KR100887887B1

KR100887887B1 - 이미지센서

Info

Publication number: KR100887887B1
Application number: KR1020070112547A
Authority: KR
Inventors: 기안도
Original assignee: 주식회사 동부하이텍
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2009-03-06
Also published as: US7884402B2; US20090114961A1

Abstract

실시예에 따른 이미지센서는 포토다이오드, 리셋트랜지스터, 드라이브트랜지스터, 선택트랜지스터;와, 상기 포토다이오드와 상기 리셋트랜지스터 사이에 형성된 스위칭트랜지스터; 및 상기 스위칭트랜지스터 일측에 형성된 스토리지커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이미지센서, 픽셀, 다이나믹 레인지

Description

이미지센서{An Image Sensor}

실시예는 이미지센서에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.

씨모스 이미지 센서는 단위 화소(Pixel) 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.

종래기술에 의한 CIS소자는 빛 신호를 받아서 전기 신호로 바꾸어 주는 포토다이오드(Photo Diode) 영역(미도시)과, 이 전기 신호를 처리하는 트랜지스터 영역(미도시)으로 구분할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 이미지센서의 포토다이오드 단위픽셀의 회로도이다.

종래기술에 의하면 모든 픽셀(Pixel)의 트랜지스터(TR)가 오프(Off)된 상태에서 포토다이오드(PD)(110)에 빛이 입사되면 신호전자들이 생성되어 포토다이오 드(110)에 집적(Integration)되어 모여 있게 된다.

이때, Sx TR(Selective TR)(160)이 온(ON)되어 특정 픽셀(Pixel)(100)이 선택되게 된다.

이후, Rx TR(Reset TR)(140)이 ON되어 FD(Floating diffusion)(130)의 잔류전자(Noise)들을 VDD단자로 리셋(Reset)시키고, 그때의 FD(130)의 전압이 Dx(Drive TR)(150)에 의해 1차 출력전압 V1으로 출력된다.

이후, Tx TR(Transfer TR)(120)이 ON되어 포토다이오드에 fully integration되어 있던 신호전자들을 FD(130)로 전달하고 이때 2차 출력전압 V2으로 출력된다.

최종 출력신호는 V1-V2값으로 출력되게 된다.

그런데, 종래기술에 의하면 포토다이오드(110) 용량은 한계가 있어서 들어오는 빛이 100이라면 100에 해당하는 모든 전자들을 담지 못하고 예를 들어 85%정도에서 포화되어 나머지 15%는 FD(130)로 오버플로우(Overflow)되는데 이렇게 FD로 넘쳐서 흘러간 신호전자들이 리셋(Reset)시 모두 소멸되는 문제가 있다.

따라서 아깝게 소멸하는 약 15%정도의 전자들을 따로 저장해서 신호전자로 사용해서 센서의 포화레벨을 최고 100%까지 증가시켜 다이나믹레인지(Dynamic range)를 최대로 증가시킬 필요가 있다.

실시예는 포토다이오드 면적을 증가시키지 않고도 적절히 트랜지스터(TR)와 커패시터(Cap)를 조합하여 포토다이오드의 다이나믹레인지(Dynamic Range)를 향상시킬 수 있도록 설계된 이미지센서를 제공하고자 한다.

실시예에 따른 이미지센서에 의하면, FD(Floating Diffusion)단자와 리셋트랜지스터(Rx TR) 사이에 S1(스위칭 TR)과 SC(storage cap)을 연결함으로써 포다이오드의 면적을 물리적으로(Physically) 증가 없이 포화레벨을 증가시켜서 이미지센서의 다이나믹레인지(Dynamic Range)를 효과적으로 증가시킬 수 있다.

이하, 실시예에 따른 이미지센서를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

실시예의 설명에 있어서 하나의 픽셀에 트랜지스터(TR)가 4개씩 형성된 4TR CIS를 예로 들고 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 3TR CIS, 5TR CIS, 1.5 TR CIS(TR이 공유된 경우) 등에도 적용이 가능하다.

(실시예)

도 2는 실시예에 따른 이미지센서의 포토다이오드 단위픽셀(200) 회로도이다.

실시예에 따른 이미지센서는 포토다이오드(210), 리셋트랜지스터(240), 드라이브트랜지스터(250), 선택트랜지스터(260);와, 상기 포토다이오드(210)와 상기 리셋트랜지스터(240) 사이에 형성된 스위칭트랜지스터(S1)(280); 및 상기 스위칭트랜지스터(280) 일측에 형성된 스토리지커패시터(SC)(290);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 2의 실시예는 4TR CIS로서, 상기 포토다이오드(210)와 상기 리셋트랜지스터(240) 사이에 트랜스퍼트랜지스터(220)와 플로팅디퓨젼영역(FD)을 더 포함하고, 상기 스위칭트랜지스터(280)는, 상기 플로팅디퓨젼영역(FD)과 상기 리셋트랜지스터(240) 사이에 형성될 수 있다.

실시예에서, 상기 스토리지커패시터(290)는 상기 포토다이오드(210)에서 오버플로우(Overflow)되어 플로팅디퓨젼영역(FD)으로 넘어온 전자들을 저장한 후, 상기 트랜스퍼트랜지스터(220)가 온(ON)되어 넘어오는 전자들과 저장된 전자를 합하여 신호전자로 출력할 수 있다.

예를 들어, 실시예는 포토다이오드(210)에서 오버플로우되어 플로팅디퓨젼영역(FD)으로 넘어온 전자들을 상기 스위칭트랜지스터(280)를 온(ON)시켜서 상기 스토리지커패시터(storage cap)(290)로 전달하여 저장시킨 후 스위칭트랜지스터(280) 를 오프(Off)시킨다. 이후 상기 트랜스퍼트랜지스터(220)가 온(ON)되어 플로팅디퓨젼영역(FD)으로 전자들이 넘어오면, 상기 스위칭트랜지스터(280)를 온(ON)시켜 상기 스토리지커패시터(290)에 저장된 전자들과 합하여 신호전자로 출력할 수 있다.

실시예에 따른 이미지센서에 의하면 추가로 트랜지스터(TR) 1개와 오버플로우(Overflow)되는 전자들을 저장할 수 있는 스토리지커패시터(SC:storage cap)를 추가하여 소멸되는 전자들을 효과적으로 따로 모아 놓았다가 신호전자에 포함킬 수 있다.

예를 들어, 포토다이오드(210)에서 오버플로우(Overflow)되어 플로팅디퓨젼 영역(FD)으로 넘어온 약 15%정도의 전자들을 스위칭트랜지스터(S1)(280)을 온(ON)시켜서 스토리지커패시터(SC)(290)로 전달하여 저장시킨 후 스위칭트랜지스터(S1)(280)을 오프(Off)시킨다.

따라서 리셋트랜지스터(Rx TR)가 온(ON)되어 플로팅디퓨전영역(FD)을 리셋(Reset)시 스토리지커패시터(SC)(290)에 있는 전자들은 소멸되지 않고 보존되는것이다.

이후, 트랜스퍼트랜지스터(Tx TR)가 온(ON)되어 플로팅디퓨젼 영역(FD)으로 신호전자들이 넘어오면 그때 스위칭트랜지스터(S1)(280)을 ON시켜서 스토리지커패시터(SC)(290)에 저장했던 전자들을 플로팅디퓨전영역(FD)으로 보내어 합쳐서 출력시키면 소멸하는 전자 없이 포화레벨을 최고 100%까지 증가시킬 수 있게 되어 이미지센서의 다이나믹레인지(Dynamic Range)를 증가시킬 수 있게 된다.

한편, 픽셀 내의 트랜지스터(TR)과 커패시터(Cap)가 추가되어 포토다이오드 의 필팩터(fill factor)를 감소시킬 수 있지만 이는 공유픽셀(Shared Pixel) 구조로 하면 필팩터(fill factor) 감소 없이 만들 수 있으므로 문제없다.

픽셀 내에 트랜지스터(TR) 3개까지 추가해도 1+1 공유(Shared)구조로 하면 필팩터(fill factor)에는 변화가 없으므로 실시예와 같이 트랜지스터 1개와 커패시터 1개가 추가되더라도 수반되는 문제는 없는 것이다.

본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.

도 1은 종래기술에 따른 이미지센서의 포토다이오드 단위픽셀의 회로도.

도 2는 실시예에 따른 이미지센서의 포토다이오드 단위픽셀 회로도.

Claims

트랜스퍼트랜지스터, 상기 트랜스퍼트랜지스터의 소스단에 형성된 포토다이오드, 상기 트랜스퍼트랜지스터의 드레인단에 형성된 플로팅 디퓨젼영역, 상기 플로팅 디퓨젼영역과 연결되어 형성된 리셋트랜지스터, 상기 플로팅 디퓨젼영역과 게이트단이 연결되는 드라이브트랜지스터, 상기 드라이브트랜지스터의 일측에 형성된 선택트랜지스터;

상기 트랜스퍼트랜지스터의 드레인단인 상기 플로팅디퓨젼영역과 상기 리셋트랜지스터 사이에 형성된 스위칭트랜지스터; 및

상기 스위칭트랜지스터 일측에 형성된 스토리지커패시터;를 포함하고,

상기 스토리지커패시터는 상기 포토다이오드에서 오버플로우되어 상기 플로팅 디퓨젼영역으로 넘어온 전자들을 상기 스위칭트랜지스터를 온(ON)시켜서 상기 스토리지커패시터(storage cap)로 전달하여 저장 시킨 후 상기 스위칭트랜지스터를 오프(Off)시키며,

상기 트랜스퍼트랜지스터가 온(ON)되어 상기 플로팅디퓨젼 영역으로 전자들이 넘어오면, 상기 스위칭트랜지스터를 온(ON)시켜 상기 스토리지커패시터에 저장된 전자들과 합하여 신호전자로 출력하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
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