KR100891804B1 - 씨모스 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드에 의해 생성된 광전하를 제1 플로팅 확산영역으로 전송하고, 상기 제1 플로팅 확산영역의 커패시턴스를 증가시키는 트랜스미션 게이트부; 상기 트랜스미션 게이트부에 의해 전송된 제1 플로팅 확산영역의 광전하를 제2 플로팅 확산영역으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터; 및 상기 제2 플로팅 확산영역의 광전하를 검출전압으로 변환하는 드라이브 트랜지스터를 포함한다.
씨모스, CMOS, 이미지 센서, 플로팅 확산, 커패시턴스, 열적 노이즈

Description

씨모스 이미지 센서{CMOS IMAGE SENSOR}
본 발명은 카메라 모듈에 적용될 수 있는 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 열적 노이즈(Thermal Noise)를 줄여서 저조도에서도 높은 감도를 유지할 수 있는 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 디지털 카메라, 휴대폰 등의 가정용 제품이나, 병원에서 사용되는 내시경, 지구를 돌고 있는 인공위성의 망원경에 이르기까지 매우 광범위한 분야에서 사용되고 있다.
이러한 다양한 이미지 센서중, 씨모스 제조 기술로 생산되는 씨모스(CMOS) 이미지 센서는 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 모스(MOS)트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다.
일반적으로, 씨모스 이미지 센서는, 종래 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 씨씨디(CCD) 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 씨모스 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있어서 휴대폰, PC, 감시 카메라 등의 저가, 저전력을 요하는 분야에 쓰이고 있다.
도 1은 종래 씨모스 이미지 센서의 구성도이다.
도 1에 도시된 종래 씨모스 이미지 센서는, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(PD)와, 상기 포토다이오드(PD)에 의해 생성된 광전하를 플로팅확산영역(FDA)으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터(T-MOS)와, 상기 플로팅 확산영역(FDA)을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(R-MOS)와, 상기 플로팅 확산영역(FDA)의 광전하를 전압으로 변환하는 드라이브 트랜지스터(D-MOS)와, 상기 드라이브 트랜지스터(D-MOS)와 출력단(OUT) 사이에 연결되어, 상기 드라이브 트랜지스터(D-MOS)를 통해 출력되는 검출전압을 선택하는 선택 트랜지스터(S-MOS)를 포함한다.
이와같은 종래 씨모스 이미지 센서는, 리셋 트랜지스터(R-MOS)의 동작에 의해 리세트 노이즈(RESET NOISE)가 발생되고, 이러한 리세트 노이즈는 열적 노이즈로써, 센서의 감도(Sensitivity)의 열화를 초래하게 되는 문제점이 있다.
뿐만 아니라, 저조도 시에서는 아주 적은 빛이 포토다이오드에 입사되므로, 이때 감지되는 신호에 비해 상대적으로 열적 노이즈 성분이 많으면 당연히 신호의 열화가 발생하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로써, 그 목적은 열적 노이즈(Thermal Noise)를 줄여서 저조도에서도 높은 감도를 유지할 수 있는 씨모스 이미지 센서를 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 씨모스 이미지 센서는, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드에 의해 생성된 광전하를 제1 플로팅 확산영역으로 전송하고, 상기 제1 플로팅 확산영역의 커패시턴스를 증가시키는 트랜스미션 게이트부; 상기 트랜스미션 게이트부에 의해 전송된 제1 플로팅 확산영역의 광전하를 제2 플로팅 확산영역으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터; 및 상기 제2 플로팅 확산영역의 광전하를 검출전압으로 변환하는 드라이브 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제1항에 있어서, 상기 제2 플로팅 확산영역의 광전하를 리세트시키는 리셋 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 씨모스 이미지 센서는, 상기 드라이브 트랜지스터와 출력단 사이에 연결되어, 상기 드라이브 트랜지스터에 의해 검출된 검출전압의 출력을 선택하는 선택 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 드라이브 트랜지스터는, 원에 연결된 드레인과, 상기 선택 트랜지스터에 연결된 소오스와, 상기 제2 플로팅 확산영역에 연결된 게이트를 포함하는 소오 스 팔로워 트랜지스터인 것을 특징으로 한다.
상기 트랜스미션 게이트부는, 상기 포토 다이오드에 연결된 소오스와, 상기 트랜스퍼 트랜지스터에 연결된 드레인과, 제1 게이트 전압단에 연결된 게이트를 포함하는 N-MOS 트랜지스터; 및 상기 N-MOS 트랜지스터의 소오스에 연결된 소오스와, 상기 N-MOS 트랜지스터의 드레인에 연결된 드레인과, 제2 게이트 전압단에 연결된 게이트를 포함하는 P-MOS 트랜지스터를 포함한다.
상기 제1 게이트 전압은, 상기 전원과 동일한 전압인 것을 특징으로 한다.
상기 제2 게이트 전압단은, 접지에 연결된 것을 특징으로 한다.
이와같은 본 발명에 의하면, 열적 노이즈(Thermal Noise)를 줄여서 저조도에서도 높은 감도를 유지할 수 있고, 입력 전압 레인지를 게이트 전압까지 확대할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 설명되는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상에 대한 이해를 돕기 위해서 사용된다. 본 발명에 참조된 도면에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 일 실시예를 보이는 구성도이 다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(100)와, 상기 포토다이오드(100)에 의해 생성된 광전하를 제1 플로팅 확산영역(FDA1)으로 전송하고, 상기 제1 플로팅 확산영역(FDA1)의 커패시턴스를 증가시키는 트랜스미션 게이트부(200)와, 상기 트랜스미션 게이트부(200)에 의해 전송된 제1 플로팅 확산영역(FDA1)의 광전하를 제2 플로팅 확산영역(FDA2)으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터(300)와, 상기 제2 플로팅 확산영역(FDA2)의 광전하를 검출전압으로 변환하는 드라이브 트랜지스터(500)를 포함한다.
또한, 본 발명의 씨모스 이미지 센서는, 상기 제2 플로팅 확산영역(FDA2)의 광전하를 리세트시키는 리셋 트랜지스터(400)와, 상기 드라이브 트랜지스터(500)와 출력단(OUT) 사이에 연결되어, 상기 드라이브 트랜지스터(500)에 의해 검출된 검출전압의 출력을 선택하는 선택 트랜지스터(600)를 포함할 수 있다.
상기 드라이브 트랜지스터(500)는, 전원(VDD)에 연결된 드레인과, 상기 선택 트랜지스터(600)에 연결된 소오스와, 상기 제2 플로팅 확산영역(FDA1)에 연결된 게이트를 포함하는 소오스 팔로워 트랜지스터로 이루어질 수 있다.
상기 트랜스미션 게이트부(200)의 일 실시형태는, 상기 포토 다이오드(100)에 연결된 소오스와, 상기 트랜스퍼 트랜지스터(300)에 연결된 드레인과, 제1 게이트 전압(VG1)단에 연결된 게이트를 포함하는 N-MOS 트랜지스터(M1)와, 상기 N-MOS 트랜지스터(M1)의 소오스에 연결된 소오스와, 상기 N-MOS 트랜지스터(M1)의 드레인에 연결된 드레인과, 제2 게이트 전압(VG2)단에 연결된 게이트를 포함하는 P-MOS 트랜지스터(M2)를 포함한다.
이때, 상기 제1 게이트 전압(VG1)은, 상기 전원(VDD)과 동일한 전압으로 설정되고, 상기 제2 게이트 전압(VG2)단은, 접지에 연결된다.
도 3은 본 발명의 트랜스미션 게이트부(200)의 동작 설명도이다.
도 3에서, 상기 트랜스미션 게이트부(200)의 N-MOS 트랜지스터(M1)는, 광전하에 의한 소오스 전압(Vs)이 낮을 때 도통하여 제1 전송경로(PH1)를 형성하여, 상기 광전하를 제1 플로팅 확산영역(FDA1)으로 전송한다.
그리고, 상기 트랜스미션 게이트부(200)의 P-MOS 트랜지스터(M2)는, 광전하에 의한 소오스 전압(Vs)이 높을 때 도통하여 제2 전송경로(PH2)를 형성하여, 상기 광전하를 상기 제1 플로팅 확산영역(FDA1)으로 전송한다.
도 4는 본 발명의 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 하는 등가 회로도이다.
도 4에 도시된 등가회로에서, 저항(RTF)은 상기 트랜스퍼 트랜지스터(300)의 등가 저항이고, 제1 커패시턴스(CF1)는 제1 플로팅 확산영역(FDA1)의 등가 커패시턴스이고, 제2 커패시턴스(CF2)는 제2 플로팅 확산영역(FDA2)의 등가 커패시턴스이다.
이하, 본 발명의 작용 및 효과를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서에 대해 설명하면, 먼저 도 2에서, 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 포토다이오드(100)는 빛을 받으면 광전하를 생성한다.
이와 같이 생성된 광전하는 트랜스미션 게이트부(200)에 의해서 제1 플로팅 확산영역(FDA1)으로 전송된다. 상기 트랜스미션 게이트부(200)의 전송 동작에 대해서는 도 3을 참조하여 설명한다.
또한, 상기 트랜스미션 게이트부(200)는, 상기 제1 플로팅 확산영역(FDA1)의 커패시턴스를 증가시켜, 상기 광전하에 의한 검출전압에 포함될 수 있는 열적 노이즈 성분을 줄일 수 있으며, 이에 대해서는 도 4를 참조하여 설명한다.
도 2에서, 본 발명의 트랜스퍼 트랜지스터(300)는, 상기 트랜스미션 게이트부(200)에 의해 전송된 제1 플로팅 확산영역(FDA1)의 광전하를 제2 플로팅 확산영역(FDA2)으로 전송한다.
다음, 본 발명의 드라이브 트랜지스터(500)는, 상기 제2 플로팅 확산영역(FDA2)의 광전하를 검출전압으로 변환한다.
예를 들어, 상기 드라이브 트랜지스터(500)는, 전원(VDD)에 연결된 드레인과, 상기 선택 트랜지스터(600)에 연결된 소오스와, 상기 제2 플로팅 확산영역(FDA1)에 연결된 게이트를 포함하는 소오스 팔로워 트랜지스터로 이루어지는 경 우에 대해 설명한다.
이때, 상기 드라이브 트랜지스터(500)는, 상기 제2 플로팅 확산영역(FDA1)의 광전하에 의한 전압에 따라 동작하여 전원(Vdd)의 전압을 출력한다.
이후, 본 발명의 선택 트랜지스터(600)는, 상기 드라이브 트랜지스터(500)와 출력단(OUT) 사이에 연결되어, 상기 드라이브 트랜지스터(500)에 의해 검출된 검출전압의 출력을 선택하여 출력단(OUT)을 통해 출력한다.
한편, 본 발명의 리셋 트랜지스터(400)는, 정확한 검출을 위해서, 주기적인 검출간격 사이에서, 반복적으로 리세트 신호(RST)에 따라 상기 제2 플로팅 확산영역(FDA2)의 광전하를 리세트시킨다.
도 2를 참조하여 상기 트랜스미션 게이트부(200)의 일 실시형태에 대해 설명한다.
상기 트랜스미션 게이트부(200)는, 상기 포토 다이오드(100)에 연결된 소오스와, 상기 트랜스퍼 트랜지스터(300)에 연결된 드레인과, 제1 게이트 전압(VG1)단에 연결된 게이트를 포함하는 N-MOS 트랜지스터(M1)와, 상기 N-MOS 트랜지스터(M1)의 소오스에 연결된 소오스와, 상기 N-MOS 트랜지스터(M1)의 드레인에 연결된 드레인과, 제2 게이트 전압(VG2)단에 연결된 게이트를 포함하는 P-MOS 트랜지스터(M2)를 포함한다.
이때, 상기 제1 게이트 전압(VG1)은, 상기 전원(VDD)과 동일한 전압으로 설정되고, 상기 제2 게이트 전압(VG2)단은, 접지에 연결된다. 예를 들어, 상기 전 원(VDD)의 전압이 3.3V인 경우에는, 상기 제1 게이트 전압(VG1)도 3.3V로 설정될 수 있고, 이때, 상기 제2 게이트 전압(VG2)은 접지레벨로 된다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 트랜스미션 게이트부(200)의 전송 동작에 대해 설명한다.
도 3에서, 상기 제1 게이트 전압(VG1)이 3.3V이고, 상기 트랜스미션 게이트부(200)의 N-MOS 트랜지스터(M1)의 문턱 전압이 0.3V이면, 상기 트랜스미션 게이트부(200)의 N-MOS 트랜지스터(M1)는, 광전하에 의한 소오스 전압(Vs)이 3V보다 낮을 경우, 즉 상기 소오스 전압(Vs)이 0V에서 3V 사이의 전압일 경우에 도통하여 제1 전송경로(PH1)를 형성한다. 이에 따라 상기 포토 다이오드(100)에 의해 발생된 광전하는 상기 제1 전송경로(PH1)를 통해 제1 플로팅 확산영역(FDA1)으로 전송된다.
그리고, 상기 트랜스미션 게이트부(200)의 P-MOS 트랜지스터(M2)는, 광전하에 의한 소오스 전압(Vs)이 3V에서 3.3V 사이의 전압일 경우에 도통하여 제2 전송경로(PH2)를 형성한다. 이에 따라, 상기 포토 다이오드(100)에 의해 발생된 광전하는 상기 제2 전송경로(PH2)를 통해 상기 제1 플로팅 확산영역(FDA1)으로 전송된다.
이에 따르면, 본 발명의 트랜스미션 게이트부(200)가 전송할 수 있는 입력전압의 레인지가, 대략 0V에서 제1 게이트 전압(VG1)인 3.3V 까지 보다 광범위하게 된다.
이하, 도 4는 본 발명의 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 하는 등가 회로를 참조하여, 본 발명에서 열적 노이즈의 개선에 대해 설명한다.
도 4에 도시된 등가회로에서, 저항(RTF)은 상기 트랜스퍼 트랜지스터(300)의 등가 저항이고, 제1 커패시턴스(CF1)는 제1 플로팅 확산영역(FDA1)의 등가 커패시턴스이고, 제2 커패시턴스(CF2)는 제2 플로팅 확산영역(FDA2)의 등가 커패시턴스이다.
이때, 본 발명의 씨모스 이미지 센서에서, 열적 노이즈 전압(Vn)은 하기 수학식 1과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112007069074243-pat00001
상기 수학식 1에서, k는 상수이고, T는 온도이고, CT는 전체 커패시턴스이다.
이때, 도 4에 보인 바와 같이, 저항(RTF)을 중심으로 제1 커패시턴스(CF1)와 제2 커패시턴스(CF2)가 서로 병렬로 연결되어 있으며, 상기 전체 커패시턴스(CT)는 제1 커패시턴스(CF1)와 제2 커패시턴스(CF2)의 합산 커패시턴스에 해당된다.
이에 따라, 상기 제1 커패시턴스(CF1)는 상기 트랜스미션 게이트부(200)에 의해 증가되고, 이에 따라 전체 커패시턴스(CT)도 증가되므로, 결국 열적 노이즈는 상기 트랜스미션 게이트부(200)에 의해 감소하게 되는 것을 알 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에서, 화상통화 및 동영상 저장시에 사용 가능한 이미지 센서에서, 화상통화 및 동영상 저장시 주변이 어두운 환경에서는 프레임 저하로 인한 끊기는 현상이 발생하는데 이를 방지하기 위해, 씨모스(CMOS) 이미지 센서에서, 열적 노이즈에 해당되는 'kTC' 노이즈(Noise)를 줄여 저조도 상태에서도 고감도를 유지할 수 있도록 하는 것이다. 즉, 어두운 장소에서도 프레임 저하를 막을 수 있어 동영상에서 우수한 특성을 확보할 수 있다.
뿐만 아니라, 트랜스미션 게이트부를 NMOS 트랜지스터와 PMOS 트랜지스터로 구현하여, 입력 전압에 대한 동작 가능한 레인지를 확대시켰으며, 이와 동시에, 플로팅 확산영역에서 커패시턴스를 증가시켜 열적 노이즈를 감소시켰다.
도 1은 종래 씨모스 이미지 센서의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 일 실시예를 보이는 구성도.
도 3은 본 발명의 트랜스미션 게이트부(200)의 동작 설명도.
도 4는 본 발명의 트랜스퍼 트랜지스터를 중심으로 하는 등가 회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 포토다이오드
200 : 트랜스미션 게이트부
300 : 트랜스퍼 트랜지스터
400 : 리셋 트랜지스터
500 : 드라이브 트랜지스터

Claims (7)

  1. 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드;
    상기 포토다이오드에 의해 생성된 광전하를 제1 플로팅 확산영역으로 전송하고, 상기 제1 플로팅 확산영역의 커패시턴스를 증가시키는 트랜스미션 게이트부;
    상기 트랜스미션 게이트부에 의해 전송된 제1 플로팅 확산영역의 광전하를 제2 플로팅 확산영역으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터;
    상기 제2 플로팅 확산영역의 광전하를 검출전압으로 변환하는 드라이브 트랜지스터
    상기 제2 플로팅 확산영역의 광전하를 리세트시키는 리셋 트랜지스터; 및
    상기 드라이브 트랜지스터와 출력단 사이에 연결되어, 상기 드라이브 트랜지스터에 의해 검출된 검출전압의 출력을 선택하는 선택 트랜지스터를 포함하고,
    상기 드라이브 트랜지스터는,
    전원에 연결된 드레인과, 상기 선택 트랜지스터에 연결된 소오스와, 상기 제2 플로팅 확산영역에 연결된 게이트를 포함하는 소오스 팔로워 트랜지스터이고,
    상기 트랜스미션 게이트부는,
    상기 포토 다이오드에 연결된 소오스와, 상기 트랜스퍼 트랜지스터에 연결된 드레인과, 제1 게이트 전압단에 연결된 게이트를 포함하는 N-MOS 트랜지스터; 및
    상기 N-MOS 트랜지스터의 소오스에 연결된 소오스와, 상기 N-MOS 트랜지스터의 드레인에 연결된 드레인과, 제2 게이트 전압단에 연결된 게이트를 포함하는 P-MOS 트랜지스터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 게이트 전압은,
    상기 전원과 동일한 전압인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 게이트 전압단은,
    접지에 연결된 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
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