KR102516793B1 - 포토 다이오드 내장 반도체의 온도 보상 회로 - Google Patents
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Abstract
포토 다이오드 내장 반도체의 온도 보상 회로가 개시된다. 포토 다이오드 내장 반도체의 온도 보상 회로는, 센싱용 포토 다이오드와 동일한 구조를 가지며, 센싱용 포토 다이오드의 1/N배 크기를 가지는 보상용 포토 다이오드-N은 2이상의 자연수임-및 센싱용 포토 다이오드의 누설 전류와 동일한 크기의 보상 전류를 생성하기 위하여, 보상용 포토 다이오드로부터 출력되는 전류를 N배 증폭한 보상 전류를 출력하는 전류 증폭기를 포함한다.
Description
본 발명은 포토 다이오드 내장 반도체의 온도 보상 회로에 관한 것이다.
도 1은 통상의 포토 다이오드 내장형 광센서 IC(Integrated Circuit)의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이고, 도 2는 포토 다이오드 내장형 반도체 제품의 레이아웃(Layout)의 예를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 통상의 포토 다이오드 내장형 광센서 IC는, 와이드 스펙트럼 실리콘(Wide spectrum Silicon) 기반의 포토 다이오드(Photo diode)(10), 온도 변화에 따른 출력 특성을 안정화시키기 위한 온도보상회로(20), 포토 다이오드(10)가 광을 감지하여 발생시킨 광전류를 전압으로 변환 증폭하는 트랜스 임피던스 증폭기(TIA: Trans Impedance Amplifier)(30) 및 출력단에 연결되는 회로에 맞추어 트랜스 임피던스 증폭기(30)의 출력 형태를 변환하여 출력하는 출력 인터페이스(40)를 포함한다. 여기서, 출력 인터페이스(40)는 뒷 단에 MCU(Micro Controller Unit)나 다른 IC가 연결될 수 있으며, 전압이나 주파수와 같은 형태로 출력할 수 있다.
일반적으로, 포토 다이오드(10)가 발생시킨 광전류는 매우 작기 때문에, 포토 다이오드(10)는 비교적 크게 제작되어 도 2에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드 내장형 반도체 제품에서 포토 다이오드(10)가 차지하는 영역이 상대적으로 커지게 된다.
실리콘(Silicon) 공정을 통해 반도체에 포토 다이오드(10)를 내장할 경우, PN 다이오드가 이용된다. PN 다이오드는 PN 접합을 통해 생성된 공핍(Depletion) 영역의 에너지 갭(Energy Gap)에 따라 광 스펙트럼 특성이 결정된다. 일반적으로, 평상시에는 포토 다이오드(10)에 역 바이어스 전압이 걸리게 하여 전류가 0이 되게 하여 전류가 흐르지 않고, 광원의 세기가 포토 다이오드(10)의 에너지 갭보다 커질 경우, 포토 다이오드(10)로부터 광전류(Photo Current)가 흐르게 된다. 이렇게 발생된 광전류는, 통상의 반도체에서 사용되는 전류량에 비하여 매우 적기 때문에, 트랜스 임피던스 증폭기(30)를 이용하여 증폭된 후 이에 비례하는 전압의 형태로 변환된다. 이러한 동작은 직류 동작으로서, 광전류값에 비례하는 전압이 출력된다.
한편, 포토 다이오드(10)의 특성상, 특히, 포토 다이오드 내장형 광센서 IC 제작을 위하여 실리콘 공정으로 포토 다이오드(10)가 제조될 경우, 누설 전류의 발생은 불가피하다. 이 누설 전류가 온도에 따라 변하지 않는다면, 특성에 있어서 오프셋(Offset)만 존재할 뿐, 온도에 상관없이 동일한 특성을 나타낼 것이다.
하지만, 포토 다이오드(10)의 구조 특성상 누설 전류는 온도 증가에 따라 증가하므로, 트랜스 임피던스 증폭기(30)의 출력값이 광원의 세기 변화가 없더라도 결국 온도에 따라 변한다. 그래서, 저온, 상온 또는 고온에서 포토 다이오드(10)의 출력값이 다르므로, 포토 다이오드(10)는 포토 다이오드(10)가 내장된 반도체 제품의 오동작을 유발시킬 수 있다.
따라서, 포토 다이오드(10)의 온도 특성으로 발생하는 오동작 및 특성 불안정을 해소하기 위한 온도보상회로(20)가 반드시 필요하다.
본 발명은 포토 다이오드 내장 반도체에서 온도에 따라 변하는 포토 다이오드의 누설 전류를 보상하는 포토 다이오드 내장 반도체의 온도 보상 회로를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 센싱용 포토 다이오드(Photo diode) 및 상기 포토 다이오드가 발생시킨 광전류를 전압으로 변환 증폭하는 증폭기를 포함하는 포토 다이오드 내장 반도체의 온도 보상 회로가 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 포토 다이오드 내장 반도체의 온도 보상 회로는, 상기 센싱용 포토 다이오드와 동일한 구조를 가지며, 상기 센싱용 포토 다이오드의 1/N배 크기를 가지는 보상용 포토 다이오드-상기 N은 2이상의 자연수임-및 상기 센싱용 포토 다이오드의 누설 전류와 동일한 크기의 보상 전류를 생성하기 위하여, 상기 보상용 포토 다이오드로부터 출력되는 전류를 N배 증폭한 보상 전류를 출력하는 전류 증폭기를 포함한다.
상기 전류 증폭기는 커런트 미러(Current Mirror) 회로를 포함하여 구성된다.
상기 포토 다이오드 내장 반도체에서, 상기 보상용 포토 다이오드의 상부에는 금속층(Metal Layer)이 덮인다.
상기 포토 다이오드 내장 반도체의 레이아웃(Layout)에서, 상기 보상용 포토 다이오드와 상기 센싱용 포토 다이오드는 최대한 서로 이격되도록 배치된다.
본 발명의 실시예에 따른 포토 다이오드 내장 반도체의 온도 보상 회로는, 포토 다이오드 내장 반도체에서 온도에 따라 변하는 포토 다이오드의 누설 전류를 보상함으로써, 포토 다이오드 내장 반도체의 오동작 및 특성 불안정을 방지할 수 있다.
도 1은 통상의 포토 다이오드 내장형 광센서 IC(Integrated Circuit)의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
도 2는 포토 다이오드 내장형 반도체 제품의 레이아웃(Layout)의 예를 나타낸 도면.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 포토 다이오드 내장 반도체의 온도 보상 회로를 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
도 2는 포토 다이오드 내장형 반도체 제품의 레이아웃(Layout)의 예를 나타낸 도면.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 포토 다이오드 내장 반도체의 온도 보상 회로를 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 포토 다이오드 내장 반도체의 온도 보상 회로를 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 온도보상회로(20)는, 광을 감지하여 광전류를 발생시키는 포토 다이오드(Photo diode)(10) 및 포토 다이오드(10)가 발생시킨 광전류를 전압으로 변환 증폭하는 트랜스 임피던스 증폭기(TIA: Trans Impedance Amplifier)(30)를 포함하여 구성되는 포토 다이오드 내장 반도체에서, 온도에 따라 변화하는 누설 전류를 보상하기 위하여 보상 전류를 공급하는 기능을 수행한다.
광을 이용한 응용 시스템은 주로 광센서로 응용된다. 이러한 광센서는 전용의 광 스펙트럼을 가지는 포토 다이오드와 본체에 해당하는 광센서 IC(Integrated Circuit)가 분리되어 제작되거나, 반도체 실리콘 공정을 통해 포토 다이오드가 IC에 내장된 일체형으로 제작될 수 있다.
도 3에 도시된 구성들은, 포토 다이오드 내장 반도체 중 하나인 포토 다이오드 내장형 광센서 IC에 포함되는 구성을 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따른 포토 다이오드 내장형 광센서 IC는 LTV(light-to-voltage converter), LTF(light-to-frequency converter) 등의 제품에 적용될 수 있다.
포토 다이오드(10)는 특성상 그리고, 특히, 포토 다이오드 내장형 광센서 IC 제작을 위하여 실리콘 공정으로 포토 다이오드(10)가 제조될 경우, 누설 전류가 발생하며, 온도에 따라 누설 전류값은 변화한다.
이와 같이 온도에 따라 변화하는 누설 전류를 보상하기 위한 가장 단순한 방법은, 센싱용 포토 다이오드(10)와 동일한 구조 및 크기를 가지는 포토 다이오드를 센싱용 포토 다이오드(10)와 전류 방향이 반대가 되도록 연결하여 온도보상회로(20)를 구성하여, 누설 전류에 상응하는 보상 전류가 공급되도록 함으로써, 누설 전류를 상쇄시키는 것이다.
그러나, 이렇게 온도보상회로(20)를 구성할 경우, 포토 다이오드 내장형 광센서 IC의 칩 크기(Chip Size)가 매우 증가하는 문제가 있다.
그래서, 본 발명의 실시예에 따른 온도보상회로(20)는, 센싱용 포토 다이오드(10)와 동일한 크기의 전류보상 용도의 포토 다이오드를 이용함으로써 포토 다이오드 내장형 광센서 IC의 칩 크기가 증가하는 문제를 해결하기 위하여, 센싱용 포토 다이오드(10)와 구조는 동일하나, 상대적으로 크기가 작은 포토 다이오드가 전류보상 용도로 적용된다. 그리고, 포토 다이오드의 상대적 크기 감소로 인한 전류 감소는 전류 증폭을 통해 해결한다.
즉, 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 온도보상회로(20)는, 보상용 포토 다이오드(21) 및 전류 증폭기(25)를 포함하여 구성될 수 있다.
보상용 포토 다이오드(21)는 포토 다이오드 내장 반도체의 센싱용 포토 다이오드(10)와 동일한 구조를 가지되, 센싱용 포토 다이오드(10)의 1/N배 크기를 가진다. 예를 들어, N은 2이상의 자연수로서, 포토 다이오드 내장 반도체의 설계 시 각 구성들의 성능 및 크기를 고려하여 미리 설정될 수 있다.
전류 증폭기(25)는 센싱용 포토 다이오드(10)의 누설 전류와 동일한 크기의 보상 전류를 생성하기 위하여, 보상용 포토 다이오드(21)로부터 출력되는 전류를 N배 증폭한 보상 전류를 출력한다.
예를 들어, 전류 증폭기(25)는 적어도 하나의 트랜지스터(Transistor)를 포함하는 회로 또는 커런트 미러(Current Mirror) 회로를 포함하여 구성될 수 있다. 다만, 커런트 미러 회로를 이용한 전류 증폭 방식이 특성적인 면에서 더 유리하므로, 본 발명의 실시예에 따른 전류 증폭기(25)는 커런트 미러 회로로 구성될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 온도보상회로(20)의 보상용 포토 다이오드(21)는 온도에 따른 전류보상만을 수행해야 하므로, 외부 광원의 영향이 최소화되어야 한다. 이를 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 온도보상회로(20)가 내장된 반도체의 제조 공정 시, 보상용 포토 다이오드(21)가 광을 감지하여 광전류를 발생시키지 않도록 보상용 포토 다이오드(21)의 상부에 금속층(Metal Layer)이 덮여야 한다. 그리고, 보상용 포토 다이오드(21)와 센싱용 포토 다이오드(10)는 반도체 레이아웃(Layout)에서 최대한 서로 이격되도록 배치될 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10: 포토 다이오드(Photo diode)
20: 온도보상회로
21: 보상용 포토 다이오드
25: 전류 증폭기
30: 트랜스 임피던스 증폭기(TIA: Trans Impedance Amplifier)
40: 출력 인터페이스
20: 온도보상회로
21: 보상용 포토 다이오드
25: 전류 증폭기
30: 트랜스 임피던스 증폭기(TIA: Trans Impedance Amplifier)
40: 출력 인터페이스
Claims (4)
- 센싱용 포토 다이오드(Photo diode) 및 상기 포토 다이오드가 발생시킨 광전류를 전압으로 변환 증폭하는 증폭기를 포함하는 포토 다이오드 내장 반도체의 온도 보상 회로에 있어서,
상기 센싱용 포토 다이오드와 동일한 구조를 가지며, 상기 센싱용 포토 다이오드의 1/N배 크기를 가지는 보상용 포토 다이오드-상기 N은 2이상의 자연수임-; 및
상기 센싱용 포토 다이오드의 누설 전류와 동일한 크기의 보상 전류를 생성하기 위하여, 상기 보상용 포토 다이오드로부터 출력되는 전류를 N배 증폭한 보상 전류를 출력하는 전류 증폭기를 포함하되,
상기 포토 다이오드 내장 반도체에서, 상기 보상용 포토 다이오드의 상부에는 금속층(Metal Layer)이 덮이는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 내장 반도체의 온도 보상 회로.
- 제1항에 있어서,
상기 전류 증폭기는 커런트 미러(Current Mirror) 회로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 내장 반도체의 온도 보상 회로.
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