할 수 있으며, 이를 CDS(correlated double sampling) 기술이라고 한다.
여기서, 상기 드라이브 트랜지스터(104)는 소스 팔로워로 동작하므로 광감지 소자(100)의 출력 전압이 높을수록 상기 드라이브 트랜지스터(104)의 드레인의 전압이 높게 된다. 여기서, 드라이브 트랜지터(104)는 바디부가 그라운드(GND)에 고정되어 있으므로 소스 전압이 높아지게 되면 바디이펙트(body effect)가 증가하여 드라이버 트랜지스터(104)의 문턱 전압을 높이게 된다.
상기와 같은 이유로 상기 광감지 소자(100)의 전압 변화가 그대로 드라이브 트랜지스터(104)의 드레인으로 전달되지 않는다.
상기 광감지 소자(100)의 출력 전압 범위 및 드라이브 트랜지스터(104)의 특성에 따라 차이가 발생하지만 전압 이득은 1보다 작은 0.7 내지 0.8의 값을 가지므로, 전압 감지형 시모스 이미지 센서는 전압 이득이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 전압 감지형 이미지 센서에서는 광감지 소자(100)의 전압이 드라이브 트랜지스터(104)의 문턱 전압 이하일 때는 정확한 값을 읽을 수 없으므로 광감지 소자(104)의 동작 범위보다 적은 동작 범위에서만 사용이 가능하게 되어 다이나믹 레인지(dynamic range)가 줄어드는 문제점이 있다.
본 발명은 시모스 이미지 센서에서 광감지 소자의 전압을 전류로 변환하여 출력하여 센서의 감도를 향상시키는 시모스 이미지 센서를 제공하는 데 목적이 있 다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서는, 반도체 기판 상에 배치된 포토 다이오드; 상기 포토 다이오드와 연결된 게이트, 접지된 제1 전극 및 전류 감지부에 연결된 제2 전극을 포함하는 드라이브 트랜지스터; 상기 포토 다이오드 및 상기 게이트 사이에 연결되어 상기 포토 다이오드에서 발생 된 전압을 상기 게이트로 인가하는 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 제2 전극 및 상기 전류 감지부 사이에 배치된 셀렉트 트랜지스터; 및 상기 포토 다이오드를 리셋시키기 위해 전원 라인에 연결된 리셋 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 드라이브 트랜지스터의 제 2 전극은, 게이트 전극과 드레인 전극이 연결된 다이오드 형태의 트랜지스터와 연결된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 전류 감지형 시모스 이미지 센서의 단위화소를 보여주는 등가회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전류 감지형 시모스 이미지 센서는 광전하를 생성하는 포토다이오드(photodiode)로 이루어진 광감지 소자(200)와, 게이트로 Tx 신호를 인가받아 광감지 소자(200)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(FD)(202)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor)(201) 와, 게이트로 Rs 신호를 인가받아 원하는 값으로 플로팅확산영역(202)의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅확산영역(202)을 리셋(reset)시키기 위한 리셋 트랜지스터(reset transistor)(203)와, 게이트로 신호를 인가받아 소오스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하는 드라이버 트랜지스터(drive transistor)(204)와, 어드레싱(addressing) 역할을 하는 셀렉트 트랜지스터(select transistor)(205)로 구성된다.
이때, 시모스 이미지 센서의 감도를 향상시키기 위해서 드라이브 트랜지스터(204)의 소스를 그라운드(GND)에 연결하고 드레인에 전류감지부(206)를 연결하여 전류를 측정함으로써 상기 광감지 소자(200)의 출력 전압을 읽을 경우 바디 이펙트(body effect)c를 방지할 수 있다.
또한, 상기와 같이 구성할 경우 출력 신호가 전압이 아닌 전류 형태로 변환되어 전달되므로 기존 전압으로 읽을 때에 비해서 칩 내 잡음에 매우 강한 특성을 갖게 되므로 이후 증폭기에서 높은 비율로 증폭할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 기존 출력을 전압으로 읽을 때에 비해서 일정한 값을 더하거나 빼서 DC레벨로 조정하기 용이하므로 아날로그 설계를 용이하게 할 수 있는 장점도 있다.
상기와 같은 드라이브 트랜지스터(204)의 경우 새츄레이션(saturation) 상태에서 게이트 전압의 제곱에 비례하는 전류가 흐르게 되므로 어두운 상태 즉, 광감지 소자(200)의 전압이 높은 상태에서 더욱 미세한 값을 읽는데 적합하다.
또한, 기존 전압 감지형 시모스 이미지 센서는 드라이브 트랜지스터(204)의 소스에 정전류를 흘려주기 때문에 전류원의 동작을 보장하기 위해서는 광감지 소자(200)의 전압이 드라이브 트랜지스터(204)의 문턱 전압보다 더 높아야 했으나 본원 발명에 따른 전류 감지형 시모스 이미지 센서는 상기 드라이브 트랜지스터(204)의 게이트 전압이 문턱 전압보다 적더라도 드레인 전류가 흐르기 때문에 광감지 소자(200)의 출력 값을 읽을 수 있어서 광감지 소자(200)의 출력 전압을 모두 읽어낼 수 있게 된다.
또한, 상기 전류로 변환된 출력 값을 전압으로 다시 전환하기 위해서는 동일한 전류-전압 특성을 가지는 MOSFET를 게이트와 드레인을 묶은 다이오드 형태로 만들어 전류를 흘려주게 되면 광감지 소자의 전압을 그대로 얻을 수도 있다.
본 발명에 따른 전압 감지형 시모스 이미지 센서는 읽고자 하는 단위화소의 셀렉트 트랜지스터(205)와 트랜스퍼 트랜지스터(201)가 열리면 광감지 소자(200)의 출력을 읽어낼 수 있다. 이 상태에서 리셋 트랜지스터(203)가 열리면 상기 광감지 소자(200)의 출력이 초기화되고 이 값을 먼저 읽은 광감지 소자(200)의 출력에서 빼주면 이 값은 이전에 리셋된 이후 광감지 소자(200)가 빛을 누적해서 받은 량에 비례하는 전압이 된다.
이렇게 리셋 전후의 출력 신호를 읽어서 비교하여 단위화소 내 소자 편차에 따른 영향을 효과적으로 제거할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전류 감지형 시모스 이미지 센서는 광감지 소자(200)의 출력을 감쇄없이 읽어낼 수 있으며, 광감지 소자(200)의 출력을 전류로 변환하여 전달하므로 칩 내 잡음에 강하다.
또한, 잡음 성분이 적으므로 출력 신호가 작을 때 높은 비율로 증폭하는 데 적합하며 출력을 전류로 받게 되어 다음 단의 아날로그 회로 설계에 유리하다.
또한, 상기 광감지 소자(200)의 모든 값을 감쇄없이 그대로 전달할 수 있으며 저조도에 세밀한 출력을 읽어내는 데 적합한 장점이 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명은 시모스 이미지 센서에서 광감지 소자의 출력을 감쇄없이 읽어낼 수 있으며, 광감지 소자의 출력을 전류로 변환하여 전달하므로 칩 내 잡음에 강하고 잡음 성분이 적으므로 출력 신호가 작을 때 높은 비율로 증폭하는 데 적합하며 출력을 전류로 받게 되어 다음 단의 아날로그 회로 설계에 유리한 제 1의 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상기 광감지 소자의 모든 값을 감쇄없이 그대로 전달할 수 있으며 저조도에 세밀한 출력을 읽어내는 데 적합한 제 2의 효과가 있다.
또한, 본 발명은 시모스 이미지 센서에서 광감지 소자의 전압을 전류로 변환하여 출력하여 센서의 감도를 향상시키고 다이나믹 레인지가 개선되는 제 3의 효과가 있다.
Claims (2)
- 반도체 기판 상에 배치된 포토 다이오드;상기 포토 다이오드와 연결된 게이트, 접지된 제 1 전극 및 전류 감지부에 연결된 제 2 전극을 포함하는 드라이브 트랜지스터;상기 포토 다이오드 및 상기 게이트 사이에 연결되어 상기 포토 다이오드에서 발생 된 전압을 상기 게이트로 인가하는 트랜스퍼 트랜지스터;상기 제2 전극 및 상기 전류 감지부 사이에 배치된 셀렉트 트랜지스터; 및상기 트랜스퍼 트랜지스터와 상기 드라이브 트랜지스터의 게이트 사이에 연결되며 상기 포토 다이오드를 리셋시키기 위해 전원 라인에 연결된 리셋 트랜지스터를 포함하는 시모스 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 드라이브 트랜지스터의 제 2 전극은, 게이트 전극과 드레인 전극이 연결된 다이오드 형태의 트랜지스터와 연결된 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
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