KR200171771Y1 - 두 개의 픽셀 트랜지스터를 이용한 씨엠오에스 능동이미지 센서 - Google Patents

Abstract

본 고안은 기존의 CMOS 능동 이미지 센서들이 갖고 있는 fill factor 문제를 해결하고 새로운 픽셀 회로를 구성하기 위해 픽셀 트랜지스터를 두 개만 사용하여 최소화함으로써 픽셀 fill factor와 양자화 효율을 향상시킨 CMOS 능동 이미지 센서를 제공하기 위한 것으로서, CMOS 이미지 센서에 있어서, 포토디텍터와 두개의 트랜지스터를 사용하여 픽셀회로를 구성하고, 상기 상하 픽셀들에 트랜지스터를 공유하여 리셋 및 리드를 픽셀 회로의 짝수 열과 홀수 열을 교대로 동작시키도록 이루어지며, 상기 픽셀회로는 포토디텍터와; 리셋 기능과 액세스 기능을 수행하는 제 1 능동소자와; 소오스 팔로워로 동작되는 제 2 능동소자로 구성된다.

Description

두 개의 픽셀 트랜지스터를 이용한 씨엠오에스 능동 이미지 센서 {CMOS image sensor using two pixel transistor}

본 고안은 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로서, 특히 이미지 센서 내부 회로로 쓰이는 능동소자를 효과적으로 재구성하고 크기를 최소화함으로써 고화질, 고성능의 이미지 센서 구현을 위한 두 개의 픽셀 트랜지스터를 이용한 CMOS 능동 이미지 센서에 관한 것이다.

최근 디지털 카메라, 비디오의 개발과 상용화는 급속도로 이루어지고 있으며, 향후 화학 필름 카메라를 대체할 것으로 전망되고 있다. 디지털 카메라는 화학필름 대신 반도체 센서를 사용하여 감광을 하게 되는데, 반도체 센서로 많이 쓰이는 것이 CCD(Charge coupled device)와 CMOS APS(Active Pixel Sensor) 등이라 할 수 있다.

CCD 방식은 숙성된 기술을 바탕으로 현재 상용화되고 있는 대부분의 디지털 카메라에 쓰이고 있고, CMOS 방식은 집적도가 떨어지고 가격이 비싼 단점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 등장한 것이 CMOS APS 이나 아직 CCD에 비해 성능이 떨어지기 때문에 널리 상용화되지는 못하고 있으나, 차후에는 CCD를 대체할 것으로 기대되고 있다.

초기의 CMOS 센서들은 매우 잡음에 약하였으나, CMOS 공정의 발달에 힘입어 픽셀 내에 능동회로를 추가함으로써 잡음에 강한 센서를 구현할 수 있게 되었다.

도 2를 참고로하여 종래의 이미지 센서 배열에서 가장 많이 쓰이는 픽셀 회로 구조를 살펴보면 다음과 같다.

M1은 포토디텍터에 전하를 축적(또는 방전)하기에 앞서 일정한 전위로 리셋하는 기능을 하고, M2는 축적된 전하에 의해 정해진 포토디텍터의 전위를 column line으로 전달하는, 즉 소오스 팔로우워의 기능을 하며, M3는 액세스를 제어하는 역할을 한다.

이와 같이 기존 CMOS 이미지 센서는 픽셀 당 세 개의 트랜지스터를 필요로 하므로 이들 부가 회로들 때문에 픽셀 내의 포토디텍터의 면적이 제약을 받아 센서의 감광 기능이 저하되는 문제점이 있다.

센서의 감광 성능을 양자화 효율이나 픽셀 요소에 의해 영향을 많이 받게 된다. 물론 이 밖에도 잡음 성능이나 다이내믹 레인지 등 여러가지가 함께 고려되어야 한다. 양자화 효율은 수학식 1과 같으며, 입사된 빛이 얼마나 전하로 바뀌었는가를 나타낸다고 할 수 있다. 물론 센서의 성능을 향상시키기 위해서는 양자화 효율이 높을 수록 좋고 양자화 효율을 높이기 위해서는 픽셀 요소를 높여야 한다. 픽셀 요소는 수학식 2와 같다. 수학식 2에서 포토 디텍터란 실제 빛을 받아들이는 부분이다. 실제 CMOS APS 에서 많이 쓰이는 포토디텍터로는 포토다이오드, 포토게이트, 포토트랜지스터 등이 있다.

[수학식 1]

양자화 효율 = 축적된 캐리어의 수 / 입사된 광자의 수

[수학식 2]

픽셀 요소 = 포토디텍터의 면적 / 픽셀의 면적

결국 센서의 감광 성능을 높이기 위해서는 같은 픽셀 면적을 기준으로 포토디텍터의 면적을 높여야 한다. 그러나 CMOS APS 회로들의 요소는 대부분 10∼30%에 그치고 있다. 기존의 CMOS APS에서 픽셀 회로로 가장 널리 쓰이는 것은 세개의 트랜지스터를 사용하는 구조이다. 이 트랜지스터들의 역할을 각각 살펴보면 다음과 같다. 하나는 포토디텍터를 리셋해주는 용도로 쓰이고, 다른 하나는 액세스 소자로 스이고 나머지 하나는 소오스 팔로워로 동작하여 축적된 전하량을 증폭 회로로 전달하는 역할을 한다.

본 고안에서는 리셋기능과 액세스 기능을 인접해 있는 바로 밑의 픽셀 내의 트랜지스터를 이용하여 수행하기 때문에 결과적으로 하나의 픽셀 내에는 두 개의 트랜지스터만을 사용하게 된다. 즉 바로 밑의 인접 열과 트랜지스터를 공유하는 구조라 할 수 있다. 트랜지스터의 개수가 두 개로 줄었기 때문에 그에 따른 global metal line과 contact의 개수도 줄어들어 픽셀 fill factor의 큰 향상을 가져올 수 있다.

따라서 본 고안은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기존의 CMOS 능동 이미지 센서들이 갖고 있는 fill factor 문제를 해결하고 새로운 픽셀 회로를 구성하기 위해 픽셀 트랜지스터를 두 개만 사용하여 최소화함으로써 픽셀 fill factor와 양자화 효율을 향상시킨 CMOS 능동 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 리셋 기능과 액세스 기능을 인접해 있는 바로 밑의 픽셀 내의 트랜지스터를 이용하여 수행하도록 하여 트랜지스터의 수를 줄여 결과적으로 하나의 픽셀 내에는 두개의 트랜지스터만을 사용하도록 하는 구조 즉 바로 밑의 인접 열과 트랜지스터를 공유하는 구조로 이루어지는 특징이 있다.

도 1은 본 고안에 따른 CMOS 능동 이미지 센서를 설명하기 위한 전체 센서 배열을 도시한 평면도,

도 2는 이미지 센서 배열에서 가장 많이 쓰이는 기존의 픽셀 회로의 구조를 도시한 회로도,

도 3은 본 고안에 따른 이미지 센서 배열에서 쓰이는 픽셀 회로의 구조를 도시한 회로도,

도 4는 본 고안에 따른 픽셀 회로를 이용한 2×2 이미지 센서 배열에 관한 회로도,

도 5a는 본 고안에 따른 픽셀 회로 구동시 리셋 기능을 수행하기 위한 타이밍 다이아그램,

도 5b는 본 고안에 따른 픽셀 회로 구동시 리드 기능을 수행하기 위한 타이밍 다이아그램.

이하 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안에 따른 CMOS 능동 이미지 센서를 설명하기 위한 전체 센서 배열을 도시한 것으로서, 센서 배열은 열 디코더와 행 디코더를 이용하여 마치 메모리와 같이 임의 액세스가 가능한 구조로 이루어진다.

상기 센서 배열은 여러 개의 픽셀로 이루어져 있으며 하나의 픽셀은 photodetector와 능동 소자, 액세스 소자로 이루어져 있다.

도 3에 의하면 이미지 센서의 픽셀은 두개의 트랜지스터만을 사용하고 위·아래 픽셀간에 노드를 공유하여 기존의 픽셀회로와 같은 기능을 수행할 수 있도록 하였다.

도 4는 상기 새로이 고안된 픽셀 회로를 이용하여 2×2 이미지 센서 array를 구현한 구체 회로도이다. 회로의 동작은 다음과 같이 이루어진다.

ROW 2n 의 '리셋'은 ROW 2n+1의 PMOS와 reset의 PMOS를 켬으로써 column bus 라인을 통하여 이루어진다. ROW 2n의 '리드(read)'는 ROW 2n의 PMOS를 켜고, reset의 PMOS를 끔으로써 역시 column bus 라인을 통하여 이루어진다. 즉 '리셋' 기능을 수행할 때 바로 밑 인접 픽셀의 트랜지스터들을 활용함으로써 리소스의 공유가 이루어지고, 따라서 픽셀 당 트랜지스터의 개수는 두 개로 감소하게 된다.

또 트랜지스터가 두 개 뿐이므로 부가적으로 존재하는 메탈라인과 콘텍의 개수도 감소하여 fill factor의 향상을 가져올 수 있다.

도 5a,b는 상기 새로이 고안된 픽셀 회로를 구동하기 위한 타이밍 다이아그램으로서, 도 5a는 '리셋'기능을 수행하는 것이고, 도 5b는 '리드'를 수행하는 것이다.

그러나 ROW 2n과 ROW 2n+1의 리셋을 연속적으로 수행할 경우 ROW 2n+1을 리셋할 때 ROW 2n의 floating 노드가 방전될 가능성이 있다.

이러한 현상을 방지하기 위해 비월 주사(interlaced scanning)방식을 도입한다. 따라서 처음에는 홀수 열만 리셋과 리드를 수행하고 다음에는 짝수 열에 대하여 리셋과 리드를 수행한다. 홀수 열과 짝수 열이 교대로 동작하므로 전체 동작 속도는 순차적으로 동작하는 구조와 차이가 없다.

예를들어, integration offset이 3이고 전체 array가 16행일 경우 표 1과 같은 순서로 동작을 수행한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 픽셀 회로가 세 개의 트랜지스터로 구성되어 있는데 반해 두 개의 트랜지스터만으로 같은 기능을 수행할 수 있는 픽셀 회로를 제시하므로써 CMOS 이미지 센서의 픽셀 fill factor를 크게 높일 수 있고 따라서 센서의 감광 성능을 향상할 수 있는 장점이 있으므로 기존의 CCD 중심의 상용 디지털카메라를 CMOS APS를 사용하는 디지털 카메라로 대체할 수 있는 가능성을 한층 더 높였다 할 수 있다.

Claims (2)

1. CMOS 이미지 센서에 있어서,

   포토디텍터와 두개의 트랜지스터를 사용하여 픽셀회로를 구성하고,

   상기 상하 픽셀들에 트랜지스터를 공유하여 리셋 및 리드를 픽셀 회로의 짝수 열과 홀수 열을 교대로 동작시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 두 개의 픽셀 트랜지스터를 이용한 CMOS 능동 이미지 센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 픽셀회로는 포토디텍터와;

   리셋 기능과 액세스 기능을 수행하는 제 1 능동소자와;

   소오스 팔로워로 동작되는 제 2 능동소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 두개의 픽셀 트랜지스터를 이용한 CMOS 능동 이미지 센서.