KR101158811B1 - 이미지 센서 - Google Patents

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KR101158811B1
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(주) 픽셀플러스
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    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
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Abstract

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 저조도에서는 감도를 향상시켜 저조도 특성을 향상시키고 고조도에서는 플리커 리스 범위(Flicker less range)를 키워 다이나믹 범위를 확보할 수 있도록 하는 기술을 개시한다. 이러한 본 발명은, 피사체의 광학상에 대응하는 광 전하를 저장하는 포토 다이오드, 제 1전송 신호에 따라 포토 다이오드에 저장된 광 전하를 제 1플로팅 확산 노드로 전송하는 제 1전송 스위치, 제 2전송 신호에 따라 포토 다이오드에 저장된 광 전하를 제 2플로팅 확산 노드로 전송하는 제 2전송 스위치, 감도조정신호에 따라 제 1플로팅 확산 노드와 제 2플로팅 확산 노드 사이의 연결을 선택적으로 제어하는 감도 조정 스위치, 제 2플로팅 확산 노드에 인가된 전하를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 구동 트랜지스터, 제 1플로팅 확산 노드의 전하를 저장하는 제 1커패시터, 및 제 2플로팅 확산 노드의 전하를 저장하는 제 2커패시터를 포함한다.

Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 특히, 외부의 광학 영상신호를 전기 영상신호로 변환하는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor, 상보형(相補型) 금속 산화막(酸化膜) 반도체) 이미지 센서에 관한 기술이다.
일반적으로 이미지 센서는 외부의 광학 영상신호를 전기 영상신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서는 크게 상보형-모스(CMOS) 기술을 사용하는 CMOS 이미지 센서와 전하결합소자(CCD;Charge Coupled Device) 기술을 사용하는 CCD 이미지 센서로 나뉘고 이들은 모두 반도체 기술을 이용하여 제작한다.
특히, CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 제작된 이미지 센서이다. CMOS 이미지 센서에서 각 픽셀(Pixel)은 피사체의 대응 부분에서 복사되는 빛 신호를 포토 다이오드를 이용하여 전자로 바꾼 후에 저장하고, 축적된 전자의 수에 비례하여 나타나는 전하량을 전압 신호로 바꾸어서 출력하는 방식을 사용한다.
이러한 CMOS 이미지 센서는 다양한 전자제품들, 예컨대, 모바일 폰(Mobile Phone), PC(Personal Computer)용 카메라(Camera), 비디오 카메라, 및 디지털 카메라 등에서 광범위하게 사용되고 있는 디바이스(Device) 이다.
CMOS 이미지 센서는 기존에 이미지 센서로 사용되던 CCD에 비해 구동방식이 간편하며, 신호 처리 회로(Signal Processing Circuit)를 한 칩에 집적할 수 있어서 SoC(System On Chip)가 가능하므로 모듈의 소형화를 가능하게 한다. 또한, 기존에 셋-업(Set-up) 된 CMOS 기술을 호환성 있게 사용할 수 있으므로 제조 단가를 낮출 수 있는 등 많은 장점이 있기 때문에 그 수요가 날로 급증하고 있는 상황이다.
도 1은 일반적인 이미지 센서에 사용되는 4 트랜지스터 단위 픽셀을 나타낸 회로도이다.
단위 픽셀은 포토 다이오드(2), 전송 트랜지스터(4), 플로팅 확산(Floating Diffusion) 노드(6), 리셋 트랜지스터(8), 구동 트랜지스터(10) 및 선택 트랜지스터(12)를 포함한다. 이러한 종래의 단위 픽셀은 4개의 트랜지스터(4,8,10,12)와 하나의 포토 다이오드 PD를 포함한다.
여기서, 포토 다이오드(2)는 피사체의 광학상에 대응하는 광 전하를 발생한다. 전송 트랜지스터(4)는 전송 신호 TX에 따라 포토 다이오드(2)에 저장된 광 전하를 플로팅 확산 노드(6)에 전송한다.
그리고, 리셋 트랜지스터(8)는 리셋 신호 RX에 따라 포토 다이오드(2) 및 플로팅 확산 노드(6)에 저장된 광 전하를 전원전압단 VDD을 통해 방출하여 플로팅 확산 노드(6) 및 포토 다이오드(2)를 리셋한다.
또한, 구동 트랜지스터(10)는 플로팅 확산 노드(6)에 저장된 광 전하에 대응하는 전류를 증폭하는 소스 팔로워(source follower) 역할을 수행한다. 선택 트랜지스터(12)는 선택 신호 LX에 따라 픽셀 어레이의 로오(Row) 라인을 선택한다.
이러한 종래의 이미지 센서에서는 신호 전하량을 감지하기 위하여 전하량 감지노드(Charge Sensing Node)로서 플로팅 확산 노드(6)를 사용한다.
한편, 형광등의 주파수는 국가에 따라 50㎐ 또는 60㎐로 설정된다. 실내 환경에서 형광등을 켠 경우, 100㎐ 또는 120㎐의 AC 조명이 비치는 상황이 만들어진다. 그렇게 되면, 같은 노출 시간을 적용하더라도 노출되는 순간의 조명에 따라 도 2에서와 같이 일정하지 못한 밝기의 영상이 얻어진다.
이를 해결하기 위하여, 형광등 주기와 동일한 노광 량으로 픽셀을 리셋하면, 도 3에서와 같이 플리커 리스(Flicker less)이 이미지를 얻을 수 있다.
그런데, 형광등의 주기와 동일한 노광 량으로 노출의 주기를 설정한다 하여도, 포토 다이오드가 매우 커서 감도가 매우 좋다면 이미지는 모두 포화(Saturation) 상태로 가게 된다. 결국, 도 4에서와 같이 포화 된 이미지만 남게 되어 다이나믹 범위(Dynamic range)를 거의 확보할 수 없는 상황이 된다.
이를 해결하기 위해서는 임의 적으로 감도를 매우 작게 하여 형광등 조명 하에서 도 3과 같은 이미지를 얻을 수 있지만, 감도가 작은 경우는 저조도 특성이 취약해지는 치명적인 단점을 가지고 있다.
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 이중(Dual) 전송 스위치 및 이중(Dual) 플로팅 확산 노드를 포함하여 저조도에서는 감도를 향상시켜 저조도 특성을 향상시키고 고조도에서는 플리커 리스 범위(Flicker less range)를 키워 넓은 다이나믹 범위(Dynamic range)를 확보할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서는, 피사체의 광학상에 대응하는 광 전하를 저장하는 포토 다이오드; 제 1전송 신호에 따라 포토 다이오드에 저장된 광 전하를 제 1플로팅 확산 노드로 전송하는 제 1전송 스위치; 제 2전송 신호에 따라 포토 다이오드에 저장된 광 전하를 제 2플로팅 확산 노드로 전송하는 제 2전송 스위치; 전송신호에 따라 제 1플로팅 확산 노드와 제 2플로팅 확산 노드 사이의 연결을 선택적으로 제어하는 감도 조정 스위치; 제 2플로팅 확산 노드에 인가된 전하를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 구동 트랜지스터; 제1플로팅 확산 노드의 전하를 저장하는 제 1커패시터; 및 제 2플로팅 확산 노드의 전하를 저장하는 제 2커패시터를 포함하고, 포토 다이오드가 저조도 상태일 경우 감도조정신호가 비활성화되어 감도 조정 스위치가 턴 오프 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 이중(Dual) 전송 스위치 및 이중(Dual) 플로팅 확산 노드를 포함하여 저조도에서는 감도를 상승시켜 저조도 특성을 향상시키고 고조도에서는 감도를 감소시켜 픽셀 사이즈가 큰 경우 플리커 리스 범위(Flicker less range)를 확장할 수 있도록 한다.
둘째, 플리커 리스 범위(Flicker less range)를 확장시킨 센서를 구현하여 넓은 다이나믹 범위(Dynamic range)를 확보할 수 있도록 한다.
셋째, 이중 전송 스위치를 사용하여 전송 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 일반적인 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타낸 회로도.
도 2 내지 도 4는 일반적인 이미지 센서의 문제점을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타낸 회로도.
도 6 및 도 7은 본 발명에서 저조도에서의 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 8 내지 도 10은 본 발명에서 고조도에서의 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 11은 본 발명에서 입사 광량에 따른 픽셀의 출력을 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 5는 본 발명에 따른 이미지 센서에 관한 회로도이다.
본 발명은 포토 다이오드 PD, 감도 조정 스위치(100), 리셋 트랜지스터(102), 구동 트랜지스터(104), 선택 트랜지스터(106), 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110) 및 커패시터 CFDL,CFDH를 포함한다.
여기서, 포토 다이오드 PD는 피사체의 광학상에 대응하는 광 전하를 발생한다. 포토 다이오드 PD는 접지전압단과 노드 A 사이에 순 방향으로 연결된다.
감도 조정 스위치(100)는 감도조정신호 DFDG에 따라 커패시터 CFDL, CFDH를 분리하거나 합칠 수 있는 역할을 함으로써 감도를 조절할 수 있다. 감도 조정 스위치(100)는 플로팅 확산(Floating Diffusion) 노드 FD2와 플로팅 확산(Floating Diffusion) 노드 FD1 사이에 연결되어 게이트 단자를 통해 감도조정신호 DFDG가 인가된다.
그리고, 리셋 트랜지스터(102)는 리셋 신호 RX에 따라 포토 다이오드 PD에 저장된 광 전하 및 2개의 플로팅 확산 노드 FD1,FD2에 인가된 광 전하를 전원전압단 VDD을 통해 방출하여 포토 다이오드 PD 및 플로팅 확산 노드 FD1,FD2를 리셋한다. 리셋 트랜지스터(102)는 전원전압(VDD) 인가단과 플로팅 확산 노드 FD2 사이에 연결되어 게이트 단자를 통해 리셋 신호 RX가 인가된다.
또한, 구동 트랜지스터(104)는 플로팅 확산 노드에 저장된 광 전하에 대응하는 전류를 증폭하는 소스 팔로워(source follower) 역할을 수행한다. 이러한 구동 트랜지스터(104)에 의해 빛 에너기가 전기 신호로 변환된다. 구동 트랜지스터(104)는 전원전압단 VDD과 선택 트랜지스터(106) 사이에 연결되어 게이트 단자가 플로팅 확산(Floating Diffusion) 노드 FD2와 연결된다.
선택 트랜지스터(106)는 선택 신호 LX에 따라 픽셀 어레이의 로오(Row) 라인을 선택한다. 선택 트랜지스터(106)는 구동 트랜지스터(104)와 픽셀 출력단 사이에 연결되어 게이트 단자를 통해 선택 신호 LX가 인가된다.
제 1전송 스위치(108)는 노드 A와 포토 다이오드 PD 및 플로팅 확산 노드 FD1 사이에 연결되어 게이트 단자를 통해 제 1전송 신호 TX_LS가 인가된다. 제 2전송 스위치(110)는 노드 A와 포토 다이오드 PD 및 플로팅 확산 노드 FD2 사이에 연결되어 게이트 단자를 통해 제 2전송 신호 TX_HS가 인가된다. 이러한 2개의 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110)는 포토 다이오드 PD에 연결된다.
커패시터 CFDH는 플로팅 확산 노드 FD2와 접지전압단 사이에 연결된다. 여기서, 커패시터 CFDH는 공정이 허용하는 범위 내에서 최대한 작은 커패시턴스를 갖도록 설계하는 것이 바람직하다. 그리고, 커패시터 CFDL는 플로팅 확산 노드 FD1와 접지전압단 사이에 연결된다. 여기서, 커패시터 CFDL는 픽셀 사이즈에 따라서 설계 목표 값을 설정하여 디자인하는 것이 바람직한데, 보통 커패시터 CFDL의 값은 커패시터 CFDH 보다 크게 설계한다.
이러한 본 발명의 이미지 센서에서는 신호 전하량을 감지하기 위하여 전하량 감지노드(Charge Sensing Node)로서 2개의 플로팅 확산 노드 FD1,FD2를 사용한다.
그리고, 포토 다이오드 PD의 광 전하를 플로팅 확산 노드 FD1,FD2로 각각 전송하기 위한 2개의 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110)를 포함한다.
여기서, 2개의 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110)는 NMOS 트랜지스터로 구현될 수 있으며, 트랜지스터의 사이즈를 동일하게 설계하거나 다르게 설계할 수도 있다. 하지만, 광 전하의 변환 효율을 각각 다르게 설정하기 위해 트랜지스터의 사이즈를 서로 다르게 설계하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 제 2전송 스위치(110)는 제 1전송 스위치(108) 보다 작은 사이즈로 설계한다. 이에 따라, 플로팅 확산 노드 FD2와 제 2전송 스위치(110)의 게이트 단의 오버랩 커패시턴스를 작게하여 구동 트랜지스터(104)의 전체 입력 커패시턴스를 작게 함으로써 변환 효율을 더욱 높일 수 있다.
마찬가지로, 플로팅 확산 노드 FD1,FD2의 변환 효율을 다르게 설정하기 위해 커패시터 CFDH, CFDL를 포함하게 된다. 이러한 커패시터 CFDH, CFDL는 플로팅 확산 노드 FD1,FD2의 커패시턴스(Capacitance)를 구별하기 위해 감도 조정 스위치(100)에 의해 나누어져 있다.
일반적으로 감시용 및 자동차용 센서는 높은 다이나믹 범위(Dynamic range) 및 고 감도(High sensitivity)가 필수적인데, 이를 구현하기 위해서는 큰 픽셀 사이즈가 필요하다. 그런데, 픽셀 사이즈가 크면 감도가 커지기 때문에 형광등 등 AC 광원이 있는 고조도에서 입사 광량의 크기 차이에 따라 플리커(Flicker) 현상이 발생하게 된다. 이를 해결하기 위해 임의 적으로 변환 이득(Conversion gain)을 낮추어 설계하게 된다.
여기서, 플리커(Flecker) 현상이란 화면에서 나오는 빛의 세기가 일정하지 않고 시간에 따라 주기적으로 변함으로써 사용자에게 빛의 깜박거림이 느껴지는 현상으로, 플리커는 같은 상태의 화면이 밝기가 일정하지 않고 시간에 따라서 변하는 현상이다.
하지만, 이러한 경우 저조도에서 감도가 저하되어 보안(Security) 시장에서 가장 중요한 저조도 특성을 확보할 수 없게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 고조도에서는 감도를 작게 하여 플리커 리스 범위(Flicker less range)를 확보하고, 저조도에서는 감도를 높게 하여 저조도 특성을 확보할 수 있도록 한다. 결국, 본 발명은 플리커 리스 범위를 확보하면서 동시에 저조도 특성을 개선할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 동작 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 6은 저조도에서 이미지 센서의 고감도 데이터 센싱 동작을 나타낸다.
먼저, 저조도 상태인 경우 (B)에서와 같이 포토 다이오드 PD의 광 전하가 낮은 레벨이 된다. 그리고, 감도조정신호 DFDG가 로우 레벨 상태를 유지하게 된다. 이에 따라, 감도 조정 스위치(100)가 턴 오프인 상태에서 포토 다이오드 PD를 통해 신호를 리드하게 된다.
감도 조정 스위치(100)가 턴 오프 되면, 플로팅 확산 노드 FD1와 플로팅 확산 노드 FD2 간의 연결이 서로 차단된 상태가 된다. 그리고, 제 2전송 신호 TX_HS가 하이 레벨이 되면, (C)에서와 같이 제 2전송 스위치(110)가 턴 온 된다. 이에 따라, 포토 다이오드 PD에 저장된 광 전하는 플로팅 확산 노드 FD2에 전달된다.
이때, 리셋 신호 RX는 로우 레벨이 되어 리셋 트랜지스터(102)는 턴 오프 상태를 유지하게 된다. 마찬가지로 또 다른 제 1전송 스위치(108)는 반드시 턴 오프 상태를 유지해야만 한다.
이러한 경우 (D)에서와 같이 포토 다이오드 PD에 저장된 광 전하가 플로팅 확산 노드 FD2를 통해 상대적으로 작은 사이즈를 갖는 커패시터 CFDH에 저장된다. 따라서, 플로팅 확산 노드 FD1의 커패시터 CFDL가 감도조정스위치(100)에 의해 단절되어 있으므로, 플로팅 확산 노드 FD2에 연결된 커패시터 CFDH만 변환 효율에 기여함으로써 고 변환 이득을 얻을 수 있다.
여기서, 구동 트랜지스터(104)를 통해 플로팅 확산 노드 FD2에서의 신호 차지를 전기적인 신호로 변환하는 수학식은 다음과 같이 정의할 수 있다.
[수학식 1]
V = Q/CFDH
여기서, V는 구동 트랜지스터(104)에서 출력되는 전압, Q는 빛에 의해 발생된 신호 전하, CFDH는 플로팅 확산 노드 FD2의 전체 커패시턴스를 말한다.
이때, 플로팅 확산 노드 FD2의 전체 커패시턴스 CFDH는 플로팅 확산 노드 FD2의 정션(Junction) 커패시턴스, 제 2전송 스위치(110)와 플로팅 확산 노드 FD2의 오버랩(Overlap) 커패시턴스, 리셋 트랜지스터(102)와 플로팅 확산 노드 FD2의 오버랩 커패시턴스, 및 구동 트랜지스터(104)의 게이트 단자와 관련된 기생(Parasitic) 커패시턴스를 모두 포함한다.
광 전하의 변환 효율을 각각 다르게 설정하기 제 2전송 스위치(110)는 제 1전송 스위치(108) 보다 작은 사이즈로 설계하게 된다. 이에 따라, 커패시터 CFDH와 연결된 플로팅 확산 노드 FD2의 전체 커패시턴스를 작게 설정할 수 있다.
따라서, 저조도 상태에서는 커패시터 CFDH만 동작하게 되어 고감도 모드로 동작하여 저조도 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
도 7은 저조도에서 이미지 센서의 동작 타이밍도이다.
CMOS 이미지 센서의 픽셀 구동은 크게 프리-리셋(Pre-reset) 동작과 적당한 노출 후 리드 아웃(Read out)을 위한 CDS(Correlated double sampling) 및 ADC(Analog Digital Converting) 동작을 수행한다. 여기서, 프리-리셋은 노광(Exposure)의 시작 포인트를 나타내며, 이전 동작에서 획득한 신호 차지를 모두 리셋시키는 단계이다.
이때, 커패시터 CFDH,CFDL 및 포토 다이오드 PD를 모두 리셋시켜야 하기 때문에 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110), 감도 조정 스위치(100), 및 리셋 트랜지스터(102)는 모두 턴 온 시켜야 한다. 이에 따라, 제 1전송 신호 TX_LS, 제 2전송 신호 TX_HS, 감도조정신호 DFDG, 및 리셋 신호 RX가 하이 레벨로 활성화된다. 반면에, 선택 신호 LX는 로우 레벨로 비활성화되어 선택 트랜지스터(106)는 턴 오프 상태를 유지하게 된다.
프리-리셋 후 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110)가 턴 오프 되고, 포토 다이오드 PD는 노광 시간(Exposure time) 만큼 빛을 받아들인다. 포토 다이오드 PD는 빛에 해당되는 만큼 전자(Electron)를 발생하여 포토 다이오드 PD에 저장한다. 이후 저장된 신호 전하는 CDS 및 ADC 동작을 수행하게 되는데, 해당되는 로오(Row)를 선택하기 위한 선택 신호 LX가 하이 레벨로 활성화되어 선택 트랜지스터(106)가 턴 온 된다.
이후에, 리셋 리딩(Reset reading) 단계로 진입하면, 리셋 신호 RX가 로우 레벨로 비활성화되어 리셋 트랜지스터(102)가 턴 오프 상태가 된다.
이어서, 리셋 레벨을 리드하고 제 2전송 신호 TX_HS가 하이 레벨로 활성화되어 제 2전송 스위치(110)만 턴 온 시킴으로써 신호 차지를 리드한다. 이때, CDS 동작을 수행하는 중에는 감도조정신호 DFDG, 제 1전송 신호 TX_LS가 로우 레벨이 되도록 하여 감도 조정 스위치(100), 제 1전송 스위치(108)를 턴 오프 시킨다.
이후에, CDS 동작이 종료되면, 선택신호 LX가 로우 레벨로 비활성화되어 선택 스위치(106)가 턴 오프 된다.
이에 따라, 저조도 상태에서는 커패시터 CFDH만 동작하게 되어 고감도 모드로 동작함으로써 저조도 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
이후에, 아날로그 디지털 변환(ADC) 동작을 통해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 이미지 신호를 획득하게 된다.
한편, 도 8은 고조도에서 이미지 센서의 저감도 데이터 센싱 동작을 나타낸다.
먼저, 고조도 상태인 경우 (E)에서와 같이 포토 다이오드 PD의 광 전하가 높은 레벨이 된다. 그리고, 감도조정신호 DFDG가 하이 레벨 상태가 된다. 이에 따라, 감도 조정 스위치(100)가 턴 온 된 상태에서 포토 다이오드 PD를 통해 신호를 리드하게 된다.
감도 조정 스위치(100)가 턴 온 되면, 플로팅 확산 노드 FD1와 플로팅 확산 노드 FD2가 서로 연결된다. 그리고, 제 1전송 신호 TX_LS가 하이 레벨이 되면, (F)에서와 같이 제 1전송 스위치(108)가 턴 온 된다. 이에 따라, 포토 다이오드 PD에 저장된 광 전하는 플로팅 확산 노드 FD1,FD2에 전달된다. 이때, 리셋 신호 RX는 로우 레벨이 되어 리셋 트랜지스터(102)는 턴 오프 상태를 유지하게 된다.
이러한 경우 (G)에서와 같이 포토 다이오드 PD에 저장된 광 전하가 플로팅 확산 노드 FD1,FD2를 통해 커패시터 CFDL,CFDH에 동시에 저장된다. 따라서, 플로팅 확산 노드 FD1,FD2의 커패시턴스는 커패시터 CFDL의 커패시턴스 + 커패시터 CFDH의 커패시턴스가 되므로 그 값이 증가하게 된다. 이에 따라, 고조도 상태에서는 플로팅 확산 노드 FD1,FD2의 전체 커패시턴스 값이 증가하게 되어 변환 이득이 고감도 센싱 모드 보다 줄어들게 된다.
여기서, 고조도 상태에서의 감도는 커패시터 CFDL의 크기에 반비례하므로, 픽셀의 사이즈에 맞추어 적절히 설계해야 한다.
구동 트랜지스터(104)를 통해 플로팅 확산 노드 FD1,FD2에서의 신호 차지를 전기적인 신호로 변환하는 수학식은 다음과 같이 정의할 수 있다.
[수학식 2]
V = Q / (CFDL+CFDH)
여기서, V는 구동 트랜지스터(104)에서 출력되는 전압, Q는 빛에 의해서 발생된 신호 전하, CFDL는 플로팅 확산 노드 FD1의 전체 커패시턴스, CFDH는 플로팅 확산 노드 FD2의 전체 커패시턴스를 말한다.
이때, 플로팅 확산 노드 FD1,FD2의 전체 커패시턴스는 플로팅 확산 노드 FD1의 커패시턴스 CFDL, 플로팅 확산 노드 FD2의 커패시턴스 CFDH의 합으로 나타낼 수 있다.
즉, 플로팅 확산 노드 FD2의 전체 커패시턴스는 플로팅 확산 노드 FD2의 정션(Junction) 커패시턴스, 제 2전송 스위치(110)와 플로팅 확산 노드 FD2의 오버랩(Overlap) 커패시턴스, 리셋 트랜지스터(102)와 플로팅 확산 노드 FD2의 오버랩 커패시턴스, 및 구동 트랜지스터(104)의 게이트 단자와 관련된 기생(Parasitic) 커패시턴스를 모두 포함한다.
그리고, 플로팅 확산 노드 FD1의 전체 커패시턴스는 플로팅 확산 노드 FD1의 정션(Junction) 커패시턴스, 제 1전송 스위치(108)와 플로팅 확산 노드 FD1 사이의 오버랩(Overlap) 커패시턴스를 포함한다.
광 전하의 변환 효율을 각각 다르게 설정하기 제 2전송 스위치(110)는 제 1전송 스위치(108)보다 작은 사이즈로 설계하게 된다. 이에 따라, 커패시터 CFDH와 연결된 플로팅 확산 노드 FD2의 전체 커패시턴스를 작게 설정할 수 있다.
이러한 본 발명은 고조도 상태에서는 커패시터 CFDH,CFDL가 모두 동작하게 되어 저감도 모드로 동작하게 된다. 저감도 모드로 동작할 경우 최소한의 플리커 (Flicker) 주기의 노출 시간에도 감도가 작기 때문에 플로팅 확산 노드 FD1,FD2가 포화(Saturation) 되지 않는다. 따라서, 본 발명은 저감도 모드에서 다이나믹 범위(Dynamic range)를 확보할 수 있도록 한다.
도 9는 고조도에서 이미지 센서의 동작 타이밍도이다. 도 9는 고조도에서 제 1전송 스위치(108)만 턴 온 시키는 경우를 나타낸 동작 타이밍도이다. 전반적인 설명은 도 7의 저조도 상태에서의 동작 타이밍도와 유사하고, 도 9의 실시예에서는 고조도에서 동작이 상이한 부분만 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, CDS 동작이 시작되면, 신호를 리드 하기에 앞서 선택 신호 LX가 하이 레벨로 활성화되어 선택 트랜지스터(106)가 턴 온 된다. 그리고, 감도조정신호 DFDG가 하이 레벨로 활성화되어 감도 조정 스위치(100)가 턴 온 된다.
이후에, CDS 동작을 수행하기 위해 제 1전송 신호 TX_LS가 하이 레벨로 활성화되면 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110) 중 제 1전송 스위치(108)만 턴 온 되어 신호 차지를 리드한다.
이때, CDS 동작을 수행하는 중에는 감도조정신호 DFDG, 제 1전송 신호 TX_LS가 하이 레벨이 되도록 하여 감도 조정 스위치(100), 제 1전송 스위치(108)를 턴 온 시킨다.
이후에, CDS 동작이 종료되면, 선택신호 LX가 로우 레벨로 비활성화되어 선택 스위치(106)가 턴 오프 된다. 다음에, 제 1전송 신호 TX_LS가 로우 레벨로 비활성화되어 제 1전송 스위치(108)가 턴 오프 된다.
이어서, 아날로그 디지털 변환(ADC) 동작을 통해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 이미지 신호를 획득하게 된다. ADC 동작이 종료된 이후에 감도조정신호 DFDG가 다시 하이 레벨로 활성화되어 감도 조정 스위치(100)가 턴 온 상태가 된다.
도 10은 고조도에서 이미지 센서의 동작 타이밍도를 나타낸 다른 실시예이다. 도 10은 고조도에서 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110)를 모두 턴 온 시키는 경우를 나타낸 동작 타이밍도이다. 전반적인 설명은 도 9의 고조도 상태에서의 동작 타이밍도와 유사하고, 도 10의 실시예에서는 고조도에서 동작이 상이한 부분만 설명하기로 한다.
먼저, CDS 동작이 시작되면, 신호를 리드 하기에 앞서 선택 신호 LX가 하이 레벨로 활성화되어 선택 트랜지스터(106)가 턴 온 된다. 그리고, 감도조정신호 DFDG가 하이 레벨로 활성화되어 감도 조정 스위치(100)가 턴 온 된다.
이후에, CDS 동작을 수행하기 위해 제 1전송 신호 TX_LS, 제 2전송 신호 TX_HS가 모두 하이 레벨로 활성화되면 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110)가 모두 턴 온 되어 신호 차지를 리드한다.
이때, CDS 동작을 수행하는 중에는 감도조정신호 DFDG, 제 1전송 신호 TX_LS, 제 2전송 신호 TX_HS가 하이 레벨이 되도록 하여 감도 조정 스위치(100), 제 1전송 스위치(108), 제 2전송 스위치(110)를 모두 턴 온 시킨다.
도 11은 포토 다이오드 PD가 노출되는 입사 광량에 따라 각 모드에서의 픽셀 출력(PIXEL OUTPUT)을 나타낸 도면이다.
먼저, (H)는 입사 광량이 낮은 저조도 상태를 나타낸다. 저조도인 고 감도 모드에서는 감도조정신호 DFDG가 로우 레벨로 비활성화되어 감도 조정 스위치(100)가 턴 오프 상태가 된다. 이러한 경우 픽셀의 출력 값, 즉, 상술된 전압 V의 값이 높아지게 된다.
즉, 저조도에서는 노출 시간이 길고 고 감도 모드로 동작함으로써 저조도 특성을 향상시킬 수 있도록 한다.
반면에, (I)는 입사 광량이 높은 고조도 상태를 나타낸다. 고조도인 저 감도 모드에서는 감도조정신호 DFDG가 하이 레벨로 활성화되어 감도 조정 스위치(100)가 턴 온 상태가 된다. 이러한 경우 픽셀의 출력 값, 즉, 상술된 전압 V의 값이 상대적으로 낮아지게 된다.
즉, 고조도에서는 저감도 모드로 동작함으로써 플리커 리스 범위(Flicker less range)를 넓힘으로써 전체적인 다이나믹 범위를 확보할 수 있도록 한다.
그리고, 입사 광량이 (J)에서와 같이 저조도 상태와 고조도 상태 사이의 레벨에 있을 경우에는, 픽셀의 출력이 일정한 전압 레벨이 된다. 따라서, 본 발명에서는 플리커 리스 범위(Flicker less range)를 넓게 확보하여 다이나믹 범위가 (J)에서와 같이 확장될 수 있게 된다.

Claims (16)

  1. 피사체의 광학상에 대응하는 광 전하를 저장하는 포토 다이오드;
    제 1전송 신호에 따라 상기 포토 다이오드에 저장된 광 전하를 제 1플로팅 확산 노드로 전송하는 제 1전송 스위치;
    제 2전송 신호에 따라 상기 포토 다이오드에 저장된 광 전하를 제 2플로팅 확산 노드로 전송하는 제 2전송 스위치;
    감도조정신호에 따라 상기 제 1플로팅 확산 노드와 상기 제 2플로팅 확산 노드 사이의 연결을 선택적으로 제어하는 감도 조정 스위치;
    상기 제 2플로팅 확산 노드에 인가된 전하를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 구동 트랜지스터;
    상기 제 1플로팅 확산 노드의 전하를 저장하는 제 1커패시터; 및
    상기 제 2플로팅 확산 노드의 전하를 저장하는 제 2커패시터를 포함하고,
    상기 포토 다이오드가 저조도 상태일 경우 상기 감도조정신호가 비활성화되어 상기 감도 조정 스위치가 턴 오프 되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    리셋 신호에 따라 상기 제 2플로팅 확산 노드를 리셋시키는 리셋 트랜지스터; 및
    상기 구동 트랜지스터의 출력단에 연결되어 선택 신호에 따라 픽셀 어레이의 로오 라인을 선택하는 선택 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 포토 다이오드가 저조도 상태일 경우 상기 제 2전송 신호가 활성화되고 상기 제 2전송 스위치가 턴 온 되어 상기 제 2플로팅 확산 노드의 전하가 상기 제 2커패시터에 저장되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 포토 다이오드가 저조도 상태일 경우 상기 제 2커패시터에 의해 상기 제 2플로팅 확산 노드의 전체 커패시턴스를 상기 제 1커패시터보다 작게 설정하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 포토 다이오드가 고조도 상태일 경우 상기 감도조정신호가 활성화되어 상기 감도 조정 스위치가 턴 온 됨으로써 상기 제 1플로팅 확산 노드와 상기 제 2플로팅 확산 노드가 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 포토 다이오드가 고조도 상태일 경우 상기 제 1전송 신호가 활성화되고 상기 제 2전송 신호가 비활성화되며, 상기 제 1전송 스위치가 턴 온 되고 상기 제 2전송 스위치가 턴 오프 되어 상기 제 1플로팅 확산 노드의 전하가 상기 제 1커패시터와, 상기 제 2커패시터에 동시에 저장되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 구동 트랜지스터의 출력 전압(V)는 Q/(C1+C2) (여기서, Q는 상기 제 1플로팅 확산 노드, 상기 제 2플로팅 확산 노드의 전하, C1는 상기 제 1플로팅 확산 노드의 커패시턴스, C2는 상기 제 2플로팅 확산 노드의 커패시턴스를 나타냄)로 설정되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 포토 다이오드가 고조도 상태일 경우 상기 제 1커패시터에 의해 상기 제 2플로팅 확산 노드의 전체 커패시턴스를 상기 제 2커패시터보다 크게 설정하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 포토 다이오드가 고조도 상태일 경우 상기 제 1전송 신호, 상기 제 2전송 신호가 활성화되고 상기 제 1전송 스위치, 상기 제 2전송 스위치가 턴 온 되어 상기 제 1플로팅 확산 노드, 상기 제 2플로팅 확산 노드의 전하가 상기 제 1커패시터 및 상기 제 2커패시터에 동시에 저장되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 제 1전송 스위치와 상기 제 2전송 스위치는 서로 다른 트랜지스터 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  12. 제 1항 또는 제 11항에 있어서, 상기 제 2전송 스위치는 상기 제 1전송 스위치보다 작은 트랜지스터 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 제 1커패시터와 상기 제 2커패시터는 서로 다른 커패시턴스를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  14. 제 1항 또는 제 13항에 있어서, 상기 제 2커패시터는 상기 제 1커패시터 보다 작은 커패시턴스 값을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 제 1전송 스위치, 상기 제 2전송 스위치, 상기 감도 조정 스위치는 프리-리셋 동작시 모두 턴 온 되어 이전 동작에서 획득한 신호 차지를 모두 리셋시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  16. 제 1항에 있어서, 저조도 상태에서는 고감도 모드로 동작하여 상기 제 1커패시터보다 커패시턴스가 적은 상기 제 2커패시터만 동작하게 되고, 고조도 상태에서는 저감도 모드로 동작하여 상기 제 1커패시터와 상기 제 2커패시터가 동시에 동작하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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