KR100889928B1 - Complementary metal oxide semiconductor image sensor - Google Patents

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Abstract

A complementary metal oxide semiconductor image sensor for improving color sensitivity and picture quality by clearing gray level according to an inputted code is provided to manufacture image sensor and increase a dynamic range by adding a transistor without increasing the space of photo diode. A photo diode(111) produces optical electric charge. A reset transistor(113) performs a reset function by connecting between the floating diffusion area and power supply voltage. A drive transistor(114) performs a source follower buffer amplifier by granting photo charge. It is connected between the floating diffusion area and power supply voltage and if photo-charge is not generated, the subsidiary transistor(120) delivers the power supply voltage to the gate of the drive transistor.

Description

씨모스 이미지 센서{Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor}CMOS Image Sensor {Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor}

실시예는 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.Embodiments relate to a CMOS image sensor.

일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 개별 모스(MOS:metaloxide-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 씨모스(CMOS)기술을 이용하여 화소수 만큼 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한 씨모스(CMOS:complementary MOS) 이미지 센서가 있다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, in which charge carriers are stored and transferred to a capacitor while individual metal oxide-silicon (MOS) capacitors are located in close proximity to each other. By using CMOS technology, which uses charge coupled device (CCD), control circuit and signal processing circuit as peripheral circuits, MOS transistors are made and used as many as the number of pixels. There is a CMOS (complementary MOS) image sensor that employs a switching method that sequentially detects the output.

그리고 피사체의 정보를 전기적인 신호로 변환하는 씨모스 이미지 센서는 포토다이오드가 들어있는 시그날 처리칩들로 구성되어 있으며, 칩 하나에 증폭기(Amplifier), 아날로그/디지탈 변환기(A/D converter), 내부 전압 발생기(Internal voltage generator), 타이밍 제너레이터(Timing generator) 그리고 디 지털 로직(Digital logic) 등이 결합되기도 하는데, 이는 공간과 전력 그리고 비용절감에 큰 장점을 갖고 있다. The CMOS image sensor, which converts the information of the subject into an electrical signal, is composed of signal processing chips containing a photodiode. An amplifier, an analog / digital converter, and an internal chip are included in one chip. Internal voltage generators, timing generators, and digital logic can also be combined, which greatly reduces space, power, and cost.

한편, CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다.On the other hand, CMOS image sensors are classified into 3T type, 4T type, and 5T type according to the number of transistors. The 3T type consists of one photodiode and three transistors, and the 4T type consists of one photodiode and four transistors.

여기서, 상기 4T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소에 대한 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다.Herein, the layout of the unit pixels of the 4T-type CMOS image sensor will be described.

도 1은 일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도이다.1 is an equivalent circuit diagram of a general 4T CMOS image sensor.

도 1에 도시된 바와 같이, 씨모스 이미지 센서의 단위 화소는 광전 변환부로서의 포토 다이오드(photo diode;PD)(11)와, 4개의 트랜지스터들을 포함하여 구성된다. 상기 4개의 트랜지스터들의 각각은 트랜스퍼 트랜지스터(12), 리셋 트랜지스터(13), 드라이브 트랜지스터(14) 및 셀렉트 트랜지스터(15)이다. As shown in FIG. 1, the unit pixel of the CMOS image sensor includes a photo diode (PD) 11 as a photoelectric converter and four transistors. Each of the four transistors is a transfer transistor 12, a reset transistor 13, a drive transistor 14 and a select transistor 15.

여기서, 미설명 부호 FD는 플로팅 확산 노드이고, Tx는 셀렉트 트랜지스터(15)의 게이트 전압이고, Rx는 리셋 트랜지스터(13)의 게이트 전압이고, Dx는 드라이브 트랜지스터(14)의 게이트 전압이고, Sx는 셀렉트 트랜지스터(15)의 게이트 전압이다.Here, reference numeral FD is a floating diffusion node, Tx is a gate voltage of the select transistor 15, Rx is a gate voltage of the reset transistor 13, Dx is a gate voltage of the drive transistor 14, Sx is It is the gate voltage of the select transistor 15.

일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서는 빛이 없을 때 리셋 트랜지스터(13)를 턴온시켜서 플로팅 확산 노드(FD)의 누설 전자들을 모두 VDD로 빼내서 플로팅 확산 노드(FD)의 전압이 VDD 전압과 동전위가 되어 3.0V가 된다.A typical 4T CMOS image sensor turns on the reset transistor 13 when there is no light to draw out all the leaking electrons of the floating diffusion node FD to VDD so that the voltage of the floating diffusion node FD becomes coincident with the VDD voltage 3.0. It becomes V.

상기 리셋 트랜지스터(13)가 턴오프되면 리셋 트랜지스터(13)의 채널에 전자 들이 랜덤하게 움직여서 그 중 플로팅 확산 노드로 돌아오는 전자들에 의해 잡음이 발생되어 3.0V에서 2.9V 수준으로 감소한다.When the reset transistor 13 is turned off, electrons randomly move in the channel of the reset transistor 13, and noise is generated by the electrons returning to the floating diffusion node, and the noise decreases from 3.0V to 2.9V.

이와 같이 리셋 트랜지스터(13)에서 발생된 잡음에 의하여 상기 플로팅 확산 노드의 전압이 작아지게 되면 화소의 다이내믹 레인지(dynamic range)가 작아지게 되고 색감도가 저하되는 문제점이 있다.As such, when the voltage of the floating diffusion node decreases due to the noise generated by the reset transistor 13, the dynamic range of the pixel decreases and the color sensitivity decreases.

실시예는 포토 다이오드의 면적 증가 없이 트랜지스터를 추가하여 다이나믹 레인지를 증가시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서를 제공한다.The embodiment provides a CMOS image sensor that can increase the dynamic range by adding transistors without increasing the area of the photodiode.

실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는, 광전하를 생성하는 포토 다이오드와, 상기 광전하를 축전하는 플로팅확산영역, 상기 플로팅확산영역과 전원전압 사이에 연결되어 리셋 기능을 하는 리셋트랜지스터, 상기 광전하를 인가받아 소스팔로워 버퍼증폭기 역할을 하는 드라이브 트랜지스터 및 상기 플로팅확산영역과 상기 전원전압 사이에 연결되어 상기 광전하가 생성되지 않으면 상기 전원전압을 상기 드라이브 트랜지스터의 게이트에 전달하는 보조 트랜지스터를 포함한다.According to an embodiment, a CMOS image sensor may include a photodiode for generating a photocharge, a floating diffusion region for storing the photocharge, a reset transistor connected between the floating diffusion region and a power supply voltage and performing a reset function, wherein the photocharge is performed. A driving transistor acting as a source follower buffer amplifier and an auxiliary transistor connected between the floating diffusion region and the power supply voltage to transfer the power supply voltage to a gate of the drive transistor when the photocharge is not generated.

실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는, 광전하를 생성하는 포토 다이오드, 상기 광전하를 축전하는 플로팅확산영역, 상기 플로팅확산영역과 전원전압 사이에 연결되어 리셋 기능을 하는 리셋트랜지스터, 상기 광전하를 인가받아 소스팔로워 버퍼증폭기 역할을 하는 드라이브 트랜지스터, 상기 플로팅 확산 영역과 상기 드라이브 트랜지스터의 드레인 단자를 연결하는 제 1 보조 트랜지스터, 상기 플로팅 확산 영역과 상기 전원전압을 연결하는 제 2 보조 트랜지스터 및 상기 전원전압과 상기 드라이브 트랜지스터의 드레인 단자를 연결하는 제 3 보조 트랜지스터를 포함한다.According to an embodiment, a CMOS image sensor may include a photodiode for generating a photocharge, a floating diffusion region for storing the photocharge, a reset transistor connected between the floating diffusion region and a power supply voltage, and performing a reset function. A drive transistor applied as a source follower buffer amplifier, a first auxiliary transistor connecting the floating diffusion region and a drain terminal of the drive transistor, a second auxiliary transistor connecting the floating diffusion region and the power supply voltage, and the power supply voltage And a third auxiliary transistor connecting the drain terminal of the drive transistor.

실시예는 포토 다이오드의 면적 증가 없이 트랜지스터를 추가하여 다이나믹 레인지를 증가시킬 수 있으므로 초소형의 이미지 센서를 제작할 수 있다.The embodiment can increase the dynamic range by adding a transistor without increasing the area of the photodiode, thereby making it possible to manufacture a miniature image sensor.

또한, 실시예는 잡음에 강하고 입력된 코드에 대하여 그레이 레벨별 명암 차이가 확실해져 색감도가 향상되고 화질이 개선되는 효과가 있다.In addition, the embodiment is resistant to noise and the contrast difference for each gray level with respect to the input code is sure, thereby improving color sensitivity and improving image quality.

실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는 단위 화소에서 보조 트랜지스터를 더 형성시켜 다이나믹 레인지를 향상시키는 효과가 있다.The CMOS image sensor according to the embodiment has an effect of improving the dynamic range by further forming an auxiliary transistor in a unit pixel.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 제 1 실시예에 따른 이미지 센서를 보여주는 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating an image sensor according to a first embodiment.

이하, 실시예의 이해를 돕기 위하여 포토다이오드(photo diode;PD)의 다이나믹 레인지가 1.0V이고 드라이브 트랜지스터(114)의 문턱전압(Vth)이 0.5V, 전원전압(VDD)이 3.0V라고 가정하여 동작을 설명하고 있으나, 이는 예시에 불과하다.Hereinafter, to facilitate understanding of the embodiment, it is assumed that the dynamic range of the photodiode PD is 1.0V, the threshold voltage Vth of the drive transistor 114 is 0.5V, and the power supply voltage VDD is 3.0V. Although described, this is only an example.

도 2에 도시한 바와 같이, 이미지 센서의 단위 화소(Px)는 광전하를 생성하는 포토 다이오드(111)와, 4개의 트랜지스터들을 포함하여 구성된다. 상기 4개의 트랜지스터들의 각각은 트랜스퍼 트랜지스터(112), 리셋 트랜지스터(113), 드라이브 트랜지스터(114) 및 셀렉트 트랜지스터(115)이다. As shown in FIG. 2, the unit pixel Px of the image sensor includes a photodiode 111 for generating photocharges and four transistors. Each of the four transistors is a transfer transistor 112, a reset transistor 113, a drive transistor 114, and a select transistor 115.

상기 리셋 트랜지스터(113)는 상기 광전하를 축전하는 플로팅확산영역(여기서는 플로팅확산노드로 지칭함)과 전원전압 사이에 연결되어 리셋 기능을 하하며, 상기 드라이브 트랜지스터(114)는 상기 광전하를 인가받아 소스팔로워 버퍼증폭기 역할을 한다.The reset transistor 113 is connected between a floating diffusion region (herein referred to as a floating diffusion node) and a power supply voltage for storing the photocharges to perform a reset function, and the drive transistor 114 receives the photocharges. It acts as a source follower buffer amplifier.

상기 셀렉트 트랜지스터(115)는 상기 드라이브 트랜지스터(114)와 연결되며 해당 단위화소(Px)를 선택한다.The select transistor 115 is connected to the drive transistor 114 and selects the corresponding unit pixel Px.

또한, 상기 이미지 센서는 단위 화소(Px) 내에 형성되지는 않으나 로직 회로 영역에 형성되어 상기 단위 화소(Px)를 제어하는 보조 트랜지스터(120)를 포함한다.The image sensor may include an auxiliary transistor 120 that is not formed in the unit pixel Px but is formed in a logic circuit region to control the unit pixel Px.

상기 보조 트랜지스터(120)는 상기 리셋 트랜지스터(113)와 병렬 연결된다. 즉, 상기 보조 트랜지스터(120)는 VDD 및 플로팅 확산 노드(FD)와 연결된다.The auxiliary transistor 120 is connected in parallel with the reset transistor 113. That is, the auxiliary transistor 120 is connected to VDD and the floating diffusion node FD.

여기서, 미설명 부호 FD는 플로팅 확산 노드이고, Tx는 셀렉트 트랜지스터(115)의 게이트 전압이고, Rx는 리셋 트랜지스터(113)의 게이트 전압이고, Dx는 드라이브 트랜지스터(114)의 게이트 전압이고, Sx는 셀렉트 트랜지스터(115)의 게이트 전압이다. 그리고, M은 보조 트랜지스터(120)에 입력되는 게이트 전압이다.Here, reference numeral FD is a floating diffusion node, Tx is a gate voltage of the select transistor 115, Rx is a gate voltage of the reset transistor 113, Dx is a gate voltage of the drive transistor 114, Sx is It is the gate voltage of the select transistor 115. M is a gate voltage input to the auxiliary transistor 120.

상기 이미지 센서의 셀렉트 트랜지스터(115)가 턴온되면 해당 단위 화소(Px)가 선택된다. 이때, 포토 다이오드(111)에 빛이 들어와서 신호 전자들이 생성되고 이 신호 전자들이 출력 전압으로 출력되게 된다.When the select transistor 115 of the image sensor is turned on, the corresponding unit pixel Px is selected. At this time, light enters the photodiode 111 to generate signal electrons, and the signal electrons are output as an output voltage.

상기 포토 다이오드(111)로 들어오는 빛이 없을 때 상기 보조 트랜지스터(120)를 턴온시켜 상기 VDD 3.0V가 드라이브 트랜지스터(114)의 드레인 단자에 연결되고 VDD 3.0V가 상기 드라이브 트랜지스터(114)의 게이트 단자에 연결되므로 기준출력전압 Vout1이 3.0V에서 상기 드라이브 트랜지스터(114)의 문턱전압(Vth) 0.5V만큼 감소되어 2.5V로 출력된다.When there is no light entering the photodiode 111, the auxiliary transistor 120 is turned on so that the VDD 3.0V is connected to the drain terminal of the drive transistor 114 and the VDD 3.0V is the gate terminal of the drive transistor 114. Since the reference output voltage Vout1 is reduced to 0.5V at 3.0V, the threshold voltage Vth of the drive transistor 114 is reduced to 2.5V.

실시예에 따르면 빛이 포토 다이오드(111)로 들어오지 않을 때 상기 보조 트랜지스터(120)를 이용하여 제어하므로 상기 리셋 트랜지스터(113)의 채널에 전자들이 랜덤하게 움직여서 플로팅 확산 노드(FD)로 돌아오는 전자들에 의해 잡음이 발생되지 않아 전압 감소가 되지 않는다.According to the embodiment, when the light does not enter the photodiode 111, the control is performed by using the auxiliary transistor 120, and thus electrons randomly move to the channel of the reset transistor 113 to return to the floating diffusion node FD. No noise is generated by them, so there is no voltage reduction.

상기 보조 트랜지스터(120)는 로직회로영역에 형성되므로 상기 화소에 형성된 리셋 트랜지스터(113)보다 잡음에 강하며 단위 화소(Px)의 면적을 증가시킬 필요가 없다.Since the auxiliary transistor 120 is formed in the logic circuit region, the auxiliary transistor 120 is stronger in noise than the reset transistor 113 formed in the pixel and does not need to increase the area of the unit pixel Px.

따라서, 실시예는 포토 다이오드(111)의 면적 증가 없이 트랜지스터를 추가하여 다이나믹 레인지를 증가시킬 수 있으므로 초소형의 이미지 센서를 제작할 수 있다. Therefore, the embodiment can increase the dynamic range by adding a transistor without increasing the area of the photodiode 111, thereby making it possible to manufacture a miniature image sensor.

이후, 빛이 최대로 들어와 포토 다이오드(111)가 신호 전자를 최대로 생성한 뒤에 트랜스퍼 트랜지스터(112)를 턴온시켜 상기 포토 다이오드(111)에 생성된 1.0V 용량의 신호 전자들이 플로팅 확산 노드(FD)로 넘어오면 상기 플로팅 확산 노드(FD)의 전압이 1.9V수준으로 감소하게 된다. Thereafter, the maximum amount of light enters and the photodiode 111 generates the maximum signal electrons. Then, the transistor 110 is turned on so that the signal electrons having the 1.0V capacitance generated in the photodiode 111 are floated. In step 1), the voltage of the floating diffusion node FD decreases to 1.9V.

이때, 상기 보조 트랜지스터(120)는 턴오프되어 상기 플로팅 확산 노드(FD)에 걸린 전압이 상기 드라이브 트랜지스터(114)의 게이트에 연결되어 상기 드라이브 트랜지스터(114)의 문턱전압(Vth)만큼 전압이 감소되어 출력전압 Vout2가 1.4V 로 출력된다.In this case, the auxiliary transistor 120 is turned off so that the voltage applied to the floating diffusion node FD is connected to the gate of the drive transistor 114 to decrease the voltage by the threshold voltage Vth of the drive transistor 114. The output voltage Vout2 is output at 1.4V.

즉, 상기 포토 다이오드(111)에 빛이 들어오지 않을 때의 기준출력전압 Vout1과 상기 포토 다이오드(111)로 빛이 최대로 들어왔을 때의 출력전압 Vout2가 1.4V로 출력된다.That is, the reference output voltage Vout1 when no light enters the photodiode 111 and the output voltage Vout2 when maximum light enters the photodiode 111 are output at 1.4V.

따라서, 빛이 없을 때의 기준출력전압 Vout1와 빛이 최대일때의 출력전압 Vout2과의 전압차이가 포토다이오드(PD)의 최대 용량, 즉 다이나믹 레인지(Dynamic Range)가 되는데, 다이나믹 레인지는 두 출력 전압 Vout1, Vout2의 차이인 1.1V만큼이 되어, 상기 리셋 트랜지스터(113)의 잡음에 영향을 받을 때보다 다이나믹 레인지가 증가하게 된다.Therefore, the voltage difference between the reference output voltage Vout1 when there is no light and the output voltage Vout2 when the light is maximum becomes the maximum capacity of the photodiode PD, that is, the dynamic range, and the dynamic range is the two output voltages. The difference between Vout1 and Vout2 is 1.1V, which increases the dynamic range than when affected by the noise of the reset transistor 113.

상기 다이나믹 레인지 1.1V를 8bit(256 코드)로 나누면 1 코드당 약 4.3mV수준이 된다. 상기 1코드가 각 컬러의 그레이전압(1계조)인데, 상기 다이나믹 레인지가 1V인 경우 1코드당 약 3.9mV수준이므로 실시예는 1코드당 전압이 높아 잡음에 강하고 1코드간 전압차가 증가해서 각 그레이별 명암 대비가 좋아져 색감도가 향상된다.Dividing the dynamic range 1.1V into 8 bits (256 codes) results in approximately 4.3 mV per code. The one code is a gray voltage (one gradation) of each color. When the dynamic range is 1 V, the level is about 3.9 mV per code. Therefore, in the embodiment, the voltage per code is high, thus the noise is high, and the voltage difference between the codes increases. Contrast by gray improves the color sensitivity.

도 3은 제 2 실시예에 따른 이미지 센서를 보여주는 회로도이다.3 is a circuit diagram illustrating an image sensor according to a second embodiment.

이하, 실시예의 이해를 돕기 위하여 포토다이오드(PD)의 다이나믹 레인지가 1.0V이고 드라이브 트랜지스터의 문턱전압(Vth)이 0.5V라고 가정하여 동작을 설명하고 있으나, 이는 예시에 불과하다.Hereinafter, the operation of the photodiode PD is assumed to be 1.0V and the threshold voltage Vth of the drive transistor is 0.5V for the purpose of understanding the present invention. However, this is only an example.

도 3에 도시한 바와 같이, 이미지 센서는 단위 화소(Px)에 광전 변환부로서의 포토 다이오드(photo diode)(211)와, 4개의 트랜지스터들을 포함하여 구성된다. 상기 4개의 트랜지스터들의 각각은 트랜스퍼 트랜지스터(212), 리셋 트랜지스터(213), 드라이브 트랜지스터(214) 및 셀렉트 트랜지스터(215)이다. As shown in FIG. 3, the image sensor includes a photo diode 211 as a photoelectric conversion unit and four transistors in the unit pixel Px. Each of the four transistors is a transfer transistor 212, a reset transistor 213, a drive transistor 214 and a select transistor 215.

상기 리셋 트랜지스터(213)는 상기 광전하를 축전하는 플로팅확산영역(여기서는 플로팅확산노드로 지칭함)과 전원전압(VDD) 사이에 연결되어 리셋 기능을 하하며, 상기 드라이브 트랜지스터(214)는 상기 광전하를 인가받아 소스팔로워 버퍼증폭기 역할을 한다.The reset transistor 213 is connected between a floating diffusion region (herein referred to as a floating diffusion node) and a power supply voltage VDD to store the photocharges, and performs a reset function. It acts as a source follower buffer amplifier.

상기 셀렉트 트랜지스터(215)는 상기 드라이브 트랜지스터(214)와 연결되며 해당 단위화소(Px)를 선택한다.The select transistor 215 is connected to the drive transistor 214 and selects the unit pixel Px.

상기 이미지 센서는 상기 플로팅 확산 노드(FD)와 상기 드라이브 트랜지스터(214)의 드레인 단자를 연결하는 제 1 보조 트랜지스터(221), 상기 플로팅 확산 노드(FD)와 상기 VDD를 연결하는 제 2 보조 트랜지스터(222), 상기 VDD와 상기 드라이브 트랜지스터(214)의 드레인 단자를 연결하는 제 3 보조 트랜지스터(223)를 포함한다.The image sensor may include a first auxiliary transistor 221 connecting the floating diffusion node FD and a drain terminal of the drive transistor 214, and a second auxiliary transistor connecting the floating diffusion node FD and the VDD. 222 and a third auxiliary transistor 223 connecting the VDD and the drain terminal of the drive transistor 214.

상기 제2 보조 트랜지스터(222)는 상기 리셋 트랜지스터(213)와 병렬 연결될 수 있다.The second auxiliary transistor 222 may be connected in parallel with the reset transistor 213.

여기서, 미설명 부호 FD는 플로팅 확산 노드이고, Tx는 셀렉트 트랜지스터(215)의 게이트 전압이고, Rx는 리셋 트랜지스터(213)의 게이트 전압이고, Dx는 드라이브 트랜지스터(214)의 게이트 전압이고, Sx는 셀렉트 트랜지스터(215)의 게이트 전압이다. 그리고, M1은 상기 제 1 보조 트랜지스터(221)에 입력되는 게이트 전압이고, M2는 상기 제 2 보조 트랜지스터(222)에 입력되는 게이트 전압이고 M3는 상기 제 3 보조 트랜지스터(223)에 입력되는 게이트 전압이다.Here, reference numeral FD is a floating diffusion node, Tx is a gate voltage of the select transistor 215, Rx is a gate voltage of the reset transistor 213, Dx is a gate voltage of the drive transistor 214, Sx is It is the gate voltage of the select transistor 215. M1 is a gate voltage input to the first auxiliary transistor 221, M2 is a gate voltage input to the second auxiliary transistor 222, and M3 is a gate voltage input to the third auxiliary transistor 223. to be.

상기 이미지 센서의 셀렉트 트랜지스터(215)가 턴온되면 해당 단위 화소(Px)가 선택된다. 이때, 포토 다이오드(211)에 빛이 들어와서 신호 전자들이 생성되고 이 신호 전자들이 출력 전압으로 출력되게 된다.When the select transistor 215 of the image sensor is turned on, the corresponding unit pixel Px is selected. At this time, light enters the photodiode 211 to generate signal electrons, and the signal electrons are output as an output voltage.

상기 포토 다이오드(211)로 들어오는 빛이 없을 때 상기 제 3 보조 트랜지스터(223)를 턴오프시키고 상기 제 1 및 제 2 보조 트랜지스터들(221, 222)은 턴온시켜 상기 플로팅 확산 노드(FD)의 전압은 상기 드라이브 트랜지스터(214)의 드레인 단자에 연결되고 VDD 3.0V가 상기 드라이브 트랜지스터(214) 게이트 단자에 연결되어 기준출력전압 Vout1이 3.0V에서 상기 드라이브 트랜지스터(214)의 문턱전압(Vth) 0.5V만큼 감소되어 2.5V로 출력된다.When there is no light entering the photodiode 211, the third auxiliary transistor 223 is turned off and the first and second auxiliary transistors 221 and 222 are turned on so that the voltage of the floating diffusion node FD is turned on. Is connected to the drain terminal of the drive transistor 214 and VDD 3.0V is connected to the gate terminal of the drive transistor 214 so that the threshold voltage Vth of the drive transistor 214 is 0.5V when the reference output voltage Vout1 is 3.0V. Reduced to 2.5V output.

실시예에 따르면 빛이 포토 다이오드(211)로 들어오지 않을 때 상기 제1 내지 제 3 보조 트랜지스터(221, 222, 223)를 이용하여 제어하므로 상기 리셋 트랜지스터(213)의 채널에 전자들이 랜덤하게 움직여서 플로팅 확산 노드(FD)로 돌아오는 전자들에 의해 잡음이 발생되지 않아 전압 감소가 되지 않는다.According to the exemplary embodiment, when light does not enter the photodiode 211, the first to third auxiliary transistors 221, 222, and 223 are controlled by using electrons in the channel of the reset transistor 213 to float. The electrons returning to the diffusion node FD do not generate noise and thus no voltage decrease.

상기 제 2 및 제 3 보조 트랜지스터(222, 223)는 로직 회로에 형성되므로 상기 화소에 형성된 리셋 트랜지스터(213)보다 잡음에 강하며 상기 제 1 보조 트랜지스터(221)만 단위 화소(Px)에 형성하면 된다.Since the second and third auxiliary transistors 222 and 223 are formed in the logic circuit, the second and third auxiliary transistors 222 and 223 are stronger in noise than the reset transistor 213 formed in the pixel, and only the first auxiliary transistor 221 is formed in the unit pixel Px. do.

따라서, 실시예는 보조 트랜지스터를 이용하여 다이나믹 레인지를 증가시킬 수 있으므로 초소형의 이미지 센서를 제작할 수 있다. Therefore, the embodiment can increase the dynamic range by using the auxiliary transistor, thereby making it possible to manufacture a miniature image sensor.

이후, 빛이 최대로 들어와 포토 다이오드(211)가 신호 전자를 최대로 생성한 뒤에 트랜스퍼 트랜지스터(212)를 턴온시켜 상기 포토 다이오드(211)에 생성된 1.0V 용량의 신호 전자들이 플로팅 확산 노드(FD)로 넘어오면 상기 플로팅 확산 노드(FD)의 전압이 1.9V수준으로 감소하게 된다. Thereafter, the maximum amount of light enters the photodiode 211 to generate the maximum signal electrons, and then the transfer transistor 212 is turned on so that the signal electrons having the 1.0V capacitance generated in the photodiode 211 are floated. In step 1), the voltage of the floating diffusion node FD decreases to 1.9V.

상기 제 3 보조 트랜지스터(223)는 턴온시키고 상기 제 1 및 제 2 보조 트랜지스터(221, 222)는 턴오프시켜서 상기 플로팅 확산 노드(FD)에 걸린 전압이 상기 드라이브 트랜지스터(214)의 게이트에 연결되어 상기 드라이브 트랜지스터(214)의 문턱전압(Vth)만큼 전압이 감소되어 출력전압 Vout2가 1.4V로 출력된다.The third auxiliary transistor 223 is turned on and the first and second auxiliary transistors 221 and 222 are turned off so that a voltage applied to the floating diffusion node FD is connected to the gate of the drive transistor 214. The voltage is reduced by the threshold voltage Vth of the drive transistor 214 so that the output voltage Vout2 is output as 1.4V.

즉, 상기 포토 다이오드(211)에 빛이 들어오지 않을 때의 기준출력전압 Vout1과 상기 포토 다이오드로 빛이 최대로 들어왔을 때의 출력전압 Vout2가 1.4V로 출력된다.That is, the reference output voltage Vout1 when no light enters the photodiode 211 and the output voltage Vout2 when the maximum light enters the photodiode 2 are output at 1.4V.

따라서, 빛이 없을 때의 기준출력전압 Vout1와 빛이 최대일때의 출력전압 Vout2과의 전압차이가 포토다이오드(211)의 최대 용량, 즉 다이나믹 레인지(Dynamic Range)가 되는데, 다이나믹 레인지는 두 출력 전압 Vout1, Vout2의 차이인 1.1V만큼이 되어, 상기 리셋 트랜지스터(213)의 잡음에 영향을 받을 때보다 다이나믹 레인지가 증가하게 된다.Therefore, the voltage difference between the reference output voltage Vout1 when there is no light and the output voltage Vout2 when the light is maximum becomes the maximum capacity of the photodiode 211, that is, the dynamic range, where the dynamic range is the two output voltages. The difference between Vout1 and Vout2 is 1.1V, which increases the dynamic range than when affected by the noise of the reset transistor 213.

상기 다이나믹 레인지 1.1V를 8bit(256 코드)로 나누면 1 코드당 약 4.3mV수준이 된다. 상기 1코드가 각 컬러의 그레이전압(1계조)인데, 상기 다이나믹 레인지가 1V인 경우 1코드당 약 3.9mV수준이므로 실시예는 1코드당 전압이 높아 잡음에 강하고 1코드간 전압차가 증가해서 각 그레이별 명암 대비가 좋아져 색감도가 향상된다.Dividing the dynamic range 1.1V into 8 bits (256 codes) results in approximately 4.3 mV per code. The one code is a gray voltage (one gradation) of each color. When the dynamic range is 1 V, the level is about 3.9 mV per code. Therefore, in the embodiment, the voltage per code is high, thus the noise is high, and the voltage difference between the codes increases. Contrast by gray improves the color sensitivity.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although described above with reference to the embodiments, which are merely examples and are not intended to limit the present invention. Those skilled in the art to which the present invention pertains are not exemplified above without departing from the essential characteristics of the present invention. It will be appreciated that many variations and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment of the present invention can be modified. And differences relating to such modifications and applications will have to be construed as being included in the scope of the invention defined in the appended claims.

도 1은 일반적인 4T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도이다.1 is an equivalent circuit diagram of a general 4T CMOS image sensor.

도 2는 제 1 실시예에 따른 이미지 센서를 보여주는 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating an image sensor according to a first embodiment.

도 3은 제 2 실시예에 따른 이미지 센서를 보여주는 회로도이다.3 is a circuit diagram illustrating an image sensor according to a second embodiment.

Claims (6)

광전하를 생성하는 포토 다이오드;Photodiodes for generating photocharges; 상기 광전하를 축전하는 플로팅확산영역;A floating diffusion region for storing the photocharges; 상기 플로팅확산영역과 전원전압 사이에 연결되어 리셋 기능을 하는 리셋트랜지스터;A reset transistor connected between the floating diffusion region and a power supply voltage to perform a reset function; 상기 광전하를 인가받아 소스팔로워 버퍼증폭기 역할을 하는 드라이브 트랜지스터; 및A drive transistor configured to receive the photocharge and serve as a source follower buffer amplifier; And 상기 플로팅확산영역과 상기 전원전압 사이에 연결되어 상기 광전하가 생성되지 않으면 상기 전원전압을 상기 드라이브 트랜지스터의 게이트에 전달하는 보조 트랜지스터를 포함하는 씨모스 이미지 센서. And an auxiliary transistor connected between the floating diffusion region and the power supply voltage to transfer the power supply voltage to a gate of the drive transistor when the photocharge is not generated. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 보조 트랜지스터는 로직회로영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.And the auxiliary transistor is formed in a logic circuit region. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 보조 트랜지스터는 상기 광전하가 생성되면 상기 플로팅확산영역의 전압을 상기 드라이브 트랜지스터의 게이트에 전달하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.And the auxiliary transistor transfers a voltage of the floating diffusion region to a gate of the drive transistor when the photocharge is generated. 광전하를 생성하는 포토 다이오드;Photodiodes for generating photocharges; 상기 광전하를 축전하는 플로팅확산영역;A floating diffusion region for storing the photocharges; 상기 플로팅확산영역과 전원전압 사이에 연결되어 리셋 기능을 하는 리셋트랜지스터;A reset transistor connected between the floating diffusion region and a power supply voltage to perform a reset function; 상기 광전하를 인가받아 소스팔로워 버퍼증폭기 역할을 하는 드라이브 트랜지스터; A drive transistor configured to receive the photocharge and serve as a source follower buffer amplifier; 상기 플로팅 확산 영역과 상기 드라이브 트랜지스터의 드레인 단자를 연결하는 제 1 보조 트랜지스터;A first auxiliary transistor connecting the floating diffusion region and a drain terminal of the drive transistor; 상기 플로팅 확산 영역과 상기 전원전압을 연결하는 제 2 보조 트랜지스터; 및A second auxiliary transistor connecting the floating diffusion region and the power supply voltage; And 상기 전원전압과 상기 드라이브 트랜지스터의 드레인 단자를 연결하는 제 3 보조 트랜지스터를 포함하는 씨모스 이미지 센서.And a third auxiliary transistor connecting the power supply voltage and a drain terminal of the drive transistor. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 광전하가 생성되지 않으면 상기 제 3 보조 트랜지스터를 턴오프시키고 상기 제 1 및 제 2 보조 트랜지스터들은 턴온시켜 상기 플로팅 확산 영역의 전압은 상기 드라이브 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되고 상기 전원전압은 상기 드라이브 트랜지스터 게이트 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.If the photocharge is not generated, the third auxiliary transistor is turned off and the first and second auxiliary transistors are turned on so that the voltage of the floating diffusion region is connected to the drain terminal of the drive transistor, and the power supply voltage is the drive transistor. CMOS image sensor, characterized in that connected to the gate terminal. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 광전하가 생성되면 상기 제 3 보조 트랜지스터는 턴온시키고 상기 제 1 및 제 2 보조 트랜지스터는 턴오프시켜서 상기 플로팅 확산 영역에 걸린 전압이 상기 드라이브 트랜지스터의 게이트에 연결되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.And when the photocharge is generated, the third auxiliary transistor is turned on and the first and second auxiliary transistors are turned off so that a voltage across the floating diffusion region is connected to a gate of the drive transistor. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH10223875A (en) 1997-02-06 1998-08-21 Toshiba Corp Solid-state image sensing device, driving method thereof and electronic still camera
KR100718786B1 (en) 2005-12-29 2007-05-16 매그나칩 반도체 유한회사 Cmos image sensor

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