KR101294444B1 - 픽셀, 픽셀 어레이, 픽셀 어레이를 포함하는 이미지센서 및 이미지센서의 구동방법 - Google Patents

픽셀, 픽셀 어레이, 픽셀 어레이를 포함하는 이미지센서 및 이미지센서의 구동방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 픽셀, 픽셀 어레이, 픽셀 어레이를 포함하는 이미지센서 및 이미지센서의 구동방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 픽셀은 광전변환부; 상기 광전변환부에서 변환된 전하를 축적하기 위한 커패시터; 상기 커패시터의 전위를 출력하기 위한 스위칭 소자; 및 상기 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 제거하기 위한 제거수단;을 포함할 수 있다.

Description

픽셀, 픽셀 어레이, 픽셀 어레이를 포함하는 이미지센서 및 이미지센서의 구동방법{PIXEL, PIXEL ARRAY, IMAGE SENSOR INCLUDING THE PIXEL ARRAY AND METHOD FOR OPERATING THE IMAGE SENSOR}
실시예는 픽셀, 픽셀 어레이, 픽셀 어레이를 포함하는 이미지센서 및 이미지센서의 구동방법에 관한 것이다.
이미지 센서의 품질을 나타내는 데 있어, 중요한 판단 기준이 되는 것 중에 하나가 다이내믹 레인지(Dynamic Range)이다. 다이내믹 레인지는 일반적으로 입력 신호를 왜곡하지 않으면서 신호를 처리할 수 있는 최대 범위를 나타낸다. 이미지 센서의 경우에는 다이내믹 레인지가 넓을수록 넓은 범위의 명도 변화에 관계없이 좋은 이미지를 얻을 수 있다.
그러나 기존의 컬러 이미지 센서는 다이내믹 레인지가 좁아서 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue) 중 어느 하나 이상의 컬러가 포화상태인 경우 이미지 원래의 색을 잘 표현하지 못하는 단점이 있다. 이러한 다이내믹 레인지가 좁은 단점을 극복하기 위하여 WDR(Wide Dynamic Range) 픽셀(Pixel)을 구현하는 방법이 제시되고 있다.
첫째, 종래기술에 의하면, 기존 이미지센서 구조에서 빛의 조사시간을 조절하면서 WDR 동작을 구현하도록 하는 기술이 있다.
둘째, 종래기술에 의하면 FD(Floating Diffusion) 커패시티(capacity)의 변화를 줄 수 있도록 추가적인 커패시터를 구비하고, 추가적인 커패시터를 조절하는 트랜지스터(Tr)를 추가하는 픽셀(Pixel)의 구조를 갖도록 하고, 빛의 강도가 증가함에 따라 생성되는 PD(Photo Diode) 내의 많은 전하(charge)인 고조도에서의 생성된 전하(charge)를 추가된 커패시터에 저장하는 방법이 있다.
셋째, 종래기술에 의하면 한 개의 픽셀(Pixel) 내에 독립적인 2개의 PD를 갖게한후 2개의 PD에서 독립적으로 생성된 전하(charge)를 합성하여 WDR 픽셀(Pixel)을 구현하는 방법 등이 있다.
그런데, 첫 번째 종래기술에 의하면 빛의 강도 변화, 예를 들어 저조도와 고조도 조건과 관계없이 일정한 센서티버티(Sensitivity)를 갖게 되어 저조도에서 어두운 열화 특성의 이미지를 갖게 되는 문제가 있고, 또한, 기존 픽셀동작 중에 고조도에서의 픽셀 동작을 위한 추가 타이밍(Timing) 조절에 제한이 발생하게 되는 문제가 있다.
또한, 추가적인 커패시터와 트랜지스터(Tr)를 이용하여 빛의 강도 조건에 따라 센서티버티(Sensitivity)의 특성을 개선한 두번째 종래기술과 한 개의 픽셀 내에 두개의 PD를 각각 구동하는 픽셀 방식의 세번째 종래기술의 경우 픽셀(Pixel) 내의 필팩터(Fill factor)가 감소하는 문제가 있다.
본 발명의 일 목적은 높은 필팩터(Fill Factor)를 유지하면서 센서티버티(Sensitivity)가 향상되는 픽셀, 픽셀 어레이, 픽셀 어레이를 포함하는 이미지센서 및 이미지센서의 구동방법을 제공하는 데 있다.
실시예에 따른 픽셀은 광전변환부; 상기 광전변환부에서 변환된 전하를 축적하기 위한 커패시터; 상기 커패시터의 전위를 출력하기 위한 출력 스위칭 소자; 및 상기 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 제거하기 위한 제거수단;을 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 픽셀은 제1 광전변환부; 제2 광전변환부; 상기 제1 광전변환부 및 상기 제2 광전변환부에서 변환된 전하를 축적하기 위한 커패시터; 전원전압 라인에 연결되어 상기 커패시터의 전위를 출력하기 위한 출력 스위칭 소자; 상기 제1 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 상기 전원전압 라인으로 빼주기 위한 제1 제거수단; 및 상기 제2 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 상기 전원전압 라인으로 빼주기 위한 제2 제거수단;을 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 픽셀 어레이는 상기 픽셀을 어레이로 가질 수 있다.
또한, 실시예에 따른 이미지센서는 상기 픽셀 어레이를 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 이미지센서 구동방법은 광전변환부; 상기 광전변환부에서 변환된 전하를 축적하기 위한 커패시터; 및 상기 커패시터의 전위를 출력하기 위한 출력 스위칭 소자;를 구비한 이미지센서의 구동방법으로서, 상기 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 제거하기 위한 제거수단에 의해 빛에 대한 노출시간에 따라 상기 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 전원전압(VDD) 라인으로 빼줄 수 있다.
본 발명에 의하면 높은 필팩터(Fill Factor)를 유지하면서 센서티버티(Sensitivity)가 향상된 픽셀, 픽셀 어레이, 픽셀 어레이를 포함하는 이미지센서 및 이미지센서의 구동방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예는 기존 WDR 구현을 위한 픽셀(Pixel) 구조로 사용하는 4Tr 구조에 빛의 강도변화에 따라 생성되는 광전변환부, 예를 들어 PD(Photo Diode)의 전하(charge)의 양을 조절하기 위하여 기존 4Tr와 독립적으로 구동할 수 있는 제거수단, 예를 들어 제거 스위칭 소자인 제거용 트랜지스터(Tr)을 추가로 포함하며, 독립적으로 구동 가능한 제거용 트랜지스터(Tr)의 게이트(gate) 전압을 자유로이 조절함으로써 이미지 합성을 위한 추가 메모리 블락(memory block) 없이 높은 필팩터(Fill factor)를 유지할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 픽셀 어레이의 회로(circuit) 예시도.
도 2는 제2 실시예에 따른 픽셀 어레이의 회로 예시도.
도 3은 실시예에 따른 픽셀 어레이의 회로에 대한 타이밍도(Timing diagram).
도 4는 실시예에 따른 픽셀 어레이에서 PD에 빛이 입사될때 노출시간(exposure time) 및 2개의 서로 다른 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX) 인가전압에 따른 전하(charge)의 변화를 나타내는 그림.
실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
(실시예)
도 1은 제1 실시예에 따른 픽셀 어레이(100)의 회로(circuit) 예시도이다.
실시예에 따른 픽셀, 픽셀 어레이, 및 픽셀 어레이를 포함하는 이미지센서는 광전변환부와, 상기 광전변환부에서 변환된 전하를 축적하기 위한 커패시터와, 상기 커패시터의 전위를 출력하기 위한 출력 스위칭 소자 및 상기 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 제거하기 위한 제거수단을 포함할 수 있다.
실시예는 WDR(Wide Dynamic Range) 픽셀, 픽셀 어레이, 및 픽셀 어레이를 포함하는 이미지센서에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 광전변환부는 포토다이오드(Photodiode:PD)일 수 있고, 상기 커패시터는 플로팅 디퓨젼 영역(FD)일 수 있고, 상기 출력 스위칭 소자는 드라이브 트랜지스터(DX)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제거수단은 상기 광전변환부의 전하를 전원전압(VDD) 라인으로 빼주기 위한 제거 스위칭 소자일 수 있다. 예를 들어, 상기 제거수단은 상기 광전변환부의 전하를 전원전압(VDD) 라인으로 빼주기 위한 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX: Photodiode control transistor)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면, 상기 광전변환부에서 변환된 전하를 상기 커패시터로 전달하기 위한 전달 스위칭 소자 및 전원전압 라인에 연결되어 상기 커패시터의 전위를 리셋시키기 위한 리셋 스위칭 소자를 더 포함할 수 있다. 상기 전달 스위칭 소자는 트랜스터 트랜지시터(TX)일 수 있고, 상기 리셋 스위칭 소자는 리셋트랜지스터(RX)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면, 상기 광전변환부의 일측과 타측에 각각 상기 제거수단과 상기 전달 스위칭 소자가 형성되며, 상기 전달 스위칭 소자는 상기 광전변환부와 상기 커패시터 사이에 형성되며, 상기 전달 스위칭 소자와 상기 리셋 스위칭 소자 사이에 상기 출력 스위칭 소자가 전기적으로 연결될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 실시예에 따른 픽셀, 픽셀 어레이 및 이를 포함하는 이미지센서는 포토다이오드(Photodiode:PD)와, 상기 포토다이오드(PD) 일측에 구비된 트랜스퍼 트랜지스터(TX)와, 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)의 일측에 구비된 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX), 실렉트 트랜지스터(SX) 및 상기 포토다이오드(PD)의 타측에 구비된 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX: Photodiode control transistor)를 포함할 수 있다.
상기 제거 스위칭 소자, 예를 들어 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX)의 게이트(Gate) 동작전압은 온/오프(on/off)에 대응하는 하이볼티지(high voltage)(Von)와 로우 볼티지(low voltage)(Voff) 사이 범위의 동작전압을 추가로 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX)는 하이볼티지(Von)와 로우 볼티지(Voff) 사이 범위에 서로 다른 2가지 이상의 동작전압, 예를 들어 제1 볼티지(V1), 제2 볼티지(V2)를 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이를 통해, 상기 제거 스위칭 소자, 예를 들어 상기 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX)는 특정한 빛의 노출시간(exposure time) 이후 추가로 전압을 걸어주어 생성된 일부의 전하(charge)를 전원전압(VDD) 라인(line)으로 빼주는 역할을 할 수 있다.
예를 들어, 상기 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX)의 게이트 전압은 상기 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX)의 온/오프(on/off)에 대응하는 하이볼티지(high voltage)(Von)와 로우 볼티지(low voltage)(Voff)를 제외한 동작전압 외에 하이볼티지(high voltage)(Von)와 로우 볼티지(low voltage)(Voff) 사이 범위에서 동작전압을 추가로 가지며, 이들 전압을 특정한 빛의 노출시간 이후 추가로 인가하여 PD에서 생성된 일부의 전하(charge)를 전원전압(VDD) 라인으로 빼주는 역할을 할 수 있다.
실시예에 의하면 기존 WDR 구현을 위한 픽셀(Pixel) 구조로 사용하는 4Tr 구조에 빛의 강도변화에 따라 생성되는 PD(Photo Diode)의 전하(charge)의 양을 조절하는 독립적인 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터를 포함하여 이의 게이트(gate) 전압을 조절함으로써 높은 필팩터(Fill factor)를 유지하면서 이미지를 합성하기 위한 추가 메모리 블락(memory block)이 없으며 픽셀(Pixel) 구동을 위한 기존의 트랜지스터들의 전압 조절과 독립적으로 구동할 수 있는 픽셀, 픽셀 어레이, 픽셀 어레이를 포함하는 이미지센서 및 이미지센서의 구동방법을 제공할 수 있다.
이를 통해, 실시예에 의하면 높은 필팩터(Fill Factor)를 유지하면서 센서티버티(Sensitivity)가 향상된 픽셀, 픽셀 어레이, 픽셀 어레이를 포함하는 이미지센서 및 이미지센서의 구동방법을 제공할 수 있다.
도 2는 제2 실시예에 따른 픽셀 어레이(200)의 회로 예시도이다.
제2 실시예에 따른 픽셀, 픽셀 어레이 및 이를 포함하는 이미지센서는 제1 광전변환부와, 제2 광전변환부와, 상기 제1 광전변환부 및 상기 제2 광전변환부에서 변환된 전하를 축적하기 위한 커패시터와, 전원전압 라인에 연결되어 상기 커패시터의 전위를 출력하기 위한 출력 스위칭 소자와, 상기 제1 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 상기 전원전압 라인으로 빼주기 위한 제1 제거수단 및 상기 제2 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 상기 전원전압 라인으로 빼주기 위한 제2 제거수단을 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 전하제거수단은 상기 제1, 제2 광전변환부의 전하를 전원전압(VDD) 라인으로 빼주기 위한 제1, 제2 제거 스위칭 소자일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1, 제2 제거수단은 상기 광전변환부의 전하를 전원전압(VDD) 라인으로 빼주기 위한 제1, 제2 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX1, PDCX2)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 광전변환부는 포토다이오드(Photodiode:PD)일 수 있고, 상기 커패시터는 플로팅 디퓨젼 영역(FD)일 수 있고, 상기 출력 스위칭 소자는 드라이브 트랜스퍼 트랜지스터(DX)일 수 있다.
또한, 실시예에 의하면, 상기 제1, 제2 광전변환부에서 변환된 전하를 상기 커패시터로 전달하기 위한 제1, 제2 전달 스위칭 소자 및 전원전압 라인에 연결되어 상기 커패시터의 전위를 리셋시키기 위한 리셋 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 실시예에 따른 픽셀, 픽셀 어레이 및 이를 포함하는 이미지센서는 제1 포토다이오드(Photodiode:PD1)와, 상기 제1 포토다이오드(PD) 일측에 구비된 제1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)와, 상기 제1 포토다이오드(PD)의 타측에 구비된 제1 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX1: Photodiode control transistor 1)와, 상기 제1 포토다이오드(PD1)가 구비된 픽셀 내에 형성된 제2 포토다이오드(Photodiode:PD2)와, 상기 제2 포토다이오드(PD2) 일측에 구비된 제2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)와, 상기 제2 포토다이오드(PD2)의 타측에 구비된 제2 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX2) 및 상기 제1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)와 상기 제2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)의 타측에 구비된 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX), 실렉트 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다.
제2 실시예에서, 상기 제1, 제2 광전변환부, 예를 들어 제1, 제2 포토다이오드(PD1, PD2)는 하나의 픽셀 내에 공유(shared)될 수 있다.
이에 따라 상기 제1, 제2 트랜스퍼 트랜지스터(TX1, TX2)의 일측에 구비되는 커패시터, 예를 들어 플로팅 디퓨젼 영역(FD)은 공유될 수 있다.
제2 실시예에서 하나의 픽셀 내에 공유된 4개 이상의 광전변환부가 존재할 수 있으며, 이 경우 상기 제거수단들과 상기 전달 스위칭 소자들의 개수는 공유된 광전변환부 개수만큼 구비되며, 상기 전원전압 라인에 연결되는 상기 리셋 스위칭 소자 및 상기 출력 스위칭 소자는 한 개씩 구비될 수 있다.
예를 들어, 제2 실시예에서는 하나의 픽셀 내에 공유된 포토다이오드가 존재하며, 포토다이오드(PD)가 공유되는 경우 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터와 트랜스퍼 트랜지스터의 개수는 공유된 포토다이오드(PD) 개수만큼 구비되며, 나머지 트랜지스터들은 한 개씩 구비될 수 있다.
예를 들어, 하나의 픽셀 내에 공유된 4개 이상의 포토다이오드가 존재하는 경우에는 상기 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터들과 상기 트랜스퍼 트랜지스터들의 개수는 공유된 포토다이오드(PD) 개수만큼 구비되며, 나머지 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX), 실렉트 트랜지스터(SX)들은 한개씩의 구비될 수 있다.
제2 실시예에서 상기 제1, 제2 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX1, PDCX2)의 게이트(Gate) 동작전압은 온/오프(on/off)에 대응하는 하이볼티지(high voltage)(Von)와 로우 볼티지(low voltage)(Voff) 사이 범위에 동작전압을 추가로 가질 수 있다. 예를 들어, 제1, 제2 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX1, PDCX2)는 하이볼티지(Von)와 로우 볼티지(Voff) 사이 범위에 제1 볼티지(V1)(도 3 참조), 제2 볼티지(V2)(도 3 참조)를 가질수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이를 통해, 상기 제1, 제2 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX1, PDCX2)의 게이트 전압은 온/오프(on/off)에 대응하는 하이볼티지(high voltage)(Von)와 로우 볼티지(low voltage)(Voff)를 제외한 동작전압 외에 하이볼티지(high voltage)(Von)와 로우 볼티지(low voltage)(Voff) 사이 범위에서 동작전압을 추가로 갖게 되어, 특정한 빛의 노출시간 이후 추가로 갖는 전압을 걸어주어 생성된 일부의 전하(charge)를 전원전압(VDD) 라인으로 빼주는 역할을 할 수 있다.
실시예에 의하면 기존 WDR 구현을 위한 픽셀(Pixel) 구조로 사용하는 4Tr 구조에 빛의 강도변화에 따라 생성되는 PD(Photo Diode)의 전하(charge)의 양을 조절하는 독립적인 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터를 포함하여 이의 게이트(gate) 전압을 자유로이 조절함으로써 높은 필팩터(Fill factor)를 유지하면서 이미지를 합성하기 위한 추가 메모리 블락(memory block)이 없으며 픽셀(Pixel) 구동을 위한 기존의 트랜지스터들의 전압 조절과 독립적으로 구동할 수 있는 픽셀, 픽셀 어레이, 픽셀 어레이를 포함하는 이미지센서 및 이미지센서의 구동방법을 제공할 수 있다.
이에 따라, 실시예에 의하면 높은 필팩터(Fill Factor)를 유지하면서 센서티버티(Sensitivity)가 향상된 픽셀, 픽셀 어레이, 픽셀 어레이를 포함하는 이미지센서 및 이미지센서의 구동방법을 제공할 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 픽셀 어레이의 회로에 대한 타이밍도(Timing diagram)이며, 도 4는 실시예에 따른 픽셀 어레이에서 PD에 빛이 입사될때 노출시간(exposure time) 및 2개의 서로 다른 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX) 인가전압에 따라 전하(charge)의 변화를 나타내는 그림이다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 실시예에 따른 픽셀 어레이의 구동방법을 설명한다.
실시예에 따른 픽셀 어레이의 구동방법 및 이미지센서의 구동방법은 광전변환부와, 상기 광전변환부에서 변환된 전하를 축적하기 위한 커패시터 및 상기 커패시터의 전위를 출력하기 위한 출력 스위칭 소자;을 구비하며, 상기 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 제거하기 위한 제거수단에 의해 빛에 대한 노출시간에 따라 상기 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 전원전압(VDD) 라인으로 빼줄 수 있다.
예를 들어, 실시예에 따른 픽셀, 픽셀 어레이 및 이미지센서는 포토다이오드(Photodiode:PD) 및 상기 포토다이오드(PD)의 타측에 구비된 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX: Photodiode control transistor)를 구비하며, 소정의 노출시간에 따라 상기 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하(charge) 중 일부 전하(charge)를 전원전압(VDD) 쪽으로 빼줄 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 로우 볼티지(low voltage)(Voff)와 하이 볼티지(high voltage)(Von) 사이 범위의 동작전압을 상기 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX)에 인가하면서 노출시간에 따라 상기 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하(charge) 중 일정한 전하(charge)를 상기 전원전압(VDD) 쪽으로 빼줄 수 있다.
상기 동작전압은 다른 동작전압을 가지며 이에 따라서 상기 전원전압(VDD)로의 빼주는 전하의 양이 달라진다.
실시예에 의하면 상기 동작전압은 빛의 강도가 매우 큰 조건에서도 전하(charge)가 상기 포토다이오드(PD)에 완전히 포화되는 현상을 억제하도록 설정된다.
실시예에 따른 픽셀, 픽셀 어레이 및 이미지센서는 일정 시간 이후 트랜스퍼 트랜지스터(TX)를 턴온 하기 전에 플로팅 디퓨젼 영역(FD)을 리셋시키기 위해 리셋트랜지스터(RX)를 턴온 및 턴오프 동작을 진행할 수 있다.
이하, 도 3 및 4를 참조하여 실시예에 따른 픽셀, 픽셀 어레이 및 이미지센서의 구동방법을 구동시간에 따라 설명한다.
우선, 리셋 트랜지스터(RX)가 턴온(turn on)되면 플로팅 디퓨젼 영역(FD)의 전위는 전원전압(VDD)이 되고, 트랜스퍼 트랜지스터(TX) 또한 턴온하여 수광부인 상기 포토다이오드(PD)를 리셋시킨다.
이후, 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)를 턴오프(turn off) 한후 상기 포토다이오드(PD)에 빛이 입사되면, 노출시간(exposure time)에 비례하여 전하(charge)를 상기 포토다이오드(PD)에 생성시킨다.
도 4에서 노출시간(Exposure time)은 전체 노출시간을 3단계의 노출시간으로 나누어 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 노출시간은 제1 노출시간(T1), 제2 노출시간(T2), 제3 노출시간(T3)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 실시예에서 각 노출시간에 따라 기준이 되는 전하레벨(Charge Level)이 설정될 수 있다.
예를 들어, 제1 노출시간(T1)에 대해서는 제1 레벨(L1)이 설정될 수 있고, 제2 노출시간(T2)에 대해서는 제2 레벨(L2)이 설정될 수 있고, 제3 노출시간(T3)에 대해서는 제3 레벨(L3)이 설정될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면, 노출시간에 따라 생성된 전하(charge)는 로우 볼티지(low voltage)(Voff)와 하이 볼티지(high voltage)(Von) 사이 범위에 동작전압을 상기 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX)에 인가하면서 일정한 전하(charge)를 전원전압(VDD)쪽으로 빼줄 수 있다.
예를 들어, 제1 노출시간(T1)을 기준으로 제1 레벨(L1)을 초과한 전하는 VDD쪽으로 빼줄 수 있다. 마찬가지로, 제2 노출시간(T2)을 기준으로 제2 레벨(L2)을 초과한 전하는 전원전압(VDD)쪽으로 빼줄 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX)에 가해지는 동작전압(V1, V2)은 서로 다른 동작전압을 가질 수 있으며 이에 따라 전원전압(VDD)로의 빼주는 전하의 양도 달라질 수 있다.
상기 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX)에 가해지는 동작전압(V1, V2)은 빛의 강도가 매우 큰 조건에서도 전하(charge)가 상기 포토다이오드(PD)에 완전히 포화되는 현상을 억제하도록 설정될 수 있다.
이후 일정 시간 이후 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)를 턴온 하기전에 미리 상기 플로팅 디퓨젼 영역(FD)을 리셋시키기 위해 상기 리셋트랜지스터(RX)를 턴온 및 턴오프 동작을 진행할 수 있다.
이후 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)를 턴온하여 상기 플로팅 디퓨젼 영역(FD)에 전달되고 신호 전하의 양에 비례하여 변화된 플로팅 디퓨젼 영역(FD)의 전위는 선택된 실렉트 트랜지스터(SX)에 따라 데이터가 칼럼(Column) 쪽으로 출력된다.
실시예에 의하면 빛의 강도가 낮을 경우(P1, P2, P3), 상기 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX)의 동작전압의 인가와는 관계없이 전하가 모두 모아질 수 있다.
한편, 빛의 강도가 커서 전하의 포화가 발생되는 상황이 발생되는 경우(Q1, Q2), 예를 들어 각 노출시간에 대한 전하 설정레벨(L1, L2)을 초과하는 전하가 발생하는 경우, 상기 포토다이오드 컨트롤 트랜지스터(PDCX)의 동작전압 인가에 따라 생성된 전하가 일부 빠지고 난 후 남겨진 양이 모아져 출력될 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 고조도, 예를 들어 500~1000 코드인 전하를 200~250 코드 내로 최종전하를 산출할 수 있다.
이에 따라 실시예에 의하면 종래 500 코드 이상의 고조도인 경우 포화되어 나타나는 것이 200~250 코드 내에서 서로 차별되도록 나타나게 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 실시예는 기존 WDR 구현을 위한 픽셀(Pixel) 구조로 사용하는 4Tr 구조에 빛의 강도변화에 따라 생성되는 광전변환부, 예를 들어 PD(Photo Diode)의 전하(charge)의 양을 조절하기 위하여 기존 4Tr와 독립적으로 구동할 수 있는 제거수단, 예를 들어 제거 스위칭 소자인 제거용 트랜지스터(Tr)을 추가로 포함하며, 독립적으로 구동 가능한 제거용 트랜지스터(Tr)의 게이트(gate) 전압을 자유로이 조절함으로써 이미지 합성을 위한 추가 메모리 블락(memory block) 없이 높은 필팩터(Fill factor)를 유지할 수 있다.
이를 통해, 실시예에 의하면 높은 필팩터(Fill Factor)를 유지하면서 센서티버티(Sensitivity)가 향상된 픽셀, 픽셀 어레이, 픽셀 어레이를 포함하는 이미지센서 및 이미지센서의 구동방법을 제공할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 광전변환부;
    상기 광전변환부에서 변환된 전하를 축적하기 위한 커패시터;
    상기 광전변환부에서 변환된 전하를 상기 커패시터로 전달하기 위한 전달 스위칭 소자;
    상기 커패시터의 전위를 출력하기 위한 출력 스위칭 소자;
    전원전압 라인에 연결되어 상기 커패시터의 전위를 리셋시키기 위한 리셋 스위칭 소자; 및
    상기 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 제거하기 위한 제거수단;을 포함하며,
    상기 광전변환부의 일측과 타측에 각각 상기 제거수단과 상기 전달 스위칭 소자가 형성되고,
    상기 전달 스위칭 소자는 상기 광전변환부와 커패시터 사이에 형성되며,
    상기 전달 스위칭 소자와 상기 리셋 스위칭 소자 사이에 상기 출력 스위칭 소자가 전기적으로 연결된 픽셀.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제거수단은
    상기 광전변환부의 전하를 전원전압(VDD) 라인으로 빼주기 위한 제거 스위칭 소자인 픽셀.
  3. 삭제
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제거 스위칭 소자의 게이트(Gate) 동작전압은 온/오프(on/off)에 대응하는 하이볼티지(high voltage)와 로우 볼티지(low voltage) 사이 범위의 동작전압을 추가로 갖는 픽셀.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 제거 스위칭 소자는,
    특정한 빛의 노출시간(exposure time) 이후 전압을 걸어주어 생성된 일부의 전하(charge)를 상기 전원전압(VDD) 라인으로 빼주는 역할을 하는 픽셀.
  6. 제1 광전변환부;
    제2 광전변환부;
    상기 제1 광전변환부 및 상기 제2 광전변환부에서 변환된 전하를 축적하기 위한 커패시터;
    전원전압 라인에 연결되어 상기 커패시터의 전위를 출력하기 위한 출력 스위칭 소자;
    상기 제1 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 상기 전원전압 라인으로 빼주기 위한 제1 제거수단; 및
    상기 제2 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 상기 전원전압 라인으로 빼주기 위한 제2 제거수단;을 포함하는 픽셀.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 광전변환부와 상기 제2 광전변환부는
    하나의 픽셀 내에 공유된(shared) 픽셀.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 커패시터는
    하나의 픽셀 내에 공유된 전하 축적영역인 픽셀.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 광전변환부에서 변환된 전하를 상기 커패시터로 전달하기 위한 제1, 제2 전달 스위칭 소자; 및
    전원전압 라인에 연결되어 상기 커패시터의 전위를 리셋시키기 위한 리셋 스위칭 소자;를 더 포함하고,
    하나의 픽셀 내에 공유된 4개 이상의 광전변환부가 존재하며,
    상기 제거수단들과 상기 전달 스위칭 소자들의 개수는 공유된 광전변환부 개수만큼 구비되며,
    상기 전원전압 라인에 연결되는 상기 리셋 스위칭 소자 및 상기 출력 스위칭 소자는 한 개씩 구비되는 픽셀.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 전하제거수단은
    상기 제1, 제2 광전변환부의 전하를 전원전압(VDD) 라인으로 빼주기 위한 제1, 제2 제거 스위칭 소자이며,
    상기 제1, 제2 제거 스위칭 소자의 게이트(Gate) 동작전압은 온/오프(on/off)에 대응하는 하이볼티지(high voltage)와 로우 볼티지(low voltage) 사이 범위의 동작전압을 추가로 갖는 픽셀.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 전하제거수단은,
    특정한 빛의 노출시간(exposure time) 이후 상기 전압을 걸어주어 생성된 일부의 전하(charge)를 전원전압(VDD) 라인으로 빼주는 역할을 하는 픽셀.
  12. 제1 항, 제 2항 및 제 4항 내지 제11항 중 어느 하나의 픽셀을 어레이로 갖는 픽셀 어레이.
  13. 제12 항의 픽셀 어레이를 포함하는 이미지센서.
  14. 광전변환부;
    상기 광전변환부에서 변환된 전하를 축적하기 위한 커패시터; 및
    상기 커패시터의 전위를 출력하기 위한 출력 스위칭 소자;를 구비한 이미지센서의 구동방법으로서,
    상기 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 제거하기 위한 제거수단에 의해 빛에 대한 노출시간에 따라 상기 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 전원전압(VDD) 라인으로 빼주며,
    상기 노출시간은 제 1 전하 레벨을 갖는 제1 노출시간 및 제 2 전하 레벨을 갖는 제2 노출시간을 포함하고,
    상기 제1 노출시간을 기준으로 상기 제1 전하 레벨을 초과한 전하는 상기 전원전압 쪽으로 빼주며, 상기 제2 노출시간을 기준으로 상기 제2 전하 레벨을 초과한 전하는 상기 전원전압 쪽으로 빼주는 이미지센서 구동방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제거 수단의 온/오프(on/off)에 대응하는 로우 볼티지(low voltage)와 하이 볼티지(high voltage) 사이 범위의 동작전압을 상기 제거수단에 인가하면서 상기 노출시간에 따라 상기 광전변환부에서 변환된 전하 중 일부를 전원전압(VDD) 라인으로 빼주는 이미지센서 구동방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 로우 볼티지(low voltage)와 하이 볼티지(high voltage) 사이 범위의 동작전압은 2가지 이상의 동작전압으로서 서로 다른 동작전압을 가지며, 상기 전원전압으로 빼주는 전하의 양이 달라지는 이미지센서 구동방법.
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 동작전압은 빛의 강도가 큰 조건에서도 전하(charge)가 상기 광전변환부에 포화되는 현상을 억제하도록 설정된 이미지센서 구동방법.
  20. 제14 항에 있어서,
    상기 제거수단은 상기 광전변환부의 전하를 전원전압(VDD) 라인으로 빼주기 위한 제거 스위칭 소자이며,
    빛의 강도가 낮을 경우 상기 제거 스위칭 소자의 동작전압의 인가와는 관계없이 전하가 모아지며,
    빛의 강도가 클수록 상기 제거 스위칭 소자의 동작전압 인가에 따라 생성된 전하가 일부 빠지고 난 후 남겨진 양이 모아져 출력되는 이미지센서의 구동방법.
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