KR101146170B1 - 픽셀 및 이를 이용한 ｃｍｏｓ 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일측면은, 외부로부터 빛을 감지하여 광전하를 생성하는 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드에서 생성된 광전하를 전송 제어신호에 따라 플로팅 확산 노드로 전달하는 전송 트랜지스터와, 리셋 제어 신호에 따라 상기 플로팅 확산 노드를 리셋하는 리셋 트랜지스터와, 상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기신호를 선택신호에 따라 출력하는 신호 전달 회로부, 및 출력전압이 조절될 수 있는 전압 조정부와 상기 포토 다이오드 사이에 연결되는 캐패시터를 포함하며, 상기 전압 조정부의 전압이 상기 포토 다이오드 및 캐패시터에 분배되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀을 제공할 수 있다.
픽셀, CMOS 이미지 센서

Description

픽셀 및 이를 이용한 ＣＭＯＳ 이미지 센서 {PIXEL AND CMOS IMAGE SENSOR USING THE SAME}
본 발명은 CMOS 이미지 센서의 픽셀 및 이를 이용한 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로서, 포토 다이오드에 걸리는 전압을 조절하여 포토 다이오드의 광 민감도를 조절할 수 있는 픽셀 및 이를 이용한 CMOS 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image Sensor)란 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 찍어내는(Capture) 장치를 말한다. 자연계에 존재하는 각 피사체의 각 부분은 빛의 밝기 및 파장 등이 서로 달라서, 감지하는 장치의 각 픽셀에서 다른 전기적인 값을 보이는데, 이 전기적인 값을 신호처리가 가능한 레벨로 만들어 주는 것이 바로 이미지 센서가 하는 일이다.
이를 위해 이미지 센서는 수만에서 수십만 개의 단위 픽셀로 구성된 픽셀 어레이와, 수천개 정도의 픽셀에서 감지한 아날로그 전압을 디지털 전압으로 바꿔주는 장치와 수백개에서 수천개의 저장장치 등으로 구성될 수 있다.
한편, 씨모스(CMOS : Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서는 일반 공정에 비하여 컬러 필터(Color Filter), 마이크로 렌즈(Micro Lens) 등의 공정을 더 포함하고, 빛을 입력으로 하므로 빛의 투과도가 제품의 특성에 미치는 영향이 커 공정상의 변화(Variation)에 민감한 특성을 갖는다.
도 1은, 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀에 대한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 단위 픽셀(100)은 1개의 포토 다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성될 수 있다. 4개의 트랜지스터는 포토 다이오드(110)에 생성된 광전하를 플로팅 확산노드(FD)로 전달하기 위한 전송 트랜지스터(120)와, 다음 신호 검출을 위해 상기 플로팅 확산노드에 저장되어 있는 전하를 배출하며 기준전압 레벨을 읽기 위한 리셋 트랜지스터(130)와, 픽셀에서 발생하는 신호를 왜곡시키지 않고 픽셀과 픽셀로부터의 출력신호를 받는 아날로그-디지털 변환기 사이를 인터페이스하기 위해 샘플앤 홀드(Sample and Hold)를 구동하기 위한 소스 팔로우로 연결된 드라이브 트랜지스터(141) 및 행 단위로 픽셀의 전압을 읽어가도록 어드레싱하는 셀렉트 트랜지스터(142)를 포함할 수 있다.
도 2는, 상기 도 1에 도시된 단위 픽셀의 동작 타이밍도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 리셋(RST) 신호에 의해 플로팅 확산노드(FD)가 하이(High) 전압으로 리셋된 후, 전송(TG) 신호가 하이(High)로 활성화되어 포토 다이오드(110)의 신호가 상기 플로팅 확산노드(FD)로 전달되고, 드라이브 트랜지스터(141)에서 증폭되어 컬럼(Column) 신호인 Vout 으로 출력된다.
도 3의 (a) 내지 (d)는, 상기 도 1에 도시된 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3의 (a)는 포토 다이오드에 광에 의한 전하가 집적(integration)되는 단계이다. 본 단계에서는 전송 트랜지스터(320) 및 리셋 트랜지스터(330)가 오프 상태로 되어있어 상기 포토 다이오드(310)에 광에의한 전하가 집적될 수 있다.
도 3의 (b)는, 리셋 트랜지스터(330)가 턴-온 되는 단계이다. 본 단계에서 리셋 트랜지스터가 턴-온 되어 플로팅 확산 노드(FD)에 저장되어 있는 전하를 배출하고 상기 플로팅 확산 노드의 전위를 전원 전압(Vdd)에 가깝게 상승시킬 수 있다.
도 3의 (c)는, 리셋 트랜지스터(330)가 턴-오프 되는 단계이다. 본 단계에서 상기 플로팅 확산 노드(FD)의 전위는 전 단계에서 샘플링된 전위를 유지할 수 있다.
도 3의 (d)는, 전송 트랜지스터(320)가 턴-온 되는 단계이다. 본 단계에서는 포토 다이오드(310)에 집적된 전하들이 상기 플로팅 확산 노드(FD)로 흘러들어갈 수 있다.
종래기술에 따른 단위 픽셀을 사용한 이미지 센서는 일정한 빛을 수광하는 경우에는 큰 문제가 없으나 포토 다이오드로 유입되는 광량이 기준 광량보다 많아지거나 적어지면, 상기 포토 다이오드에서 축적되는 전하량이 달라져서 이미지 센서의 민감도가 떨어지는 문제점이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 포토 다이오드의 전하량을 조절하여 포토 다이오드의 광 민감도를 조절할 수 있는 단위 픽셀 및 이를 이용한 씨모스 이미지 센서를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면은, 외부로부터 빛을 감지하여 광전하를 생성하는 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드에서 생성된 광전하를 전송 제어신호에 따라 플로팅 확산 노드로 전달하는 전송 트랜지스터와, 리셋 제어 신호에 따라 상기 플로팅 확산 노드를 리셋하는 리셋 트랜지스터와, 상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기신호를 선택신호에 따라 출력하는 신호 전달 회로부, 및 출력전압이 조절될 수 있는 전압 조정부와 상기 포토 다이오드 사이에 연결되는 캐패시터를 포함하며, 상기 전압 조정부의 전압이 상기 포토 다이오드 및 캐패시터에 분배되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 일측면은, 복수개의 단위픽셀이 행렬로 배열된 픽셀 어레이, 및 온도에 따라 구동 전압이 조절되는 온도 센서 구동 제어부를 포함하며, 상기 복수개의 단위 픽셀 각각은, 외부로부터 빛을 감지하여 광전하를 생성하는 포토 다이오드와, 전송 제어신호에 따라 상기 포토 다이오드에 축적된 광전하를 플로팅 확산 노드로 전달하는 전송 트랜지스터와, 리셋 제어 신호에 따라 상기 플로팅 확산 노드의 전압을 전원전압으로 리셋하는 리셋 트랜지스터와, 상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기신호를 선택신호에 따라 출력하는 신호 전달 회로부, 및 상기 온도 센서 구동 제어부와 상기 포토 다이오드 사이에 연결되는 캐패시터를 포함하며, 상기 온도센서 구동 제어부의 전압이 상기 포토 다이오드 및 캐패시터에 분배되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 외부의 광량에 따라 광 민감도가 조절될 수 있어 외부환경에 대한 적응성을 높일 수 있는 픽셀 및 이를 이용한 씨모스 이미지 센서를 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.
도 4는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서(400)는, 포토 다이오드(410), 전송 트랜지스터(420), 리셋 트랜지스터(430), 신호 전달회로(440), 및 캐패시터(450)를 포함할 수 있다.
상기 포토 다이오드(410)는, 외부로부터 빛을 감지하여 광전하를 생성할 수 있다. 상기 포토 다이오드(410)는 일단이 접지되어 있고 타단이 상기 전송 트랜지스터(420)에 연결될 수 있다. 상기 포토 다이오드(410)에서 생성된 광전하는 상기 전송 트랜지스터(420)의 소스-드래인 경로가 형성되기 전까지 상기 포토 다이오드에 축적될 수 있다.
상기 전송 트랜지스터(420)는, 전송 제어신호(TG)에 따라 상기 포토 다이오드에 집적된 광전하를 플로팅 확산 노드(FD)로 전송할 수 있다. 상기 전송 트랜지스터(420)는 드래인이 상기 포토 다이오드(410)에 연결되고, 소스가 상기 플로팅 확산 노드(FD)에 연결되며, 게이트는 전송 제어신호 라인(TG)에 연결될 수 있다. 상기 전송 트랜지스터(420)는 상기 전송 제어신호에 의해 상기 포토 다이오드에서 발생된 신호를 상기 플로팅 확산 노드(FD)로 전달하는 스위칭 역할을 할 수 있다. 상기 전송 제어신호는 상기 포토 다이오드에 광전하가 일정량 축적되면 상기 전송 트랜지스터(420)의 소스-드래인 경로를 형성하도록 하는 신호를 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 전달하는 신호일 수 있다.
상기 리셋 트랜지스터(430)는, 리셋 제어 신호에 따라 상기 플로팅 확산 노드의 전압을 전원전압 레벨로 리셋시킬 수 있다. 상기 리셋 트랜지스터(430)는, 드래인이 전원단(Vdd)에 연결되고, 소스가 상기 플로팅 확산 노드(FD)에 연결되며, 게이트가 리셋 제어신호 라인(RST)에 연결될 수 있다. 상기 리셋 트랜지스터(430) 는 상기 리셋 제어신호에 의해 상기 전원단(Vdd)과 상기 플로팅 확산 노드(FD)를 연결하는 스위칭 역할을 할 수 있다. 상기 리셋 제어신호에 의해 상기 플로팅 확산 노드의 전압이 리셋되면, 상기 포토 다이오드가 작동하기 전에 픽셀에서 발생되는 기준 신호를 발생시킬 수 있다.
상기 신호 전달회로(440)는, 선택신호에 응답하여 상기 플로팅 확산 노드의 전위를 출력단(Vout)으로 전달할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 신호 전달회로(440)는, 직렬 연결된 드라이브 트랜지스터(441) 및 셀렉트 트랜지스터(442)를 포함할 수 있다.
상기 드라이브 트랜지스터(441)는, 상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기신호를 출력할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 드라이브 트랜지스터(441)는, 드래인이 전원단(Vdd)에 연결되고, 소스가 상기 셀렉트 트랜지스터(442)에 연결되며, 게이트가 상기 플로팅 확산노드(FD)에 연결될 수 있다. 상기 드라이브 트랜지스터(441)는 게이트에 입력되는 플로팅 확산 노드(FD)의 전위에 따라 상기 전원단과 셀렉트 트랜지스터 사이에 소스-드래인 경로를 조절하여 신호를 출력할 수 있다.
상기 셀렉트 트랜지스터(442)는, 선택신호에 따라 상기 드라이브 트랜지스터에서 출력되는 신호의 출력을 제어할 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 셀렉트 트랜지스터(442)는 드래인이 상기 드라이브 트랜지스터(441)의 소스에 연결되고, 소스가 출력단에 연결되며, 게이트가 선택신호 라인(ROW)에 연결될 수 있다. 상기 셀렉트 트랜지스터(442)는 상기 드라이브 트랜지스터(441)와 직렬로 연결되며, 선택신 호에 응답하여 상기 드라이브 트랜지스터(441)에서 출력되는 신호의 출력을 제어할 수 있다.
본 실시형태에서는 전송 트랜지스터(420), 리셋 트랜지스터(430), 드라이브 트랜지스트(441), 및 셀렉트 트랜지스터(442)가 각각 NMOS 로 구현된 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 상기 트랜지스터들은 PMOS 형태로도 구현될 수 있으며, 이 경우에는 상기 드래인 및 소스의 연결이 달라질 수 있다.
상기 캐패시터(450)는, 전압조정부와 상기 포토 다이오드 사이에 연결되어 상기 전압 조정부의 전압을 상기 포토 다이오드와 분배할 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 캐패시터는 전압조정부에 연결되는 단자(460)와 접지단 사이에서 상기 포토 다이오드(410)와 직렬로 연결될 수 있다. 즉, 상기 캐패시터(450)의 일단은 상기 포토 다이오드(410)와 상기 전송 트랜지스터(420) 사이에 연결되고 타단은 전압 조정부에 연결되는 단자(460)에 연결될 수 있다. 상기 전압 조정부의 전압은 상기 캐패시터(450) 및 포토 다이오드(410)에 분배될 수 있다. 즉, 상기 전압 조정부의 전압이 조절되면 상기 포토 다이오드(410)에 걸리는 전압이 조절될 수 있다.
상기 포토 다이오드의 전하용량(Q)은 상기 포토 다이오드의 캐패시턴스(C) 및 상기 포토 다이오드에 걸리는 전압(V)에 의해 정해질 수 있다. 상기 포토 다이오드의 캐패시턴스(C)는 제조당시 일정하게 정해지므로, 상기 포토 다이오드에 걸리는 전압을 조절하면 상기 포토 다이오드의 전하용량을 조절할 수 있다. 상기 포토 다이오드의 전하용량(Q)이 조절될 수 있다. 즉, 상기 포토 다이오드가 축적할 수 있는 광전하 용량이 조절되므로, 외부로부터 빛을 감지하여 광전하를 발생하는 상기 포토 다이오드의 민감도(sensitivity)가 조절될 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 캐패시터(450)는, MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터일 수 있다. 본 실시형태에서 상기 MOS 캐패시터(450)는 기본적인 단위픽셀과 별도로 형성될 수 있다.
본 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서(400)의 동작을 설명하겠다.
리셋 제어 신호의 전압이 상승하여 리셋 트랜지스터(430)가 턴-온 되면 플로팅 확산 노드(FD)의 전위가 전원 전압(Vdd)레벨 즉, 상기 전원전압에 가깝게 상승할 수 있다. 이 때, 드라이브 트랜지스터(441)와 셀렉트 트랜지스터(442)에 의해 플로팅 확산 노드(FD)의 전위가 일차적으로 샘플링되고, 이 전위가 단위픽셀에서 출력되는 기준 전위가 될 수 있다.
광이 집적되는 동안(Integration Period)에 외부에서 수광된 빛이 포토 다이오드(410)에 입사하게 되면 이에 비례하여 전자-정공쌍(Electron Hole Pair ;EHP)이 생성될 수 있다.
전송 제어신호(TG)의 전압이 상승하면 전송 트랜지스터(420)의 소스-드래인 사이에 경로가 형성되어 포토 다이오드(410)에 축적된 전하가 플로팅 확산 노드(FD)로 전달된다. 따라서, 포토 다이오드(410)로부터 플로팅 확산 노드(FD)로 전달된 신호 전하량에 비례하여 플로팅 확산 노드(FD)의 전위가 하강하여 결과적으로 드라이브 트랜지스터(441)의 소스 전위가 변하게 된다.
셀렉트 트랜지스터(442)가 턴-온 되면, 드라이브 트랜지스터(441) 및 셀렉트 트랜지스터(442)를 통하여 플로팅 확산 노드(FD)의 전위가 전달되고, 이 전위가 데이터 전위가 된다. 플로팅 확산 노드(FD)를 리셋시켰을 때 읽어낸 기준 전위와 상기 데이터 전위를 비교하여 광 센싱을 한다. 예를 들어, 광 센싱은 상관 이중 샘플링(Correlation Double Sampling) 방식일 수 있다. 이후에는 다시 리셋 동작부터 일련의 동작이 반복될 수 있다.
상기 캐패시터(450)와 포토 다이오드(410)는 전압 조정부와 접지단 사이에서 직렬로 연결되어 있으므로, 상기 전압 조정부의 전압이 조절되면 상기 캐패시터(450)에 분배되는 전압 및 상기 포토 다이오드(410)에 분배되는 전압이 조절될 수 있다. 상기 포토 다이오드(410)의 전하 용량은 제조시에 일정하게 제조되므로 상기 포토 다이오드에 상기 캐패시터(450)가 연결되지 않았다면 상기 포토 다이오드의 전하용량을 조절하는 것은 어려울 수 있다. 본 실시형태에서는, 전압 조정부와 접지단 사이에서 상기 포토 다이오드와 직렬로 캐패시터를 연결함으로서, 전압 조정부의 전압에 따라 상기 포토 다이오드에 분배되는 전압을 조절될 수 있다. 상기 포토 다이오드에 분배되는 전압이 조절되면, 상기 포토 다이오드의 전하 용량이 조절될 수 있다. 따라서, 상기 포토 다이오드의 광 민감도가 조절될 수 있다.
도 5의 (a) 및 (b)는, 상기 도 4에 도시된 단위픽셀의 포토 다이오드 및 캐패시터의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 (a)를 참조하면, PNP 연결된 포토 다이오드(510) 및 상기 포토 다이 오드에 일단이 연결된 캐패시터(550)에 의해 포텐셜 웰(Potential Well)이 형성됨을 알 수 있다. 상기 포텐셜 웰은 상기 포토 다이오드의 전하 용량을 표시할 수 있다. 상기 포토 다이오드에 의한 포텐셜 웰의 깊이는 상기 포토 다이오드를 제조할 때 이미 결정될 수 있다. 본 실시형태에서는 상기 포토 다이오드에 캐패시터(550)를 연결하고, 상기 캐패시터(550)의 일단을 전압 조정부의 출력단(560)에 연결함으로서 상기 전압 조정부의 전압이 조절되면 상기 캐패시터(550)에 걸리는 전압 및 포토 다이오드에 걸리는 전압이 조절되도록 할 수 있다. 즉, 상기 포텐셜 웰의 깊이를 조절할 수 있다.
상기 포텐셜 웰의 깊이를 조절함으로서 상기 포토 다이오드(510) 및 캐패시터(550)의 전하 용량을 조절할 수 있다. 상기 포텐셜 웰이 조절되면 외부 광량에 따라 전하를 발생시키는 상기 포토 다이오드의 민감도가 조절될 수 있다. 즉, 외부 광량이 많은 경우에는 상기 포텐셜웰의 깊이를 깊게하여 광민감도를 낮게 할 수 있고, 외부 광량이 적은 경우에는 상기 포텐셜 웰의 깊이를 얕게 하여 광민감도를 높게 할 수 있다.
도 5의 (b)는 상기 도 5의 (a)에 도시된 포토 다이오드(510)에서 광자에 의해 p 형 반도체에서 n 형 반도체로 전자가 흐르는 모형을 도시한 것이다.
상기 포토 다이오드(510)는, p형 기판에 광자(photon)가 유입되면 상기 p형 기판에 있던 전자가 n 웰 영역으로 이동하고, 상기 n 웰 영역에 있던 정공이 상기 p 형 기판으로 이동할 수 있다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 씨모스 이미지 센서의 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서(600)는 복수개의 단위픽셀(601, 602, 603, 604) 및 온도 센서 구동 제어부(660)를 포함할 수 있다.
일반적으로 CMOS 이미지 센서에는 수만에서 수십만 개의 단위 픽셀로 구성된 픽셀 어레이가 형성될 수 있다. 본 도면에서는 4 개의 단위 픽셀만을 도시하였으나, 실제 CMOS 이미지 센서를 구성하는 픽셀 어레이에는 훨씬 많은 개수의 단위 픽셀이 배열될 수 있다.
본 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서에서 단위 픽셀(601, 602, 603, 604) 각각은, 포토 다이오드(610), 전송 트랜지스터(620), 리셋 트랜지스터(630), 신호 전달회로(640), 및 캐패시터(650)를 포함할 수 있다.
상기 포토 다이오드(610)는, 외부로부터 빛을 감지하여 광전하를 생성할 수 있다. 상기 포토 다이오드(610)는 일단이 접지되어 있고 타단이 상기 전송 트랜지스터(620)에 연결될 수 있다. 상기 포토 다이오드(610)에서 생성된 광전하는 상기 전송 트랜지스터(620)의 소스-드래인 경로가 형성되기 전까지 상기 포토 다이오드에 축적될 수 있다.
상기 전송 트랜지스터(620)는, 전송 제어신호(TG)에 따라 상기 포토 다이오드에 집적된 광전하를 플로팅 확산 노드(FD)로 전송할 수 있다. 상기 전송 트랜지스터(620)는 드래인이 상기 포토 다이오드(610)에 연결되고, 소스가 상기 플로팅 확산 노드(FD)에 연결되며, 게이트는 전송 제어신호 라인(TG)에 연결될 수 있다. 상기 전송 트랜지스터(620)는 상기 전송 제어신호에 의해 상기 포토 다이오드에서 발생된 신호를 상기 플로팅 확산 노드(FD)로 전달하는 스위칭 역할을 할 수 있다. 상기 전송 제어신호는 상기 포토 다이오드에 광전하가 일정량 축적되면 상기 전송 트랜지스터(620)의 소스-드래인 경로를 형성하도록 하는 신호를 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 전달하는 신호일 수 있다.
상기 리셋 트랜지스터(630)는, 리셋 제어 신호에 따라 상기 플로팅 확산 노드의 전압을 전원전압 레벨로 리셋시킬 수 있다. 상기 리셋 트랜지스터(630)는, 드래인이 전원단(Vdd)에 연결되고, 소스가 상기 플로팅 확산 노드(FD)에 연결되며, 게이트가 리셋 제어신호 라인(RST)에 연결될 수 있다. 상기 리셋 트랜지스터(630)는 상기 리셋 제어신호에 의해 상기 전원단(Vdd)과 상기 플로팅 확산 노드(FD)를 연결하는 스위칭 역할을 할 수 있다. 상기 리셋 제어신호에 의해 상기 플로팅 확산 노드의 전압이 리셋되면, 상기 포토 다이오드가 작동하기 전에 픽셀에서 발생되는 기준 신호를 발생시킬 수 있다.
상기 신호 전달회로(640)는, 선택신호에 응답하여 상기 플로팅 확산 노드의 전위를 출력단(Vout)으로 전달할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 신호 전달회로(640)는, 직렬 연결된 드라이브 트랜지스터(641) 및 셀렉트 트랜지스터(642)를 포함할 수 있다.
상기 드라이브 트랜지스터(641)는, 상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기신호를 출력할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 드라이브 트랜지스터(641)는, 드래인이 전원단(Vdd)에 연결되고, 소스가 상기 셀렉트 트랜지스터(642)에 연결되며, 게이트가 상기 플로팅 확산노드(FD)에 연결될 수 있다. 상기 드라이브 트랜지스터(641)는 게이트에 입력되는 플로팅 확산 노드(FD)의 전위에 따라 상기 전원단과 셀렉트 트랜지스터 사이에 소스-드래인 경로를 조절하여 신호를 출력할 수 있다.
상기 셀렉트 트랜지스터(642)는, 선택신호에 따라 상기 드라이브 트랜지스터에서 출력되는 신호의 출력을 제어할 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 셀렉트 트랜지스터(642)는 드래인이 상기 드라이브 트랜지스터(641)의 소스에 연결되고, 소스가 출력단에 연결되며, 게이트가 선택신호 라인(ROW)에 연결될 수 있다. 상기 셀렉트 트랜지스터(642)는 상기 드라이브 트랜지스터(641)와 직렬로 연결되며, 선택신호에 응답하여 상기 드라이브 트랜지스터(641)에서 출력되는 신호의 출력을 제어할 수 있다.
본 실시형태에서는 전송 트랜지스터(620), 리셋 트랜지스터(630), 드라이브 트랜지스트(641), 및 셀렉트 트랜지스터(642)가 각각 NMOS 로 구현된 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 상기 트랜지스터들은 PMOS 형태로도 구현될 수 있으며, 이 경우에는 상기 드래인 및 소스의 연결이 달라질 수 있다.
상기 캐패시터(650)는, 온도센서 구동 제어부(660)와 상기 포토 다이오드 사이에 연결되어 상기 전압 조정부의 전압을 상기 포토 다이오드와 분배할 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 캐패시터는 온도센서 구동 제어부(660)와 접지단 사이에서 상기 포토 다이오드(610)와 직렬로 연결될 수 있다. 즉, 상기 캐패시터(650)의 일단은 상기 포토 다이오드(610)와 상기 전송 트랜지스터(620) 사이에 연결되고 타단은 온도센서 구동 제어부(660)에 연결되는 단자에 연결될 수 있다. 상기 온도센서 구동 제어부의 전압은 상기 캐패시터(650) 및 포토 다이오드(610)에 분배될 수 있다. 즉, 상기 온도센서 구동 제어부의 전압이 조절되면 상기 포토 다이오드(610)에 걸리는 전압이 조절될 수 있다.
상기 포토 다이오드의 전하용량(Q)은 상기 포토 다이오드의 캐패시턴스(C) 및 상기 포토 다이오드에 걸리는 전압(V)에 의해 정해질 수 있다. 상기 포토 다이오드의 캐패시턴스(C)는 제조당시 일정하게 정해지므로, 상기 포토 다이오드에 걸리는 전압을 조절하면 상기 포토 다이오드의 전하용량을 조절할 수 있다. 상기 포토 다이오드의 전하용량(Q)이 조절될 수 있다. 즉, 상기 포토 다이오드가 축적할 수 있는 광전하 용량이 조절되므로, 외부로부터 빛을 감지하여 광전하를 발생하는 상기 포토 다이오드의 민감도(sensitivity)가 조절될 수 있다.
상기 온도 센서 구동 제어부(660)는 온도에 따라 구동 전압이 조절될 수 있다. 본 실시형태에서 상기 온도센서 구동 제어부(660)는 상기 픽셀 어레이에 인접하게 배치되어 상기 픽셀 어레이의 온도에 따라 구동 전압이 조절될 수 있다. 도 7의 (a) 및 (b)는 본 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서에 사용되는 온도 센서 구동 제어부의 동작 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7의 (a)는 온도가 높아짐에 따라 전압이 상승하는 특성을 갖는 온도 센서 구동 제어부의 그래프이다. 이러한 특성을 갖는 온도 센서 구동 제어부를 사용하면, 온도센서에 의해 측정되는 온도가 높아지면 상기 온도 센서 구동 제어부(660)의 구동전압이 커지고, 따라서 상기 포토 다이오드의 전하 용량도 커지게 된다. 이 렇게 되면 상기 CMOS 이미지 센서의 광 민감도는 작아질 수 있다.
도 7의 (b)는 온도가 높아짐에 따라 전압이 하강하는 특성을 갖는 온도 센서 구동 제어부의 그래프이다. 이러한 특성을 갖는 온도 센서 구동 제어부를 사용하면, 온도센서에 의해 측정되는 온도가 높아지면 상기 온도 센서 구동 제어부(660)의 구동전압이 작아지고, 따라서 상기 포토 다이오드의 전하 용량도 줄어들게 된다. 이렇게 되면 상기 CMOS 이미지 센서의 광 민감도는 커질 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
도 1은, 종래기술에 따른 일반적인 단위 픽셀의 구성도이다.
도 2는, 도 1에 도시된 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 3의 (a) 내지 (d)는, 도 1에 도시된 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 단위 픽셀의 구성도이다.
도 5의 (a) 및 (b)는, 도 4에 도시된 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 CMOS 이미지 센서의 구성도이다.
도 7의 (a) 및 (b)는, 상기 도 6에 도시된 온도 센서 구동 제어부의 일 특성을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
410 : 포토 다이오드 420 : 전송 트랜지스터
430 : 리셋 트랜지스터 441 : 드라이브 트랜지스터
442 : 셀렉트 트랜지스터 450 : 캐패시터

Claims (11)

  1. 외부로부터 빛을 감지하여 광전하를 생성하는 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드에서 생성된 광전하를 전송 제어신호에 따라 플로팅 확산 노드로 전달하는 전송 트랜지스터;
    리셋 제어 신호에 따라 상기 플로팅 확산 노드를 리셋하는 리셋 트랜지스터;
    상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기신호를 선택신호에 따라 출력하는 신호 전달 회로부; 및
    출력전압이 조절될 수 있는 전압 조정부와 상기 포토 다이오드 사이에 연결되는 고정 캐패시터를 포함하며,
    상기 전압 조정부의 전압이 상기 포토 다이오드 및 고정 캐패시터에 분배되고, 상기 전압 조정부의 전압이 조절되면, 상기 포토 다이오드에 분배되는 전압이 조절되어 상기 포토 다이오드의 전하 용량이 조절되는 것으로서,
    상기 고정 캐패시터는 상기 포토다이오드가 형성된 기판 영역 위에 별도로 구비된 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀.
  2. 삭제
  3. 청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 고정 캐패시터는,
    상기 전압조정부와 접지부 사이에서 상기 포토 다이오드와 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀.
  4. 청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 고정 캐패시터는,
    MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀.
  5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 전압 조정부는,
    온도에 따라 구동 전압이 달라지는 온도 센서 구동 제어부인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀.
  6. 청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 신호 전달 회로부는,
    상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기신호를 출력하는 드라이브 트랜지스터; 및
    상기 드라이브 트랜지스터와 직렬 연결되어, 상기 드라이브 트랜지스터에서 출력되는 신호의 출력을 선택신호에 따라 제어하는 셀렉트 트랜지스터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 픽셀.
  7. 복수개의 단위픽셀이 행렬로 배열된 픽셀 어레이; 및
    상기 픽셀 어레이의 온도에 따라 구동 전압이 조절되는 온도 센서 구동 제어부;
    를 포함하며,
    상기 복수개의 단위 픽셀 각각은,
    외부로부터 빛을 감지하여 광전하를 생성하는 포토 다이오드;
    전송 제어신호에 따라 상기 포토 다이오드에 축적된 광전하를 플로팅 확산 노드로 전달하는 전송 트랜지스터;
    리셋 제어 신호에 따라 상기 플로팅 확산 노드의 전압을 전원전압으로 리셋하는 리셋 트랜지스터;
    상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기신호를 선택신호에 따라 출력하는 신호 전달 회로부; 및
    상기 온도 센서 구동 제어부와 상기 포토 다이오드 사이에 연결되는 고정 캐패시터를 포함하며,
    상기 온도센서 구동 제어부의 전압이 상기 포토 다이오드 및 고정 캐패시터에 분배되고, 상기 온도 센서 구동 제어부의 전압이 조절되면, 상기 포토 다이오드에 분배되는 전압이 조절되어 상기 포토 다이오드의 전하 용량이 조절되는 것으로서,
    상기 고정 캐패시터는 상기 포토다이오드가 형성된 기판 영역 위에 별도로 구비된 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  8. 삭제
  9. 청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제7항에 있어서,
    상기 고정 캐패시터는,
    상기 온도 센서 구동 제어부와 접지부 사이에서 상기 포토 다이오드와 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제7항에 있어서,
    상기 고정 캐패시터는,
    MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제7항에 있어서,
    상기 신호 전달 회로부는,
    상기 플로팅 확산 노드의 전압에 따른 전기신호를 출력하는 드라이브 트랜지스터; 및
    상기 드라이브 트랜지스터와 직렬 연결되어, 상기 드라이브 트랜지스터에서 출력되는 신호의 출력을 선택신호에 따라 제어하는 셀렉트 트랜지스터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
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