KR102078621B1

KR102078621B1 - 이미지 센서 및 이를 포함하는 컴퓨팅 시스템

Info

Publication number: KR102078621B1
Application number: KR1020130042681A
Authority: KR
Inventors: 이귀덕; 이경호; 고토히로시게; 김세영; 설상철; 이명원
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2020-02-19
Also published as: US9300887B2; US20140313383A1; KR20140125057A

Abstract

이미지 센서는 광전 변환부, 신호 생성부 및 피드백부를 포함한다. 광전 변환부는 반도체 기판의 상부에 형성되고, 구동 전압에 기초하여 입사광을 감지하여 광전하를 생성한다. 신호 생성부는 반도체 기판에 형성되고, 광전하에 기초하여 아날로그 신호를 생성한다. 피드백부는 광전 변환부로부터 생성되는 광전하의 양에 기초하여 구동 전압을 생성한다. 이미지 센서는 저조도의 이미지와 고조도의 이미지를 모두 효과적으로 캡쳐할 수 있다.

Description

이미지 센서 및 이를 포함하는 컴퓨팅 시스템{IMAGE SENSOR AND COMPUTING SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광역 보정 기능(wide dynamic range; WDR)을 갖는 이미지 센서 및 이를 포함하는 컴퓨팅 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 이미지 센서의 민감도(sensitivity)를 증가시키는 경우 고조도의 이미지가 하얗게 표시되어 피사체의 식별이 어렵고, 이미지 센서의 민감도(sensitivity)를 감소시키는 경우 저조도의 이미지가 검게 표시되어 피사체의 식별이 어려운 문제점이 있다.

따라서 고조도에서는 민감도를 감소시키고 저조도에서는 민감도를 증가시키는 광역 보정 기능(wide dynamic range; WDR)을 갖는 이미지 센서가 필요하다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 광역 보정 기능(wide dynamic range; WDR)을 효과적으로 수행할 수 있는 이미지 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 이미지 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 광전 변환부, 신호 생성부 및 피드백부를 포함한다. 상기 광전 변환부는 반도체 기판의 상부에 형성되고, 구동 전압에 기초하여 입사광을 감지하여 광전하를 생성한다. 상기 신호 생성부는 상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 광전하에 기초하여 아날로그 신호를 생성한다. 상기 피드백부는 상기 광전 변환부로부터 생성되는 상기 광전하의 양에 기초하여 상기 구동 전압을 생성한다.

일 실시예에 있어서, 상기 광전 변환부는 유기 물질을 포함하는 유기 포토 다이오드(organic photodiode)를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 구동 전압은 음의 전압을 가질 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 광전 변환부로부터 생성되는 상기 광전하의 양은 상기 구동 전압의 크기에 비례할 수 있다.

상기 피드백부는 상기 광전하의 양이 증가하는 경우 상기 구동 전압의 크기를 감소시키고, 상기 광전하의 양이 감소하는 경우 상기 구동 전압의 크기를 증가시킬 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 광전 변환부는, 유기 물질을 포함하고, 상기 입사광을 감지하여 상기 광전하를 생성하는 유기 물질막, 상기 유기 물질막의 상부에 형성되고, 상기 구동 전압이 인가되는 상부 전극 및 상기 유기 물질막의 하부에 형성되고, 상기 광전하를 상기 신호 생성부에 제공하는 하부 전극을 포함할 수 있다.

상기 피드백부는, 상기 광전 변환부의 상기 하부 전극에 연결되고, 상기 광전하의 양에 기초하여 피드백 전압을 생성하는 피드백 전압 생성부 및 기준 전압 및 상기 피드백 전압의 차이에 상응하는 상기 구동 전압을 생성하는 전압 합산부를 포함할 수 있다.

상기 신호 생성부는, 상기 광전 변환부의 상기 하부 전극으로부터 제공되는 상기 광전하를 저장하는 스토리지 영역에 상응하는 소스, 플로팅 확산 영역에 상응하는 드레인 및 전달 제어 신호가 인가되는 게이트를 갖는 전달 트랜지스터, 상기 플로팅 확산 영역에 연결되는 소스, 전원 전압에 연결되는 드레인 및 리셋 제어 신호가 인가되는 게이트를 갖는 리셋 트랜지스터, 소스, 상기 전원 전압에 연결되는 드레인 및 상기 플로팅 확산 영역에 연결되는 게이트를 갖는 센싱 트랜지스터, 및 상기 센싱 트랜지스터의 소스에 연결되는 드레인, 로우 선택 신호가 인가되는 게이트 및 상기 아날로그 신호를 출력하는 소스를 갖는 로우 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다.

상기 신호 생성부는, 상기 광전 변환부의 상기 하부 전극으로부터 제공되는 상기 광전하를 저장하는 스토리지 영역, 상기 스토리지 영역의 일측에 형성되는 에너지 장벽 영역, 및 상기 에너지 장벽 영역의 일측에 형성되고, 상기 스토리지 영역으로부터 상기 에너지 장벽 영역을 넘어서 오버플로우(overflow)되는 상기 광전하를 저장하는 오버플로우 영역을 포함할 수 있다.

상기 에너지 장벽 영역은 고농도의 P형 불순물을 포함할 수 있다.

상기 피드백부는, 상기 신호 생성부의 상기 오버플로우 영역에 연결되고, 상기 오버플로우 영역에 저장된 상기 광전하의 양에 기초하여 피드백 전압을 생성하는 피드백 전압 생성부 및 기준 전압 및 상기 피드백 전압의 차이에 상응하는 상기 구동 전압을 생성하는 전압 합산부를 포함할 수 있다.

상기 이미지 센서는 바이어스 제어 신호에 기초하여 상기 신호 생성부의 상기 오버플로우 영역에 바이어스 전압을 선택적으로 제공하는 스위치를 더 포함할 수 있다.

상기 신호 생성부는, 상기 스토리지 영역에 상응하는 소스, 플로팅 확산 영역에 상응하는 드레인 및 전달 제어 신호가 인가되는 게이트를 갖는 전달 트랜지스터,

상기 플로팅 확산 영역에 연결되는 소스, 전원 전압에 연결되는 드레인 및 리셋 제어 신호가 인가되는 게이트를 갖는 리셋 트랜지스터, 소스, 상기 전원 전압에 연결되는 드레인 및 상기 플로팅 확산 영역에 연결되는 게이트를 갖는 센싱 트랜지스터, 및 상기 센싱 트랜지스터의 소스에 연결되는 드레인, 로우 선택 신호가 인가되는 게이트 및 상기 아날로그 신호를 출력하는 소스를 갖는 로우 선택 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 이미지 센서는, 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환부 및 상기 신호 생성부, 상기 피드백부 및 상기 아날로그-디지털 변환부의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨팅 시스템은 이미지 센서, 저장 장치 및 프로세서를 포함한다. 상기 이미지 센서는 입사광에 상응하는 디지털 신호를 생성한다. 상기 저장 장치는 상기 디지털 신호를 저장한다. 상기 프로세서는 상기 이미지 센서 및 상기 저장 장치의 동작을 제어한다. 상기 이미지 센서는, 광전 변환부, 신호 생성부, 피드백부 및 아날로그-디지털 변환부를 포함한다. 상기 광전 변환부는 반도체 기판의 상부에 형성되고, 구동 전압에 기초하여 입사광을 감지하여 광전하를 생성한다. 상기 신호 생성부는 상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 광전하에 기초하여 아날로그 신호를 생성한다. 상기 피드백부는 상기 광전 변환부로부터 생성되는 상기 광전하의 양에 기초하여 상기 구동 전압을 생성한다. 상기 아날로그-디지털 변환부는 상기 아날로그 신호를 상기 디지털 신호로 변환한다.

본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 저조도의 이미지와 고조도의 이미지를 동시에 촬영하는 경우, 저조도의 이미지를 수신하는 단위 픽셀들의 민감도를 증가시키고 고조도의 이미지를 수신하는 단위 픽셀들의 민감도를 감소시켜 광역 보정 기능(wide dynamic range; WDR)을 구현함으로써, 저조도의 이미지와 고조도의 이미지를 모두 효과적으로 캡쳐할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 단위 픽셀에 포함되는 피드백부의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 2의 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a, 5b 및 5c는 도 2의 단위 픽셀의 효과를 설명하기 위한 그래프들이다.
도 6은 도 1의 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 단위 픽셀에 포함되는 피드백부의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 8은 도 6의 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 6의 단위 픽셀의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 도 1의 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 12는 도 11의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 이미지 센서(10)는 픽셀 어레이(100), 아날로그-디지털 변환부(ADC)(200) 및 제어부(300)를 포함한다.

픽셀 어레이(100)는 로우들 및 컬럼들로 배열된 복수의 단위 픽셀들(101)을 포함한다. 복수의 단위 픽셀들(101) 각각은 입사광(IL)을 감지하여 아날로그 신호(AS)를 생성한다. 예를 들어, 입사광(IL)의 세기가 상대적으로 큰 경우, 복수의 단위 픽셀들(101) 각각이 생성하는 아날로그 신호(AS)의 크기는 증가하고, 입사광(IL)의 세기가 상대적으로 작은 경우, 복수의 단위 픽셀들(101) 각각이 생성하는 아날로그 신호(AS)의 크기는 감소할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들(101) 각각의 민감도는 서로 상이할 수 있다. 여기서, 단위 픽셀(101)의 민감도란 입사광(IL)의 세기에 대한 단위 픽셀(101)로부터 생성되는 아날로그 신호(AS)의 크기의 비율을 나타낸다. 복수의 단위 픽셀들(101) 각각은 음의 피드백(negative feedback) 경로를 포함한다. 복수의 단위 픽셀들(101) 각각은 상기 음의 피드백 경로를 사용하여 수신되는 입사광(IL)의 세기가 상대적으로 작은 경우 민감도를 증가시키고 수신되는 입사광(IL)의 세기가 상대적으로 큰 경우 민감도를 감소시킬 수 있다. 따라서 저조도의 이미지와 고조도의 이미지를 동시에 촬영하는 경우에, 이미지 센서(10)는 저조도의 이미지를 수신하는 단위 픽셀들(101)의 민감도를 증가시키고 고조도의 이미지를 수신하는 단위 픽셀들(101)의 민감도를 감소시켜 광역 보정 기능(wide dynamic range; WDR)을 구현함으로써, 이미지 센서(10)는 저조도의 이미지와 고조도의 이미지를 모두 효과적으로 표시할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들(101)의 구성 및 동작에 대한 상세한 설명은 후술한다.

아날로그-디지털 변환부(200)는 픽셀 어레이(100)로부터 제공되는 아날로그 신호(AS)를 디지털 신호(DS)로 변환한다. 일 실시예에 있어서, 아날로그-디지털 변환부(200)는 아날로그 신호(AS)에 대해 단일 기울기(single slope) 아날로그-디지털 변환을 수행하여 디지털 신호(DS)를 생성할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 아날로그-디지털 변환부(200)는 아날로그 신호(AS)에 대해 시그마-델타(sigma-delta) 아날로그-디지털 변환을 수행하여 디지털 신호(DS)를 생성한다. 실시예에 따라서, 아날로그-디지털 변환부(200)는 아날로그 신호(AS)에 대해 다양한 종류의 아날로그-디지털 변환을 수행하여 디지털 신호(DS)를 생성할 수도 있다.

제어부(300)는 제1 제어 신호(CON1)를 통해 픽셀 어레이(100)의 동작을 제어하고, 제2 제어 신호(CON2)를 통해 아날로그-디지털 변환부(200)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어부(300)는 픽셀 어레이(100)의 동작을 로우 단위로 제어할 수 있다.

도 2는 도 1의 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 단위 픽셀(101a)은 광전 변환부(110), 신호 생성부(120a) 및 피드백부(130a)를 포함한다.

광전 변환부(110)는 반도체 기판(102)의 상부에 형성된다. 광전 변환부(110)는 구동 전압(VD)에 기초하여 입사광(IL)을 감지하여 광전하를 생성한다.

신호 생성부(120a)는 반도체 기판(102)에 형성되고, 광전 변환부(110)로부터 제공되는 상기 광전하에 기초하여 아날로그 신호(AS)를 생성한다.

피드백부(130a)는 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하의 양에 기초하여 구동 전압(VD)을 생성하여 광전 변환부(110)에 제공한다. 즉, 피드백부(130a)는 광전 변환부(110)에 음의 피드백(negative feedback) 경로를 제공함으로써, 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하의 양에 기초하여 광전 변환부(110)에 제공되는 구동 전압(VD)의 크기를 제어할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하의 양은 구동 전압(VD)의 크기에 비례할 수 있다. 즉, 일정한 세기의 입사광(IL)을 수신하는 경우, 구동 전압(VD)의 크기가 클수록 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하의 양은 증가하고, 이로 인해 신호 생성부(120a)로부터 생성되는 아날로그 신호(AS)의 크기 역시 증가할 수 있다.

따라서 피드백부(130a)는 광전 변환부(110)에 제공하는 구동 전압(VD)의 크기를 조절함으로써 단위 픽셀(101a)의 민감도를 제어할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 피드백부(130a)는 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하의 양이 증가하는 경우 구동 전압(VD)의 크기를 감소시키고, 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하의 양이 감소하는 경우 구동 전압(VD)의 크기를 증가시킬 수 있다. 따라서 피드백부(130a)는 입사광(IL)의 세기가 상대적으로 작은 경우 단위 픽셀(101a)의 민감도를 증가시키고 입사광(IL)의 세기가 상대적으로 큰 경우 단위 픽셀(101a)의 민감도를 감소시킬 수 있다.

일 실시예에 있어서, 광전 변환부(110)는 유기 물질(organic material)을 포함하는 유기 포토 다이오드(organic photodiode)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 광전 변환부(110)는 유기 물질막(111), 상부 전극(113) 및 하부 전극(115)을 포함할 수 있다. 유기 물질막(111)은 유기 물질을 포함하고, 입사광(IL)을 감지하여 EHP(Electron Hole Pair)를 생성할 수 있다. 상기 생성된 EHP의 전자(electron)는 상기 광전하에 상응할 수 있다. 상부 전극(113)은 유기 물질막(111)의 상부에 형성되고, 구동 전압(VD)이 인가될 수 있다. 하부 전극(115)은 유기 물질막(111)의 하부에 형성되고, 신호 생성부(120a)에 연결될 수 있다.

구동 전압(VD)은 음의 전압을 가질 수 있다. 따라서 유기 물질막(111)에서 생성된 상기 EHP의 정공(hole)은 음의 전압을 갖는 구동 전압(VD)으로 인해 상부 전극(113)으로 전달되고, 상기 EHP의 전자(electron), 즉, 상기 광전하는 하부 전극(115)으로 전달될 수 있다. 하부 전극(115)은 상기 광전하를 신호 생성부(120a)에 제공할 수 있다.

신호 생성부(120a)는 전달 트랜지스터(121), 리셋 트랜지스터(122), 센싱 트랜지스터(123) 및 로우 선택 트랜지스터(124)를 포함할 수 있다.

도 2에서, 리셋 트랜지스터(122), 센싱 트랜지스터(123) 및 로우 선택 트랜지스터(124)는 회로적으로 도시되어 있으나, 전달 트랜지스터(121), 리셋 트랜지스터(122), 센싱 트랜지스터(123) 및 로우 선택 트랜지스터(124) 모두는 반도체 기판(102)에 형성된다. 전달 트랜지스터(121), 리셋 트랜지스터(122), 센싱 트랜지스터(123) 및 로우 선택 트랜지스터(124)는 반도체 기판(102)에서 다양한 형태로 배치될 수 있다.

전달 트랜지스터(121)는 광전 변환부(110)의 하부 전극(115)으로부터 제공되는 상기 광전하를 저장하는 스토리지 영역(STR)에 상응하는 소스, 플로팅 확산(floating diffusion) 영역(FD)에 상응하는 드레인 및 전달 제어 신호(TX)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다.

리셋 트랜지스터(122)는 플로팅 확산 영역(FD)에 연결되는 소스, 전원 전압(VDD)에 연결되는 드레인 및 리셋 제어 신호(RX)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다.

센싱 트랜지스터(123)는 로우 선택 트랜지스터(124)의 드레인에 연결되는 소스, 전원 전압(VDD)에 연결되는 드레인 및 플로팅 확산 영역(FD)에 연결되는 게이트를 포함할 수 있다.

로우 선택 트랜지스터(124)는 센싱 트랜지스터(123)의 소스에 연결되는 드레인, 로우 선택 신호(SEL)가 인가되는 게이트 및 아날로그 신호(AS)를 출력하는 소스를 포함할 수 있다.

전달 제어 신호(TX), 리셋 제어 신호(RX) 및 로우 선택 신호(SEL)는 도 1의 제어부(300)로부터 제공될 수 있다.

도 3은 도 2의 단위 픽셀에 포함되는 피드백부의 일 예를 나타내는 블록도이다.

도 3을 참조하면, 피드백부(130a)는 피드백 전압 생성부(131) 및 전압 합산부(135)를 포함할 수 있다.

피드백 전압 생성부(131)는 광전 변환부(110)의 하부 전극(135)에 연결되고, 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하의 양에 기초하여 피드백 전압(VF)을 생성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 피드백 전압 생성부(131)는 동작 초기에 전원 전압(VDD)을 피드백 전압(VF)으로서 출력하고, 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하의 양이 증가함에 따라 전원 전압(VDD)으로부터 점점 감소하는 크기를 갖는 피드백 전압(VF)을 생성할 수 있다.

전압 합산부(135)는 기준 전압(VR) 및 피드백 전압(VF)의 차이에 상응하는 구동 전압(VD)을 생성할 수 있다. 일 실시예에 있어서 기준 전압(VR)은 접지 전압일 수 있다. 전압 합산부(135)는 기준 전압(VR)에서 피드백 전압(VF)을 감산하여 음의 전압을 갖는 구동 전압(VD)을 생성하여 광전 변환부(110)의 상부 전극(113)에 제공할 수 있다. 따라서 동작 초기에 구동 전압(VD)의 크기는 전원 전압(VDD)의 크기에 상응하고, 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하의 양이 증가함에 따라 구동 전압(VD)의 크기는 점점 감소할 수 있다. 기준 전압(VR)의 크기를 조절함으로써 구동 전압(VD)이 가질 수 있는 전압의 범위를 제어할 수 있다. 기준 전압(VR)은 도 1의 제어부(300)로부터 제공될 수 있다.

도 4는 도 2의 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 4에는 피드백부(130a)가 도 3에 도시된 구성을 갖는 것으로 도시된다.

광전 변환부(110)에 포함되는 유기 물질막(111)은 입사광(IL)을 감지하여 EHP(137)을 생성한다. 광전 변환부(110)의 상부 전극(113)에는 음의 전압을 갖는 구동 전압(VD)이 인가되므로, 도 4에 도시된 바와 같이, EHP(137)의 정공(138)은 상부 전극(113)을 통해 피드백부(130a)로 전달되고, EHP(137)의 전자(139)는 하부 전극(115)을 통해 신호 생성부(120a)의 스토리지 영역(STR)으로 전달될 수 있다. EHP(137)의 전자(139)는 광전 변환부(110)가 생성하는 상기 광전하에 상응할 수 있다. 따라서 스토리지 영역(STR)에는 입사광(IL)의 세기에 상응하는 양의 전자(139)가 축적될 수 있다.

제어부(300)는 픽셀 어레이(100)에 활성화된 로우 선택 신호(SEL)를 제공하여 로우 선택 트랜지스터(124)를 턴온(turn-on)시킴으로써 픽셀 어레이(100)에 포함되는 복수의 로우들 중에서 하나의 로우를 선택하고, 상기 선택된 로우에 활성화된 리셋 제어 신호(RX)를 제공하여 리셋 트랜지스터(122)를 턴온시킨다. 따라서 플로팅 확산 영역(FD)의 전위를 전원 전압(VDD)으로 초기화시킬 수 있다. 이후, 제어부(300)는 리셋 제어 신호(RX)를 비활성화시킨다.

한편, 제어부(300)는 픽셀 어레이(100)에 활성화된 전달 제어 신호(TX)를 제공하여 전달 트랜지스터(121)를 턴온시킴으로써 전달 트랜지스터(121)의 소스 노드, 즉, 스토리지 영역(STR)에 축적된 전자(139)는 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달된다. 플로팅 확산 영역(FD)의 전위는 상기 전달된 전자(139)의 양에 따라 변하게 되고 이와 동시에 센싱 트랜지스터(123)의 게이트의 전위도 변하게 된다. 선택 트랜지스터(124)가 턴온 상태이면 플로팅 확산 영역(FD)의 전위에 상응하는 아날로그 신호(AS)가 단위 픽셀(101a)로부터 출력된다.

이후, 제어부(300)는 다음 로우들에 대해 상기와 같은 동작을 반복하면서 로우 단위로 아날로그 신호(AS)를 순차적으로 출력할 수 있다.

이 때, 상술한 바와 같이, 피드백 전압 생성부(131)는 광전 변환부(110)로부터 생성되는 전자(139)의 양에 기초하여 피드백 전압(VF)을 생성하고, 전압 합산부(135)는 기준 전압(VR) 및 피드백 전압(VF)의 차이에 상응하는 구동 전압(VD)을 생성하여 광전 변환부(110)의 상부 전극(113)에 제공할 수 있다. 즉, 피드백부(130a)는 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하의 양에 기초하여 광전 변환부(110)에 제공되는 구동 전압(VD)의 크기를 제어함으로써 단위 픽셀(101a)의 민감도를 제어할 수 있다.

이와 같이, 이미지 센서(10)는 복수의 단위 픽셀들(101a) 각각에 수신되는 입사광(IL)의 세기에 따라 복수의 단위 픽셀들(101a) 각각의 민감도를 서로 상이하게 설정할 수 있다. 따라서 저조도의 이미지와 고조도의 이미지를 동시에 촬영하는 경우에, 이미지 센서(10)는 저조도의 이미지를 수신하는 단위 픽셀들(101a)의 민감도를 증가시키고 고조도의 이미지를 수신하는 단위 픽셀들(101a)의 민감도를 감소시켜 광역 보정 기능(wide dynamic range; WDR)을 구현함으로써, 이미지 센서(10)는 저조도의 이미지와 고조도의 이미지를 모두 효과적으로 캡쳐할 수 있다.

또한, 광전 변환부(110)는 반도체 기판(102)에 형성되지 않고 반도체 기판(102)의 상부에 형성되므로, 반도체 기판(102)의 크기를 줄일 수 있어 이미지 센서(10)의 전체적인 크기를 감소시킬 수 있다.

도 5a, 5b 및 5c는 도 2의 단위 픽셀의 효과를 설명하기 위한 그래프들이다.

도 5a는 일반적인 이미지 센서에서 단위 픽셀의 민감도가 높게 설정된 경우에 입사광의 세기와 단위 픽셀로부터 생성되는 아날로그 신호의 크기를 나타내는 그래프이고, 도 5b는 일반적인 이미지 센서에서 단위 픽셀의 민감도가 낮게 설정된 경우에 입사광의 세기와 단위 픽셀로부터 생성되는 아날로그 신호의 크기를 나타내는 그래프이고, 도 5c는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서(10)에서 입사광의 세기와 단위 픽셀(101a)로부터 생성되는 아날로그 신호(AS)의 크기를 나타내는 그래프이다.

도 5a를 참조하면, 단위 픽셀은 높은 민감도를 가지므로, 입사광의 세기에 대한 단위 픽셀로부터 생성되는 아날로그 신호의 크기의 비율은 상대적으로 크다. 따라서 입사광의 세기가 상대적으로 낮은 제1 조도(L1)에서 단위 픽셀은 포화될 수 있다. 따라서 단위 픽셀의 민감도가 높게 설정된 경우, 저조도의 이미지를 촬영하는 경우에는 선명한(즉, 식별력이 높은) 이미지를 제공할 수 있는데 반해, 입사광의 세기가 제1 조도(L1) 이하인 경우에 한해 이미지를 정상적으로 표시할 수 있으므로, 이미지를 정상적으로 표시할 수 있는 입사광의 세기의 범위가 상대적으로 좁다는 문제점이 있다.

도 5b를 참조하면, 단위 픽셀은 낮은 민감도를 가지므로, 입사광의 세기에 대한 단위 픽셀로부터 생성되는 아날로그 신호의 크기의 비율은 상대적으로 작다. 따라서 입사광의 세기가 상대적으로 높은 제2 조도(L2)에서 단위 픽셀은 포화될 수 있다. 따라서 단위 픽셀의 민감도가 낮게 설정된 경우, 상대적으로 높은 조도의 이미지까지 정상적으로 표시할 수 있는 반면에, 저조도의 이미지를 식별하기 어려운 문제점이 있다.

이에 반해, 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서(10)의 경우, 복수의 단위 픽셀들(101a) 각각은 피드백부(130a)를 포함하므로, 복수의 단위 픽셀들(101a) 각각은 서로 독립적으로 수신되는 입사광(IL)의 세기가 상대적으로 약한 경우 민감도를 증가시키고 수신되는 입사광(IL)의 세기가 상대적으로 강한 경우 민감도를 감소시킬 수 있다. 따라서, 도 5c에 도시된 바와 같이, 단위 픽셀(101a)은 저조도에서 높은 민감도를 가지면서도 입사광(IL)의 세기가 상대적으로 높은 제3 조도(L3)까지 포화되지 않고 동작하는 광역 보정 기능(wide dynamic range; WDR)을 가질 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서(10)는 저조도의 이미지에서부터 고조도의 이미지까지 넓은 범위의 입사광(IL)의 세기에 대해 선명한 이미지를 제공할 수 있다.

도 6은 도 1의 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 다른 예를 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 단위 픽셀(101b)은 광전 변환부(110), 신호 생성부(120b) 및 피드백부(130b)를 포함한다.

광전 변환부(110)는 반도체 기판(102)의 상부에 형성된다. 광전 변환부(110)는 구동 전압(VD)에 기초하여 입사광(IL)을 감지하여 광전하를 생성한다. 구동 전압(VD)은 음의 전압을 가질 수 있다.

도 6의 단위 픽셀(101b)에 포함되는 광전 변환부(110)는 도 2의 단위 픽셀(101a)에 포함되는 광전 변환부(110)와 동일할 수 있다. 도 2의 단위 픽셀(101a)에 포함되는 광전 변환부(110)의 구성 및 동작에 대해서는 상술하였으므로, 여기서는 도 6의 단위 픽셀(101b)에 포함되는 광전 변환부(110)에 대한 상세한 설명은 생략한다.

신호 생성부(120b)는 반도체 기판(102)에 형성되고, 광전 변환부(110)로부터 제공되는 상기 광전하에 기초하여 아날로그 신호(AS)를 생성한다.

신호 생성부(120b)는 전달 트랜지스터(121), 리셋 트랜지스터(122), 센싱 트랜지스터(123), 로우 선택 트랜지스터(124), 에너지 장벽 영역(125) 및 오버플로우(overflow) 영역(OF)(126)을 포함할 수 있다.

도 2에서, 리셋 트랜지스터(122), 센싱 트랜지스터(123) 및 로우 선택 트랜지스터(124)는 회로적으로 도시되어 있으나, 전달 트랜지스터(121), 리셋 트랜지스터(122), 센싱 트랜지스터(123), 로우 선택 트랜지스터(124), 에너지 장벽 영역(125) 및 오버플로우 영역(126) 모두는 반도체 기판(102)에 형성된다. 전달 트랜지스터(121), 리셋 트랜지스터(122), 센싱 트랜지스터(123) 및 로우 선택 트랜지스터(124)는 반도체 기판(102)에서 다양한 형태로 배치될 수 있다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 에너지 장벽 영역(125)은 스토리지 영역(STR)의 일측에 형성되고, 오버플로우 영역(126)은 에너지 장벽 영역(125)의 일측에 형성될 수 있다. 즉, 에너지 장벽 영역(125)은 스토리지 영역(STR) 및 오버플로우 영역(126)의 사이에 형성될 수 있다. 에너지 장벽 영역(125)은 고농도의 P형 불순물(P+)을 포함할 수 있다. 따라서 에너지 장벽 영역(125)은 광전 변환부(110)로부터 제공되는 상기 광전하가 스토리지 영역(STR)에 미리 정해진 양 이상으로 축적될 때까지 상기 광전하가 스토리지 영역(STR)으로부터 오버플로우 영역(126)으로 이동하는 것을 차단할 수 있다. 오버플로우 영역(126)은 상기 광전하가 스토리지 영역(STR)에 상기 미리 정해진 양 이상으로 축적되어 스토리지 영역(STR)으로부터 에너지 장벽 영역(125)을 넘어서 오버플로우되는 상기 광전하를 저장할 수 있다.

피드백부(130b)는 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하의 양에 기초하여 구동 전압(VD)을 생성하여 광전 변환부(110)에 제공한다. 즉, 피드백부(130b)는 광전 변환부(110)에 음의 피드백(negative feedback) 경로를 제공함으로써, 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하의 양에 기초하여 광전 변환부(110)에 제공되는 구동 전압(VD)의 크기를 제어할 수 있다. 구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 피드백부(130b)는 오버플로우 영역(126)과 광전 변환부(110)의 상부 전극(113) 사이에 연결될 수 있다. 피드백부(130b)는 광전 변환부(110)로부터 생성되어 스토리지 영역(STR)에 축적된 후 에너지 장벽 영역(125)을 넘어서 오버플로우 영역(126)으로 오버플로우된 상기 광전하의 양에 기초하여 구동 전압(VD)을 생성할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하의 양은 구동 전압(VD)의 크기에 비례할 수 있다. 즉, 일정한 세기의 입사광(IL)을 수신하는 경우, 구동 전압(VD)의 크기가 클수록 광전 변환부(110)로부터 생성되는 상기 광전하의 양은 증가하고, 이로 인해 신호 생성부(120b)로부터 생성되는 아날로그 신호(AS)의 크기 역시 증가할 수 있다.

따라서 피드백부(130b)는 광전 변환부(110)에 제공하는 구동 전압(VD)의 크기를 조절함으로써 단위 픽셀(101b)의 민감도를 제어할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 피드백부(130b)는 스토리지 영역(STR)으로부터 에너지 장벽 영역(125)을 넘어서 오버플로우 영역(126)으로 오버플로우된 상기 광전하의 양이 증가하는 경우 구동 전압(VD)의 크기를 감소시키고, 스토리지 영역(STR)으로부터 에너지 장벽 영역(125)을 넘어서 오버플로우 영역(126)으로 오버플로우된 상기 광전하의 양이 감소하는 경우 구동 전압(VD)의 크기를 증가시킬 수 있다. 따라서 피드백부(130b)는 입사광(IL)의 세기가 상대적으로 작은 경우 단위 픽셀(101b)의 민감도를 증가시키고 입사광(IL)의 세기가 상대적으로 큰 경우 단위 픽셀(101a)의 민감도를 감소시킬 수 있다.

도 7은 도 6의 단위 픽셀에 포함되는 피드백부의 일 예를 나타내는 블록도이다.

도 7을 참조하면, 피드백부(130b)는 피드백 전압 생성부(133) 및 전압 합산부(135)를 포함할 수 있다.

피드백 전압 생성부(133)는 오버플로우 영역(126)에 연결되고, 스토리지 영역(STR)으로부터 에너지 장벽 영역(125)을 넘어서 오버플로우 영역(126)으로 오버플로우된 상기 광전하의 양에 기초하여 피드백 전압(VF)을 생성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 피드백 전압 생성부(133)는 동작 초기에 전원 전압(VDD)을 피드백 전압(VF)으로서 출력하고, 스토리지 영역(STR)으로부터 에너지 장벽 영역(125)을 넘어서 오버플로우 영역(126)으로 오버플로우된 상기 광전하의 양이 증가함에 따라 전원 전압(VDD)으로부터 점점 감소하는 크기를 갖는 피드백 전압(VF)을 생성할 수 있다.

전압 합산부(135)는 기준 전압(VR) 및 피드백 전압(VF)의 차이에 상응하는 구동 전압(VD)을 생성할 수 있다. 일 실시예에 있어서 기준 전압(VR)은 접지 전압일 수 있다. 전압 합산부(135)는 기준 전압(VR)에서 피드백 전압(VF)을 감산하여 음의 전압을 갖는 구동 전압(VD)을 생성하여 광전 변환부(110)의 상부 전극(113)에 제공할 수 있다.

상술한 바와 같이, 에너지 장벽 영역(125)은 광전 변환부(110)로부터 제공되는 상기 광전하가 스토리지 영역(STR)에 미리 정해진 양 이상으로 축적될 때까지 상기 광전하가 스토리지 영역(STR)으로부터 오버플로우 영역(126)으로 이동하는 것을 차단할 수 있다. 따라서 입사광(IL)의 세기가 일정 크기 이하인 경우, 피드백 전압 생성부(133)는 일정한 크기의 전압, 즉, 전원 전압(VDD)의 크기에 상응하는 피드백 전압(VF)을 생성할 수 있다. 따라서 입사광(IL)의 세기가 일정 크기 이하인 경우 구동 전압(VD)의 크기는 전원 전압(VDD)의 크기에 상응하고, 입사광(IL)의 세기가 상기 일정 크기 이상으로 증가하여 스토리지 영역(STR)으로부터 에너지 장벽 영역(125)을 넘어서 오버플로우 영역(126)으로 상기 광전하가 오버플로우됨에 따라 구동 전압(VD)의 크기는 점점 감소할 수 있다.

한편, 기준 전압(VR)의 크기를 조절함으로써 구동 전압(VD)이 가질 수 있는 전압의 범위를 제어할 수 있다. 기준 전압(VR)은 도 1의 제어부(300)로부터 제공될 수 있다.

도 8은 도 6의 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 8에는 피드백부(130b)가 도 7에 도시된 구성을 갖는 것으로 도시된다.

광전 변환부(110)에 포함되는 유기 물질막(111)은 입사광(IL)을 감지하여 EHP(137)을 생성한다. 광전 변환부(110)의 상부 전극(113)에는 음의 전압을 갖는 구동 전압(VD)이 인가되므로, 도 8에 도시된 바와 같이, EHP(137)의 정공(138)은 상부 전극(113)을 통해 피드백부(130b)로 전달되고, EHP(137)의 전자(139)는 하부 전극(115)을 통해 신호 생성부(120b)의 스토리지 영역(STR)으로 전달될 수 있다. EHP(137)의 전자(139)는 광전 변환부(110)가 생성하는 상기 광전하에 상응할 수 있다. 따라서 스토리지 영역(STR)에는 입사광(IL)의 세기에 상응하는 양의 전자(139)가 축적될 수 있다.

한편, 제어부(300)는 픽셀 어레이(100)에 활성화된 전달 제어 신호(TX)를 제공하여 전달 트랜지스터(121)를 턴온시킴으로써 전달 트랜지스터(121)의 소스 노드, 즉, 스토리지 영역(STR)에 축적된 전자(139)는 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달된다. 플로팅 확산 영역(FD)의 전위는 상기 전달된 전자(139)의 양에 따라 변하게 되고 이와 동시에 센싱 트랜지스터(123)의 게이트의 전위도 변하게 된다. 선택 트랜지스터(124)가 턴온 상태이면 플로팅 확산 영역(FD)의 전위에 상응하는 아날로그 신호(AS)가 단위 픽셀(101b)로부터 출력된다.

이 때, 상술한 바와 같이, 피드백 전압 생성부(133)는 스토리지 영역(STR)으로부터 에너지 장벽 영역(125)을 넘어서 오버플로우 영역(126)으로 오버플로우된 상기 광전하의 양에 기초하여 피드백 전압(VF)을 생성하고, 전압 합산부(135)는 기준 전압(VR) 및 피드백 전압(VF)의 차이에 상응하는 구동 전압(VD)을 생성하여 광전 변환부(110)의 상부 전극(113)에 제공할 수 있다. 즉, 피드백부(130b)는 스토리지 영역(STR)으로부터 에너지 장벽 영역(125)을 넘어서 오버플로우 영역(126)으로 오버플로우된 상기 광전하의 양에 기초하여 광전 변환부(110)에 제공되는 구동 전압(VD)의 크기를 제어함으로써 단위 픽셀(101b)의 민감도를 제어할 수 있다.

이와 같이, 이미지 센서(10)는 복수의 단위 픽셀들(101b) 각각에 수신되는 입사광(IL)의 세기에 따라 복수의 단위 픽셀들(101b) 각각의 민감도를 서로 상이하게 설정할 수 있다. 따라서 저조도의 이미지와 고조도의 이미지를 동시에 촬영하는 경우에, 이미지 센서(10)는 저조도의 이미지를 수신하는 단위 픽셀들(101b)의 민감도를 증가시키고 고조도의 이미지를 수신하는 단위 픽셀들(101b)의 민감도를 감소시켜 광역 보정 기능(wide dynamic range; WDR)을 구현함으로써, 이미지 센서(10)는 저조도의 이미지와 고조도의 이미지를 모두 효과적으로 캡쳐할 수 있다.

또한, 입사광(IL)의 세기가 일정 크기 이하인 경우 피드백부(130b)는 구동 전압(VD)의 크기를 감소시키지 않고 전원 전압(VDD)에 상응하는 크기로 유지하므로, 단위 픽셀(101b)은 저조도에서 높은 민감도를 지속적으로 유지할 수 있다. 따라서 이미지 센서(10)는 저조도의 이미지를 보다 명확하게 캡쳐할 수 있다.

도 9는 도 6의 단위 픽셀의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 단위 픽셀(101b)은 입사광(IL)의 세기가 제4 조도(L4) 이하인 경우 높은 민감도를 일정하게 유지하고, 입사광(IL)의 세기가 제4 조도(L4) 이상인 경우 민감도를 감소시킬 수 있다. 따라서 단위 픽셀(101b)은 저조도에서 높은 민감도를 유지하면서도 입사광(IL)의 세기가 상대적으로 높은 제5 조도(L5)까지 포화되지 않고 동작하는 광역 보정 기능(wide dynamic range; WDR)을 가질 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서(10)는 저조도의 이미지에서부터 고조도의 이미지까지 넓은 범위의 입사광(IL)의 세기에 대해 선명한 이미지를 제공할 수 있다.

도 10은 도 1의 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.

도 10을 참조하면, 단위 픽셀(101c)은 광전 변환부(110), 신호 생성부(120b), 피드백부(130b) 및 스위치(140)를 포함한다.

도 10의 단위 픽셀(101c)은 스위치(140)를 더 포함한다는 것을 제외하고는 도 6 및 7을 참조하여 설명한 단위 픽셀(101b)과 동일하다. 단위 픽셀(101b)의 구성 및 동작에 대해서는 상술하였으므로, 여기서는 중복되는 설명은 생략한다.

스위치(140)는 바이어스 제어 신호(BC)에 기초하여 오버플로우 영역(126)에 바이어스 전압(VB)을 선택적으로 제공할 수 있다. 예를 들어, 스위치(140)는 바이어스 제어 신호(BC)가 제1 논리 레벨인 경우 턴온되어 바이어스 전압(VB)을 오버플로우 영역(126)에 제공하고, 바이어스 제어 신호(BC)가 제2 논리 레벨인 경우 턴오프되어 바이어스 전압(VB)을 오버플로우 영역(126)에 제공하지 않을 수 있다. 상기 제1 논리 레벨은 논리 하이 레벨이고, 상기 제2 논리 레벨은 논리 로우 레벨일 수 있다.

바이어스 제어 신호(BC) 및 바이어스 전압(VB)은 도 1의 제어부(300)로부터 제공될 수 있다. 예를 들어, 제어부(300)는 동작 초기에 상기 제1 논리 레벨을 갖는 바이어스 제어 신호(BC)를 스위치(140)에 제공함으로써 오버플로우 영역(126)을 바이어스 전압(VB)으로 설정할 수 있다. 따라서 동작 초기 및 입사광(IL)의 세기가 일정 크기 이하인 경우에 피드백 전압 생성부(133)는 바이어스 전압(VB)을 피드백 전압(VF)으로서 출력하고, 전압 합산부(135)는 바이어스 전압(VB)의 크기에 상응하는 크기를 갖는 구동 전압(VD)을 생성할 수 있다. 따라서 바이어스 전압(VB)의 크기를 조절함으로써 입사광(IL)의 세기가 일정 크기 이하인 저조도 구간에서 단위 픽셀(101c)의 민감도를 제어할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 11을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(900)은 이미지 센서(910), 프로세서(920) 및 저장 장치(STORAGE DEVICE)(930)를 포함한다.

이미지 센서(910)는 입사광에 상응하는 디지털 신호를 생성한다. 저장 장치(930)는 상기 디지털 신호를 저장한다. 프로세서(920)는 이미지 센서(910) 및 저장 장치(930)의 동작을 제어한다.

컴퓨팅 시스템(900)은 메모리 장치(MEMORY DEVICE)(940), 입출력 장치(950) 및 전원 장치(960)를 더 포함할 수 있다. 또한, 도 11에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템(900)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트(port)들을 더 포함할 수 있다.

프로세서(920)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(920)는 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙 처리 장치(CPU, Central Processing Unit)일 수 있다. 프로세서(920)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus)를 통하여 저장 장치(930), 메모리 장치(940) 및 입출력 장치(950)에 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(920)는 주변 구성요소 상호연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다.

저장 장치(930)는 플래시 메모리 장치(flash memory device), 솔리드 스테이트 드라이브(Solid State Drive; SSD), 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive; HDD), 씨디롬(CD-ROM) 및 모든 형태의 비휘발성 메모리 장치 등을 포함할 수 있다.

메모리 장치(940)는 컴퓨팅 시스템(900)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(940)는 동적 랜덤 액세스 메모리(Dynamic Random Access Memory; DRAM), 정적 랜덤 액세스 메모리(Static Random Access Memory; SRAM) 등과 같은 휘발성 메모리 장치 및 이피롬(Erasable Programmable Read-Only Memory; EPROM), 이이피롬(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory; EEPROM) 및 플래시 메모리 장치(flash memory device) 등과 같은 비휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다.

입출력 장치(950)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 전원 장치(960)는 컴퓨팅 시스템(900)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.

이미지 센서(910)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서(920)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다.

이미지 센서(910)에 포함되는 단위 픽셀은 반도체 기판의 상부에 형성되고, 구동 전압에 기초하여 입사광을 감지하여 광전하를 생성하는 광전 변환부, 상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 광전하에 기초하여 아날로그 신호를 생성하는 신호 생성부, 상기 광전 변환부로부터 생성되는 상기 광전하의 양에 기초하여 상기 구동 전압을 생성하는 피드백부, 및 상기 아날로그 신호를 상기 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환부를 포함한다.

이미지 센서(910)는 도 1에 도시된 이미지 센서(10)로 구현될 수 있다. 도 1에 도시된 이미지 센서(10)의 구성 및 동작에 대해서는 도 1 내지 10을 참조하여 상세히 설명하였으므로 여기서는 이미지 센서(910)에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이미지 센서(910)는 다양한 형태들의 패키지로 구현될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(910)의 적어도 일부의 구성들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등과 같은 패키지들을 이용하여 실장될 수 있다.

실시예에 따라서, 이미지 센서(910)는 프로세서(920)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다.

한편, 컴퓨팅 시스템(900)은 이미지 센서(910)를 이용하는 모든 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(900)은 디지털 카메라, 이동 전화기, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP), 스마트폰 등을 포함할 수 있다.

도 12는 도 11의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.

도 12를 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치(예를 들어, 이동 전화기, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP), 스마트폰 등)로 구현될 수 있고, 어플리케이션 프로세서(1110), 이미지 센서(1140) 및 디스플레이(1150) 등을 포함할 수 있다.

어플리케이션 프로세서(1110)의 CSI 호스트(1112)는 카메라 시리얼 인터페이스(Camera Serial Interface; CSI)를 통하여 이미지 센서(1140)의CSI 장치(1141)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, CSI 호스트(1112)는 광 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있고, CSI 장치(1141)는 광 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1110)의DSI 호스트(1111)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(Display Serial Interface DSI)를 통하여 디스플레이(1150)의 DSI 장치(1151)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, DSI 호스트(1111)는 광 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(1151)는 광 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다.

또한, 컴퓨팅 시스템(1000)은 어플리케이션 프로세서(1110)와 통신을 수행할 수 있는 알에프(Radio Frequency; RF) 칩(1160)을 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 시스템(1000)의 PHY(1113)와 RF 칩(1160)의 PHY(1161)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) DigRF에 따라 데이터 송수신을 수행할 수 있다. 또한, 어플리케이션 프로세서(1110)는 PHY(1161)의 MIPI DigRF에 따른 데이터 송수신을 제어하는 DigRF MASTER(1114)를 더 포함할 수 있고, RF 칩(1160)은 DigRF MASTER(1114)를 통하여 제어되는 DigRF SLAVE(1162)를 더 포함할 수 있다.

한편, 컴퓨팅 시스템(1000)은 지피에스(Global Positioning System; GPS)(1120), 스토리지(1170), 마이크(1180), 디램(Dynamic Random Access Memory; DRAM)(1185) 및 스피커(1190)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 시스템(1000)은 초광대역(Ultra WideBand; UWB)(1210), 무선랜(Wireless Local Area Network; WLAN)(1220) 및 와이맥스(Worldwide Interoperability for Microwave Access; WIMAX)(1230) 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 다만, 컴퓨팅 시스템(1000)의 구조 및 인터페이스는 하나의 예시로서 이에 한정되는 것이 아니다.

본 발명은 이미지 센서를 구비하는 임의의 전자 장치에 유용하게 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 휴대폰(Mobile Phone), 스마트 폰(Smart Phone), 개인 정보 단말기(personal digital assistant; PDA), 휴대형 멀티미디어 플레이어(portable multimedia player; PMP), 디지털 카메라(Digital Camera), 개인용 컴퓨터(Personal Computer; PC), 서버 컴퓨터(Server Computer), 워크스테이션(Workstation), 노트북(Laptop), 디지털 TV(Digital Television) 등에 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

반도체 기판의 상부에 형성되고, 구동 전압에 기초하여 입사광을 감지하여 광전하를 생성하는 광전 변환부;
상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 광전하에 기초하여 아날로그 신호를 생성하는 신호 생성부; 및
상기 광전 변환부로부터 생성되는 상기 광전하의 양에 기초하여 상기 구동 전압을 생성하는 피드백부를 포함하고,
상기 광전 변환부는,
유기 물질을 포함하고, 상기 입사광을 감지하여 상기 광전하를 생성하는 유기 물질막;
상기 유기 물질막의 상부에 형성되고, 상기 구동 전압이 인가되는 상부 전극; 및
상기 유기 물질막의 하부에 형성되고, 상기 광전하를 상기 신호 생성부에 제공하는 하부 전극을 포함하며,
상기 신호 생성부는,
상기 광전 변환부의 상기 하부 전극으로부터 제공되는 상기 광전하를 저장하는 스토리지 영역;
상기 스토리지 영역과 구분되고, 상기 스토리지 영역에 축적된 상기 광 전하를 전달 받는 플로팅 확산 영역;
상기 스토리지 영역과 상기 플로팅 확산 영역 사이에 배치되고, 상기 광 전하를 상기 스토리지 영역에서 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하는 전달 트랜지스터;
상기 스토리지 영역의 일측에 형성되고, 게이트 전극 없이 단일의 불순물 영역만을 포함하여 형성되는 에너지 장벽 영역; 및
상기 에너지 장벽 영역의 일측에 형성되고, 상기 스토리지 영역으로부터 상기 에너지 장벽 영역을 넘어서 오버플로우(overflow)되는 상기 광전하를 저장하는 오버플로우 영역을 포함하고,
상기 피드백부는,
상기 신호 생성부의 상기 오버플로우 영역에 연결되고, 상기 오버플로우 영역에 저장된 상기 광전하의 양에 기초하여 피드백 전압을 생성하는 피드백 전압 생성부; 및
기준 전압 및 상기 피드백 전압의 차이에 상응하는 상기 구동 전압을 생성하는 전압 합산부를 포함하는 이미지 센서.
제1 항에 있어서, 상기 광전 변환부는 유기 포토 다이오드(organic photodiode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제1 항에 있어서, 상기 광전 변환부로부터 생성되는 상기 광전하의 양은 상기 구동 전압의 크기에 비례하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제3 항에 있어서, 상기 피드백부는 상기 광전하의 양이 증가하는 경우 상기 구동 전압의 크기를 감소시키고, 상기 광전하의 양이 감소하는 경우 상기 구동 전압의 크기를 증가시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1 항에 있어서,
바이어스 제어 신호에 기초하여 상기 신호 생성부의 상기 오버플로우 영역에 바이어스 전압을 선택적으로 제공하는 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
입사광에 상응하는 디지털 신호를 생성하는 이미지 센서;
상기 디지털 신호를 저장하는 저장 장치; 및
상기 이미지 센서 및 상기 저장 장치의 동작을 제어하는 프로세서를 포함하고,
상기 이미지 센서는,
반도체 기판의 상부에 형성되고, 구동 전압에 기초하여 상기 입사광을 감지하여 광전하를 생성하는 광전 변환부;
상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 광전하에 기초하여 아날로그 신호를 생성하는 신호 생성부;
상기 광전 변환부로부터 생성되는 상기 광전하의 양에 기초하여 상기 구동 전압을 생성하는 피드백부; 및
상기 아날로그 신호를 상기 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환부를 포함하며,
상기 광전 변환부는,
유기 물질을 포함하고, 상기 입사광을 감지하여 상기 광전하를 생성하는 유기 물질막;
상기 유기 물질막의 상부에 형성되고, 상기 구동 전압이 인가되는 상부 전극; 및
상기 유기 물질막의 하부에 형성되고, 상기 광전하를 상기 신호 생성부에 제공하는 하부 전극을 포함하며,
상기 신호 생성부는,
상기 광전 변환부의 상기 하부 전극으로부터 제공되는 상기 광전하를 저장하는 스토리지 영역;
상기 스토리지 영역과 구분되고, 상기 스토리지 영역에 축적된 상기 광 전하를 전달 받는 플로팅 확산 영역;
상기 스토리지 영역과 상기 플로팅 확산 영역 사이에 배치되고, 상기 광 전하를 상기 스토리지 영역에서 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하는 전달 트랜지스터;
상기 스토리지 영역의 일측에 형성되고, 게이트 전극 없이 단일의 불순물 영역만을 포함하여 형성되는 에너지 장벽 영역; 및
상기 에너지 장벽 영역의 일측에 형성되고, 상기 스토리지 영역으로부터 상기 에너지 장벽 영역을 넘어서 오버플로우(overflow)되는 상기 광전하를 저장하는 오버플로우 영역을 포함하고,
상기 피드백부는,
상기 신호 생성부의 상기 오버플로우 영역에 연결되고, 상기 오버플로우 영역에 저장된 상기 광전하의 양에 기초하여 피드백 전압을 생성하는 피드백 전압 생성부; 및
기준 전압 및 상기 피드백 전압의 차이에 상응하는 상기 구동 전압을 생성하는 전압 합산부를 포함하는 컴퓨팅 시스템.