KR100843663B1 - 센싱소자의 면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 이의 구동방법, 그리고, 이미지 센서의 단위픽셀 및 이의 구동방법 - Google Patents

센싱소자의 면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 이의 구동방법, 그리고, 이미지 센서의 단위픽셀 및 이의 구동방법 Download PDF

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Abstract

센싱소자의 면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 이의 구동방법, 그리고, 이미지 센서의 단위픽셀 및 이의 구동방법이 게시된다. 본 발명의 이미지 센서의 단위픽셀은 저장노드; 외부의 에너지에 의하여 전하를 발생하는 센싱소자로서, 상기 저장노드와 데이터 라인에 접속되어 형성되는 상기 센싱소자; 및 상기 저장노드를 게이트 라인에 커플링하는 저장소자를 구비한다. 본 발명의 이미지 센서의 단위픽셀의 구현을 위해서는, 센싱소자, 저장소자, 게이트 라인 및 데이터 라인만이 필수적으로 요구된다. 따라서, 본 발명의 단위픽셀에 의하면, 레이아웃 면적이 크게 감소한다. 다시 기술하면, 본 발명의 이미지 센서의 단위픽셀에 의하면, 감소된 레이아웃 면적을 센싱소자의 영역으로 활당함으로써, 주어진 단위픽셀의 레이아웃 면적에서 센싱소자의 면적이 증가될 수 있으며, 그에 따라 빛의 대한 센싱이 용이하게 된다.

Description

센싱소자의 면적을 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 이의 구동방법, 그리고, 이미지 센서의 단위픽셀 및 이의 구동방법{Image Sensor for Increased sensing area and operating method thereof, Pixel in Image Sensor and operating method thereof}
본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1 및 도 2는 각각 기존의 이미지 센서의 단위픽셀을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 이미지 센서의 단위픽셀의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 단위픽셀이 이용되는 이미지 센서를 나타내는 도면이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 다른 일실시예들에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 나타내는 도면들이다.
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 특히, 이미지 센서의 단위픽셀에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서란 빛의 에너지에 반응하는 반도체 장치의 성질을 이용하여, 이미지를 찍어(capture) 내는 장치를 말한다. 자연계에 존재하는 각 피사체에서 발생되는 빛은 파장 등에서 고유의 값을 가진다. 그리고, 이미지 센서의 픽셀은 각 피사체에서 발생하는 빛을 감지하여 전기적인 신호로 변환한다.
도 1 및 도 2는 각각 기존의 이미지 센서의 단위픽셀을 나타내는 도면이다. 도 1 및 도 2에 도시되는 바와 같이, 기존의 이미지 센서의 단위픽셀은 센싱소자(11, 21), 캐패시터(13, 23) 및 박막 트랜지스터로 구현되는 전송 트랜지스터(15, 25)로 구성된다. 그리고, 상기 센싱소자(11, 21)에는 바이어스 전압(VBIAS)이 인가된다. 이때, 도 1의 이미지 센서에서의 상기 센싱소자(11)는 박막 트랜지스터(11a)로 구현되며, 도 2의 이미지 센서에서의 상기 센싱소자(21)는 다이오드(21a)로 구현된다.
상기 센싱소자(11, 21)에 빛의 에너지를 가하면, 상기 센싱소자(11, 21)에서 생성되는 전하가 저장노드(N12, N22)에 이동하며, 캐패시터(13, 23)에 저장된다. 그리고, 게이팅 라인(GL)에 게이팅 전압을 인가하여, 상기 전송 트랜지스터(15, 25)를 턴온시키면, 상기 캐패시터(13, 23)에 저장된 전하 즉, 데이터는 데이터 라인(DL)으로 전송되며, 이후 증폭기(미도시)를 통하여 증폭된다.
그런데, 도 1 및 도 2에 도시되는 기존의 이미지 센서의 단위픽셀들에서는, 센싱소자(11, 21), 저장소자(13, 23), 게이트 라인(GL) 및 데이터 라인(DL) 외에도, 바이어스 전압(BIAS)을 위한 배선, 접지전압(VSS)을 위한 배선 및 전송 트랜지스터(15, 25)가 필수적으로 요구된다. 따라서, 기존의 이미지 센서들의 단위픽셀에서는, 소요되는 레이아웃 면적이 크다는 문제점 즉, 주어진 단위픽셀 면적에 대하여 센싱영역의 면적을 크게 할 수 없다는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 소요되는 레이아웃 면적을 최소화할 수 있는 즉, 주어진 단위픽셀의 면적에 대하여 센싱영역의 면적을 크게 할 수 있는 이미지 센서의 단위픽셀을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 이미지 센서의 단위픽셀에 관한 것이다. 본 발명의 이미지 센서의 단위픽셀은 저장노드; 외부의 에너지에 의하여 전하를 발생하는 센싱소자로서, 상기 저장노드와 데이터 라인에 접속되어 형성되는 상기 센싱소자; 및 상기 저장노드를 게이트 라인에 커플링하는 저장소자를 구비한다.
본 발명의 다른 일면은 센싱소자 및 저장소자를 가지는 단위픽셀들을 포함하는 이미지 센서의 구동방법에 관한 것이다. 본 발명의 이미지 센서의 구동방법은 상기 센싱소자 및 상기 저장소자에 공통으로 접속되는 저장노드에 전하가 축적되도록 상기 센싱소자에 에너지를 가하는 단계; 및 상기 저장소자의 커플링에 의하여 저장노드의 전압을 상승시키도록, 상기 저장소자에 접속되는 게이트 라인에 게이팅 전압을 인가하는 단계; 및 상기 게이팅 전압에 의하여 상기 저장노드에 축적된 전하에 따른 데이터가 상기 센싱소자를 통하여, 데이터 라인에 제공하는 단계를 구비한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 잇점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 각 도면을 이해함에 있어서, 동일한 부재는 가능한 한 동일한 참조부호로 도시하고자 함에 유의해야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 이미지 센서의 단위픽셀은 센싱소자(31), 저장노드(N32) 및 저장소자(33)를 포함한다.
상기 센싱소자(31)는, 빛과 같은 에너지가 주사되면, 전하를 발생한다. 그리고, 상기 센싱소자(31)는 상기 저장노드(N32)와 데이터 라인(DL)에 접속되어 형성된다. 바람직하기로는, 상기 센싱소자(31)는 박막 트랜지스터로서, 상기 게이트와 일접합이 상기 저장노드(N32)에 공통으로 접속되며, 다른 일접합은 상기 데이터 라인(DL)에 접속되는 앤모스 트랜지스터로 구현된다.
상기 저장소자(33)는 상기 저장노드(N32)를 게이트 라인(GL)에 커플링시키며, 상기 센싱소자(31)에서 발생되는 전하를 저장할 수 있다. 바람직하기로는, 상기 저장소자(33)는 캐패시터로 구현된다.
도 4는 도 3의 이미지 센서의 단위픽셀의 동작을 설명하기 위한 도면으로서, 상기 저장노드(N32)의 동작을 나타내는 도면이다.
먼저, 구간(P1)은 상기 센싱소자(31) 및 상기 저장소자(33)에 공통으로 접속되는 저장노드(N32)에 전하가 축적되도록 상기 센싱소자(31)에 에너지가 가하여 지는 구간을 나타낸다. 상기 구간(P1)에서, 빛과 같은 에너지가 주사되면, 상기 센싱소자(31)에서 발생되는 전하로 인하여, 상기 저장노드(N32)의 전압은 제1 전압(V1)으로 상승하게 된다.
그리고, 시점(tg)에서, 상기 게이트 라인(GL)이 선택되면, 상기 저장소자(33)에 접속되는 상기 게이트 라인(GL)에는 게이팅 전압(예를 들어, 전원전압(VCC))이 인가된다. 그러면, 상기 캐패시터(33)의 커플링으로 인하여, 상기 저장노드(N32)의 전압은 제2 전압(V2)으로 상승된다.
이때, 상기 저장소자(33)의 커플링에 의하여 상승되는 상기 저장노드(N32)의 전압은 상기 센싱소자(31)을 통하여 상기 데이터 라인(DL)에 제공된다. 즉, 상기 센싱소자(31)에서 발생되는 전하에 따른 데이터가 상기 센싱소자(31)을 통하여 상기 데이터 라인(DL)에 제공된다.
상기 데이터 라인(DL)에 전송된 데이터는 증폭기(미도시)에 의하여 증폭된다.
도 3의 본 발명의 단위픽셀을 구현하기 위해서는, 센싱소자(31), 저장소자(33), 게이트 라인(GL) 및 데이터 라인(DL) 만이 요구된다. 결과적으로, 센싱소자(11, 21), 저장소자(13, 23), 게이트 라인(GL) 및 데이터 라인(DL) 외에도, 바이어스 전압(BIAS)을 위한 배선, 접지전압(VSS)을 위한 배선 및 전송 트랜지스터(15, 25)가 필수적으로 요구되는 도 1 및 도 2의 기존의 이미지 센서의 단위픽셀에 비하여, 도 3의 본 발명의 단위픽셀에 소요되는 레이아웃 면적으로 현저히 감소된다. 다시 기술하면, 본 발명의 단위픽셀에서는, 센싱소자(31)의 면적이 증가될 수 있으며, 따라서 빛의 대한 센싱이 용이하게 된다.
그리고, 본 발명의 단위픽셀에서는, 도 1 및 도 2의 기존의 단위픽셀에서 의 전송 트랜지스터(15, 25)가 배제될 수 있다. 이와 같이, 전송 트랜지스터(15, 25)가 배제되는 경우에는, 전송 트랜지스터(15, 25)의 스위칭에 따라 발생되는 전하주입(charge injection)량의 차이에 따른 문제점 및 전송 트랜지스터(15, 25)로 인하여 발생되는 1/f 노이즈, 열(Thermal) 노이즈 등의 노이즈와 관련된 문제점이 감소된다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 나타내는 도면이다. 도 5의 실시예에 따른 단위픽셀은 도 3의 단위펙셀과 거의 동일하며, 다만, 센싱소자(31')가 저장노드(N32)에서 데이터 라인(DL) 쪽으로의 P-N 다이오드로 구현된다는 점에서만 차이가 있을 뿐이다. 따라서, 본 명세서에서는, 도 5의 단위픽셀의 구성 및 동작에 대한 구체적인 기술은 생략된다.
또한, 본 발명의 이미지 센서의 단위픽셀의 센싱소자(41)는, 도 6에 도시되 는 바와 같이, 게이트 단자가 데이터 라인(DL)에 접속되는 피모스 트랜지스터로 구현될 수도 있음은 당업자에게는 자명한 사실이다..
도 7은 본 발명의 단위픽셀이 이용되는 이미지 센서를 나타내는 도면이다. 본 발명의 이미지 센서는 광감지 패널(100), 게이트 라인 구동회로(200) 및 데이터 라인 구동회로(300)를 구비한다.
상기 광감지 패널(100)는 게이트 라인(GL) 및 데이터 라인이 교차하는 영역에 도 3 또는 도 5에 도시되는 본 발명의 단위픽셀들이 배열된다.
상기 게이트 라인 구동회로(200)는 상기 게이트 라인(GL)을 구동한다.
그리고, 상기 데이터 라인 구동회로(300)는 상기 데이터 라인(DL)을 구동하며, 상기 데이터 라인(DL)의 데이터를 증폭하는 증폭기(미도시)를 포함하여 구현될 수 있다.
한편, 본 발명의 이미지 센서의 단위픽셀들은 다양한 형태로 변형될 수 있다.
도 8은 본 발명의 단위픽셀의 센싱소자를 게이트 단자가 데이터 라인(DL)에 접속되는 앤모스 트랜지스터(51)로 구현하는 경우를 나타내며, 도 9는 본 발명의 단위픽셀의 센싱소자를 데이터 라인(DL)에서 저장노드(N32) 쪽으로의 P-N 다이오드(61)로 구현되는 경우를 나타낸다. 그리고, 도 10은 본 발명의 단위픽셀의 센싱소자를 게이트 단자가 저장노드(N32)에 접속되는 피모스 트랜지스터(71)로 구현하는 경우를 나타낸다.
도 8, 도 9 및 도 10의 실시예에 따른 단위픽셀에서는, 도 3, 도 5 및 도 6 의 실시예에 따른 단위픽셀에 대하여 반대의 극성으로 센싱소자가 구현됨을 알 수 있다. 그리고, 도 8, 도 9 및 도 10의 실시예에서의 게이트 라인(GL)은 도 3, 도 5 및 도 6의 실시예의 경우와 반대의 극성으로 구동되어야 함은 당업자에게는 자명하다. 따라서, 본 명세서에서는, 도 8 내지 도 10의 단위픽셀의 구동방법에 대한 구체적인 기술은 생략된다.
상기와 같은 본 발명의 이미지 센서의 단위픽셀의 구현을 위해서는, 센싱소자, 저장소자, 게이트 라인 및 데이터 라인만이 필수적으로 요구된다. 따라서, 본 발명의 단위픽셀에 의하면, 종래기술에서와 같은 전송 트랜지스터를 위한 레이아웃 면적이 불필요하게 된다. 다시 기술하면, 본 발명의 이미지 센서의 단위픽셀에 의하면, 감소된 레이아웃 면적을 센싱소자의 영역으로 활당함으로써, 주어진 단위픽셀의 레이아웃 면적에서 센싱소자의 면적이 증가될 수 있으며, 그에 따라 빛의 대한 센싱이 용이하게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 이미지 센서의 단위픽셀에 있어서,
    저장노드;
    외부의 에너지에 의하여 전하를 발생하는 센싱소자로서, 상기 저장노드와 데이터 라인에 접속되어 형성되는 상기 센싱소자; 및
    상기 저장노드를 게이트 라인에 커플링하는 저장소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위픽셀.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 센싱소자는
    모스 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위픽셀.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 모스 트랜지스터는
    상기 모스 트랜지스터의 게이트와 일접합이 상기 저장노드에 공통으로 접속되며, 다른 일접합은 상기 데이터 라인에 접속되는 앤모스 트랜지스터인 것 특징으로 하는 이미지 센서의 단위픽셀.
  4. 제2 항에 있어서, 상기 모스 트랜지스터는
    일접합이 상기 저장노드에 공통으로 접속되며, 상기 모스 트랜지스터의 게이트와 다른 일접합은 상기 데이터 라인에 접속되는 피모스 트랜지스터인 것 특징으로 하는 이미지 센서의 단위픽셀.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 센싱소자는
    다이오드인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위픽셀.
  6. 게이트 라인을 구동하는 게이트선 구동회로;
    데이터 라인을 구동하는 데이터 라인 구동회로; 및
    상기 게이트 라인 및 상기 데이터 라인이 교차하는 영역에 배열되는 다수개의 단위픽셀들을 포함하는 광감지 패널을 구비하며,
    상기 단위픽셀들 각각은
    저장노드;
    외부의 에너지에 의하여 전하를 발생하는 센싱소자로서, 상기 저장노드와 상기 데이터 라인에 접속되어 형성되는 상기 센싱소자; 및
    상기 저장노드를 상기 게이트 라인에 커플링하는 저장소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 센싱소자는
    모스 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 모스 트랜지스터는
    상기 모스 트랜지스터의 게이트와 일접합이 상기 저장노드에 공통으로 접속되며, 다른 일접합은 상기 데이터 라인에 접속되는 앤모스 트랜지스터인 것 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 제7 항에 있어서, 상기 모스 트랜지스터는
    일접합이 상기 저장노드에 공통으로 접속되며, 상기 모스 트랜지스터의 게이트와 다른 일접합은 상기 데이터 라인에 접속되는 피모스 트랜지스터인 것 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제6 항에 있어서, 상기 센싱소자는
    다이오드인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  11. 센싱소자 및 저장소자를 가지는 단위픽셀들을 포함하는 이미지 센서의 구동방법에 있어서,
    상기 센싱소자 및 상기 저장소자에 공통으로 접속되는 저장노드에 전하가 축적되도록 상기 센싱소자에 에너지를 가하는 단계; 및
    상기 저장소자의 커플링에 의하여 저장노드의 전압을 상승시키도록, 상기 저장소자에 접속되는 게이트 라인에 게이팅 전압을 인가하는 단계; 및
    상기 게이팅 전압에 의하여 상기 저장노드에 축적된 전하에 따른 데이터가 상기 센싱소자를 통하여, 데이터 라인에 제공하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 구동방법.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 센싱소자는
    모스 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 구동방법.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 모스 트랜지스터는
    상기 모스 트랜지스터의 게이트와 일접합이 상기 저장노드에 공통으로 접속되며, 다른 일접합은 상기 데이터 라인에 접속되는 앤모스 트랜지스터인 것 특징으로 하는 이미지 센서의 구동방법.
  14. 제12 항에 있어서, 상기 모스 트랜지스터는
    일접합이 상기 저장노드에 공통으로 접속되며, 상기 모스 트랜지스터의 게이트와 다른 일접합은 상기 데이터 라인에 접속되는 피모스 트랜지스터인 것 특징으로 하는 이미지 센서의 구동방법.
  15. 제11 항에 있어서, 상기 센싱소자는
    다이오드인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 구동방법.
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