KR20020094517A - 씨모스 이미지 센서에서 픽셀 회로의 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 씨모스 이미지 센서에서 픽셀 회로의 구동방법에 관한 것으로, 개시된 일실시예에 따른 픽셀 회로 구동방법은, 온칩 전압 발생기를 사용하여 구동 전원 전압 Vcc보다 더 높은 Vpp 전압을 단위 픽셀에 인가하여 출력 전압의 변화폭을 증대시킴으로서 화질의 특성이 개선되는 이점이 있다.

Description

씨모스 이미지 센서에서 픽셀 회로의 구동방법{METHOD FOR OPERATING A PIXEL CIRCUIT OF A CMOS IMAGE SENSOR}

본 발명은 CMOS 이미지 센서 픽셀에 대한 고 화질의 화상을 얻기 위해 픽셀의 소스 폴로어 회로를 온칩 전압 발생기에서 발생된 임의의 전압으로 구동시키도록 한 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로의 구동방법에 관한 것이다.

일반적으로, CMOS 이미지 센서라 함은 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서, 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. 현재 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서에 비하여 CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단자를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.

CMOS 이미지 센서에 사용되는 픽셀은 여러 종류가 있으나 그 중 대표적으로 상용화된 픽셀의 종류로는, 도 11과 같이 3개의 기본 트랜지스터와 하나의 포토 다이오드로 구성된 3-T(3-transistor) 구조의 픽셀과 도 12와 같이 4개의 기본 트랜지스터와 하나의 포토 다이오드로 구성된 4-T(4-transistor) 구조의 픽셀들이 있다.

도 11은 종래 기술의 제 1 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로도이다. 이에 나타낸 바와 같이 픽셀 회로는, 광(photon)을 전자(electron)로 바꾸어 주는 1개의 포토 다이오드(PD)와 3개의 NMOS 트랜지스터로 구성된다. NMOS 트랜지스터는 포토 다이오드(PD)의 전위를 리셋 시켜주는 리셋 트랜지스터(Rx), 플로팅 확산(Floating Diffusion)의 전극 전압 변화에 따라 Dx, Sel, DC gate로 구성된 소스 폴로어 회로의 전류를 변화시켜 단위 픽셀의 출력 전압을 바꾸어주는 드라이브 트랜지스터(Dx), 픽셀 어레이 중 로우(row) 번지를 선택해주는 셀렉트 트랜지스터(Sel)로 구성된다.

DC gate는 트랜지스터의 게이트 전위를 항상 일정한 전압으로 인가하여 일정 전류만 흐르도록 하는 부하 트랜지스터, Vcc는 구동 전원 전압, Vss는 그라운드 전압, Output는 단위 픽셀의 출력 전압이다.

이와 같이 구성된 픽셀 회로의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 리셋 트랜지스터(Rx)에 의해 Vcc 전원으로 포토 다이오드(PD)를 리셋 시키고, 리셋된 포토 다이오드(PD)에 빛을 조사하면 포토 다이오드(PD)의 접합영역에서 전자와 홀이 형성되어 홀은 실리콘 기판으로 확산해 가고 전자들이 접합 영역에 축적되며, 이 축적된 전하가 소스 폴로어 회로의 드라이브 트랜지스터(Dx) 게이트 전극에 인가되어 드라이브 트랜지스터(Dx)가 온되고, 셀렉트 트랜지스터(Sel)가 선택되면 FD 전극의 전압 변화에 따라 단위 픽셀의 출력 전압이 발생되어 픽셀의 정보를 아날로그적으로 출력시키게 된다.

상기의 동작 과정을 수치적으로 정리해보면 다음과 같다.

FD 전압을 Vfd라고 하고 출력 전압을 Vout, 트랜지스터의 문턱 전압을 Vth라고 하면 리셋 상태일 때 FD의 전압은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

Vfd = Vcc-Vthr

여기서, Vthr은 리셋 트랜지스터의 Vbs=0일 때의 트랜지스터 문턱 전압에 Vfd의 전위가 증가하면서 발생한 트랜지스터의 바디(body) 효과에 의해 Vbs=Vfd일 때의 문턱 전압을 나타낸다.

이 Vfd의 전압은 그대로 포토 다이오드의 전압으로 전달되며, 이 전압에 의해 실리콘 기판의 P형 접합과 포토 다이오드의 N형 접합 사이에 역 방향 전압에 의해 전하 궁핍 영역이 발생하게 된다.

이 상태에서 리셋 트랜지스터를 끄고 일정 시간(광 집적 시간) 동안 광을 조사하게 되면 포토 다이오드에는 포토 다이오드의 전하 궁핍 영역에서 발생한 전자-홀 생성에 의해 홀은 P형 기판으로 확산해 가고 전자는 포토 다이오드의 N형 접합에 계속 축적되게 된다. 그러므로 Vfd 전압은 포토 다이오드의 축적된 전하에 의해 리셋 상태의 전위 이하로 감소하게 된다.

이때의 Vfd의 전압을 Vfd'로 정의하면 수학식 2와 같다.

Vfd' = Vfd-Q/C

여기서, Q는 광에 의해 발생된 전자의 총량이고, C는 포토 다이오드의 접합 캐패시턴스와 FD 전극의 접합 캐패시턴스, 드라이브 트랜지스터의 게이트 산화막 캐패시턴스 및 리셋 트랜지스터의 게이트-소스 전극의 중첩 캐패시턴스 합으로 주어진다.

광에 의해 발생된 전하는 포토 다이오드의 전위를 최소 Vss-0.6V 정도까지 낮출 수가 있는데 이 이하로 될 경우는 자동적으로 접합이 순방향으로 되어 기판의 그라운드 전압으로 전자가 빠져나가게 된다.

일정 시간의 광 집적이 끝나면 셀렉트 트랜지스터를 선택하여 단위 픽셀의 광 정보를 출력시키는데, Vfd'의 전압에 의해 드라이브 트랜지스터가 온되고 출력으로 다음의 수학식 3과 같은 전압이 전달된다.

Vout = Vfd'-Vthd

여기서, Vthd는 드라이브 트랜지스터의 Vbs=Vout일 경우의 바디 효과에 의한 문턱 전압이다.

그러므로, 이때의 출력 전압을 다시 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.

Vout = (Vfd-Q/C)-Vthd

= (Vcc-Vthr-Q/C)-Vthd

= Vcc-Vthr-Vthd-Q/C

그러므로, 수학식 4에서 알 수 있듯이 CMOS 이미지 센서 픽셀의 출력 전압은 Vcc, 트랜지스터의 바디 효과에 의한 문턱 전압, 그리고 광에 의해 발생된 총 전하량 및 포토 다이오드 기생 캐패시턴스 값의 변화에 따라 결정된다.

도 12는 종래 기술의 제 2 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로도이다. 이에 나타낸 바와 같이 픽셀 회로는, 광(photon)을 전자(electron)로 바꾸어 주는 1개의 포토 다이오드(PD)와 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성된다. 4개의 NMOS 트랜지스터는 포토 다이오드(PD)의 전위를 FD 전극과 입출력 시켜주는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 포토 다이오드(PD)의 전위를 리셋 시켜주는 리셋 트랜지스터(Rx), 플로팅 확산(Floating Diffusion)의 전극 전압 변화에 따라 Dx, Sel, DC gate로 구성된 소스 폴로어 회로의 전류를 변화시켜 픽셀의 출력 전압을 바꾸어주는 드라이브 트랜지스터(Dx), 픽셀 어레이 중 로우(row) 번지를 선택해주는 셀렉트 트랜지스터(Sel)로 구성된다.

이러한 4-T 구조의 픽셀 회로는 3-T 구조의 픽셀에 비하여 트랜스퍼 트랜지스터가 포토 다이오드와 연결되어 리셋과 데이터 출력시까지의 광 집적 시간을 별도로 제어할 수 있도록 되어 있다. 4-T 구조 픽셀의 전압 인가 방법은 앞서 설명한3-T의 경우와 거의 유사하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

한편, 집적도의 증가에 따라 동작 전원의 값도 점차적으로 스케일링(scaling)되는데, 앞서 설명한 바와 같이 픽셀의 출력 전압은 동작 전압의 감소에 따라 선형적으로 감소하며 이러한 경우 픽셀의 화질은 점차적으로 나빠지게 되므로 스케일링에 따라 점점 어려움을 겪게 된다.

다시 말하면, 종래 기술에 따르면 픽셀들은 소스 팔로우 회로를 구동시키기 위하여 Vcc와 Vss로 구성된 전원 전압을 인가하여 픽셀의 출력을 얻는다. 그러나 집적도의 증가에 따라 기존 CMOS 이미지 센서 제품들은 전원 전압으로 사용되던 5V 전원으로부터 점차적으로 스케일링되어 3.3V, 2.5V, 1.8V 등으로 낮아지게 되며, 이러한 전원 전압의 감소는 CMOS 이미지 센서의 픽셀에 대한 화질 성능을 급격하게 저하시키게 되므로 스케일링의 한계에 도달하는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 온칩 전압 발생기를 사용하여 단위 픽셀의 구동 전원 전압을 Vcc보다 더 높은 Vpp 전압을 인가하여 출력 전압의 변화폭을 증대시키거나, Vss 그라운드 전압보다 더 낮은 음 전압의 온칩 전압 Vbb를 인가하여 픽셀 출력 전압의 변화를 더 증대시켜 화질의 특성이 개선되도록 하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로의 구동방법은, 포토 다이오드와 음전압이 사용된 리셋 트랜지스터 및 소스 폴로어 회로로 구성된 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로 구동방법에 있어서, 온칩 전압발생기를 사용하여 구동 전원 전압 Vcc보다 더 높은 Vpp 전압을 단위 픽셀에 인가하거나, 그라운드 전압 Vss보다 더 낮은 Vbb 음전압을 단위 픽셀에 인가하여 출력 전압의 변화폭을 증대시키는 것을 특징으로 한다.

도 1 내지 도 10은 본 발명의 제 1 내지 제 10 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로도,

도 11 및 도 12는 종래 기술의 제 1 및 제 2 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로도.

본 발명은 CMOS 이미지 센서의 동작 전압 감소에 따라 예상되는 픽셀의 화질을 개선하기 위하여 CMOS 이미지 센서 온칩에서 Vcc 전원을 사용하여 발생하는 내부 전압 발생기를 이용하는데 이러한 방법을 사용하여 집적도의 증가에 따라 전원 전압의 감소에도 불구하고 CMOS 이미지 센서의 화질을 개선시킬 수 있다.

본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 도 1 내지 도 10을 참조하여 여러 가지 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vcc 대신에 Vcc 전원보다 높게 온칩에서 발생된 Vpp를 인가하는 경우이다.

동작 전압 Vcc 대신에 Vpp를 인가하여 줌으로서 픽셀의 출력 전압은 다음의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

Vout = Vpp-Vthr-Vthd-Q/C

그러므로, Vpp의 전압에 따라 픽셀의 출력 전압을 높일 수 있다.

Vpp를 소스 폴로어 회로의 전원 전압으로 사용할 경우에 리셋 트랜지스터의 게이트 전압도 Vpp 전압을 인가하여 리셋 트랜지스터의 전압 전달을 최대로 사용할 수 있도록 해준다.

Vpp 값은 Vcc 값의 1.5 배 정도를 사용, 즉 Vcc가 3.3V일 경우 약 4.85V 정도를 사용하고 Vcc가 2.5V일 경우 약 3.75V 사용한다. 그러므로 픽셀의 출력도 이 만큼의 전압 이득이 발생하게 되는데 이 전압 이득에 따라 화질도 그만큼 개선되어 집적도 증가에 따라 동작 전압 감소에도 불구하고 보다 좋은 화질을 구현할 수 있도록 해 준다.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vss 대신에 Vss보다 낮게 온칩에서 발생된 Vbb 음전압 전원을 사용하는 경우이다.

동작 전원의 Vcc를 이용하여 온칩에서 Vss보다 낮은 전압 Vbb를 발생시켜 이 전압을 DC 게이트 부하 트랜지스터의 그라운드 전극에 사용하는 경우 픽셀의 출력 전압은 다음의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.

Vout = (Vcc+Vbb)-Vthr-Vthd-Q/C

이때, Vfd의 전위는 포토 다이오드의 기판 전위가 그라운드로 되어 있기 때문에 최소 Vss-0.6V까지로 움직일 수 있다. 그러므로 소스 폴로어 회로의 그라운드 전위를 비록 Vbb로 하더라도 출력의 전압은 효과적으로 충분한 음 전압까지 감소하지 못한다.

온칩 Vbb 값은 Vcc 갑의 1/3 배 정도를 사용, 즉 동작 전압이 3.3V일 경우 Vbb 전압은 약 0.99V의 음전압을 사용하며, 동작 전압이 2.5V일 경우는 약 0.75V의 음전압을 사용한다.

도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vss 대신에 Vbb를 사용하고 또한 포토 다이오드의 기판 전위를 Vss 대신 Vbb로 사용하는 경우이다.

포토 다이오드의 기판 전위까지 Vss 대신에 Vbb로 인가하여 포토 다이오드의 최소 전위도 Vbb-0.6V 까지 떨어 질 수 있도록 하여 FD의 전압을 음 전압까지 떨어 질 수 있도록 하기 때문에 픽셀의 출력 전압도 효과적으로 충분한 음 전압까지 떨어뜨릴 수 있으므로 포토 다이오드의 Saturation 상태도 증가시키면서 출력을 음 전압까지 충분히 떨어뜨릴 수 있어 보다 효과적으로 Vbb의 인가 전압에 의한 픽셀의 출력을 증가시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vcc 대신 Vpp를 사용하고 Vss 대신 Vbb를 사용한 경우이다.

Vcc 대신 Vpp를 사용하고 또한 Vss 대신 Vbb를 사용하게 되면 픽셀의 출력은 이중으로 확장해서 사용할 수가 있다. 이때의 픽셀 출력 전압은 다음의 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.

Vout = Vpp+Vbb-Vthr-Vthd-Q/C

수학식 7에서 알 수 있듯이 비록 Vcc의 동작 전원을 사용하더라도 CMOS 이미지 센서 내부에서 발생시킨 Vpp와 Vbb 전압을 픽셀의 Vcc 와 Vss 대신에 사용하여 최종 단위 픽셀의 출력 전압은 Vpp와 Vbb 전압만큼 더 확대된 전압으로 증가시킬 수 있다.

물론 이 경우는 포토 다이오드의 기판 전압이 Vss로 되어 있기 때문에 출력 전압 또한 효과적으로 충분한 음의 전압까지 떨어뜨릴 수 없는 단점을 가지고 있다.

도 5는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vcc 대신 Vpp를 Vss 대신 Vbb를 사용하고 포토 다이오드의 기판 전위를 Vbb로 사용한 경우이다.

Vcc 대신 Vpp를 Vss 대신 Vbb를 사용하고 포토 다이오드의 기판 전압까지 Vbb로 인가하여 픽셀의 출력을 더욱 효과적으로 음의 전압까지 떨어 뜨려 사용할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, 4-T 픽셀에서 Vcc 대신 Vpp를 인가하여 픽셀 출력을 증대시킨 경우이다.

도 7은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vss 그라운드 대신에 Vbb를 인가하여 픽셀의 출력 전압을 증가시킨 경우이다.

도 8은 본 발명의 제 8 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vss 대신 Vbb를 인가하고 포토 다이오드를 Vss 대신 Vbb로 인가한 경우이다.

도 9는 본 발명의 제 9 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vcc 대신에 Vpp를 인가하고 Vss 대신에 Vbb를 인가한 경우이다.

도 10은 본 발명의 제 10 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에서 픽셀 회로도로서, Vcc 대신 Vpp를 인가하고 Vss 대신 Vbb를 또한 포토 다이오드의 Vss 대신 Vbb를 인가한 경우이다.

도 6 내지 도 10을 참조하여 설명한 본 발명의 제 6 내지 제 10 실시예에 따른 전압 인가 방법은 도 1 내지 도 5를 통하여 설명한 3-T의 경우와 거의 유사하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

전술한 바와 같이 본 발명은 단위 픽셀의 구동 전원 전압을 Vcc보다 더 높은 Vpp 전압을 인가하여 출력 전압의 변화폭을 증대시키거나, Vss 그라운드 전압보다 더 낮은 음 전압의 온칩 전압 Vbb를 인가하여 픽셀 출력 전압의 변화를 더 증대시켜 화질의 특성이 개선되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 포토 다이오드와 음전압이 사용된 리셋 트랜지스터 및 소스 폴로어 회로로 구성된 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로 구동방법에 있어서,

   온칩 전압 발생기를 사용하여 구동 전원 전압 Vcc보다 더 높은 Vpp 전압을 단위 픽셀에 인가하거나, 그라운드 전압 Vss보다 더 낮은 Vbb 음전압을 단위 픽셀에 인가하여 출력 전압의 변화폭을 증대시키는 것을 특징으로 한 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로 구동방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 Vpp 전압을 리셋 트랜지스터 및 소스 폴로어 회로의 구동 전원으로 사용하는 것을 특징으로 한 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로 구동방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 Vbb 전압을 상기 소스 폴로어 회로의 그라운드 전극에 사용하는 것을 특징으로 한 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로 구동방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 Vpp 전압을 상기 리셋 트랜지스터 및 소스 폴로어의 구동 전원으로 사용하며, 상기 Vbb 전압을 상기 소스 폴로어 회로의 그라운드 전극에 사용하는 것을특징으로 한 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로 구동방법.