KR20040047901A - 광전 센서 - Google Patents

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KR20040047901A
KR20040047901A KR10-2004-7005287A KR20047005287A KR20040047901A KR 20040047901 A KR20040047901 A KR 20040047901A KR 20047005287 A KR20047005287 A KR 20047005287A KR 20040047901 A KR20040047901 A KR 20040047901A
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포톤포쿠스 아게
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Abstract

본 발명은 광 생성 전하(photogenerated charge)을 수집하기에 적합하게 도핑되며, 접지 전압(4)과 감지 노드(sensing node)(16) 사이에 연결되는 반도체 재료 영역(2)을 포함하는 광검출기를 제안한다. 상기 감지 노드(16)는 도입부(entrance)에 커패시턴스(8)를 포함하는 전압 감지 회로에 접속되며, 상기 전압 감지 회로의 상기 커패시턴스(8)의 전압 신호를 일시적으로 샘플링 또는 유지하도록 상기 전압 감지 회로로부터 상기 감지 노드(16)의 접속을 해제하기 위한 수단(9)이 제공되고, 상기 커패시턴스(8)는 상기 전압 감지 회로의 포화를 방지하기에 적합한 비선형 전압 트랜스컨덕턴스 소자에 접속된다.

Description

광전 센서 {OPTOELECTRONIC SENSOR}
지금까지 CMOS(Complementary Metal Oxyde Semicoductor) 기술의 영역 (2차원) 이미지 센서는 충돌 광(impinging light)의 광 강도의 변화가 큰 이미지(높은 동적 이미징)를 취득해야 하는 애플리케이션에 널리 사용된다. 빠르게 움직이는 장면의 이미지를 획득해야 하는 경우, 모든 이미지 점(image point)은 이미지의 움직임 왜곡(motion distortion)을 방지하기 위해 동시에 노출되어야 한다. CMOS 기술에서 센서의 이미지 데이터는 일반적으로 순차적으로 판독되기 때문에, 이미지 데이터는 판독되기 전에 픽셀의 광 검출기 근처에 국부적으로(locally) 저장되어야 한다. 이러한 국부적인 저장은 결코 완전하지 않으며, 저장된 신호는 원하는 노출 시간 후(사후 노출, post exposure) 검출기에 충돌하는 광학 신호에 의해 여전히 영향을 받을 수 있다. 이것은 특히 판독 시간에 비해 노출 시간이 극히 짧은 경우에 데이터의 손실을 초래할 수 있어, 조도가 매우 밝은 장면의 취득에서는 신호의 포화를 방지하는 것이 바람직하다. 이 경우에 사후 노출은 특히 데이터가 마지막으로 판독되는 경우에 검출기 출력의 포화를 초래할 수 있다.
본 발명은 광전 센서, 라인(line) 센서 또는 이러한 센서들로 이루어지는 이미지 센서에 관한 것이며, 일반적으로 본원의 독립항의 전제부(preambles)에 따라 광을 검출하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 CMOS 이미지 센서의 개략 회로도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 센서의 개략 회로도이다.
도 6은 저장 노드의 전압과 충돌 광 강도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
2 : 광 다이오드4 : 접지 전압선
6 : 광 다이오드 커패시터8 : 축전 커패시터
9 : 축전 스위치10 : 축전 노드
11 : 비선형 응답 소자12: MOS 트랜지스터
13 : 게이트14 : 드레인
15 : 다이오드16 : 소스
따라서 본 발명의 목적은 이미지 정보를 검출기 어레이에 국부적으로 저장하고 동시에 사후 노출에 의해 발생되는 포화에 기인한 데이터 손실을 방지하는 능력을 구비한 광 검출기를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1에 기재된 광 검출기에 의해 달성된다. 즉 상기 목적은 광 생성 전하(photogenerated charge)를 수집하기에 적합하게 도핑되며, 접지 전압과 감지 노드(sensing node) 사이에 연결되는 반도체 재료의 영역을 포함하고, 상기 감지 노드는 도입부(entrance)에 커패시턴스를 포함하는 전압 감지 회로에 접속되며, 상기 전압 감지 회로의 상기 커패시턴스의 전압 신호를 일시적으로 샘플링 또는 유지하도록 상기 감지 노드와 상기 전압 감지 회로의 접속을 해제하기 위한 수단이 제공되고, 상기 커패시턴스는 상기 전압 감지 회로의 포화를 방지하기에 적합한 비선형 전압 트랜스컨덕턴스(transconductance) 소자에 접속되는, 광 검출기에 의해 달성된다.
따라서 본 발명의 핵심은 상기 전압 감지 회로 도입부의 상기 커패시턴스와 접속되는 비선형 전압 트랜스컨덕턴스 소자가, 사후 노출 효과에 기인하여 측정된 전압의 왜곡이 상기 노출 시간 동안에 실제 정보와 취득된 정보의 손실/혼동을 초래하지 않도록 하는 것과 같은, 상기 검출기의 노출/통합 시간(exposure/ integration time) 후에 상기 커패시턴스를 가로질러 측정된 전압에 영향을 미칠수 있는 능력(possibility of infuencing)을 제공하는 것이다. 그 때문에 상기 비선형 전압 트랜스컨덕턴스 소자는 상기 전압 감지 회로 도입부의 상기 커패시턴스를 가로지르는 전압의 비선형 작용(behaviour)을 주도하며, 이 비선형성은 상기 측정된 전압이 결코 포화 레벨 아래로 떨어지지 않아 상이한 전압 초기 값에 대한 혼동을 방지하는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 광 검출기는 상기 접지 전압과 상기 감지 노드 사이에서, 반도체 재료의 영역에 병렬로 연결되는 커패시턴스를 더 포함한다.
상기 광 검출기의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 광 생성 전하를 수집하기에 접합하게 도핑된 반도체 재료의 영역은 광 다이오드인 것을 특징으로 하며, 이 광 다이오드의 상기 감지 노드는 트랜지스터, 바람직하게는 MOS 트랜지스터에 의해 상기 전압 감지 회로에 접속 또는 접속 해제되는 것을 특징으로 한다.
또다른 바람직한 실시예는 상기 비선형 전압 트랜스컨덕턴스 소자가 적당한 전위(potential)에 접속된 게이트를 구비한 트랜지스터, 바람직하게는 MOS 트랜지스터로 구현되는 것을 특징으로 한다. 그 다음에 상기 트랜지스터의 상기 게이트를 소스에 연결할 수 있는 것이 바람직하다. 또한 상기 트랜지스터의 상기 게이트를 외부에서 제어되는 신호에 접속하는 것도 가능하다. 상기 외부에서 제어되는 신호는 또한 시간이 경과함에 따라 변화될 수 있다.
비선형 전압 트랜스컨덕턴스 소자는 고정되거나 시간이 경과함에 따라 변화되는 적당한 전위에 접속되는 개별 단자를 갖는 트랜지스터 또는 다이오드에 의해 실현될 수 있다.
상기 광 검출기는 광 생성 전하를 수집하기에 접합하게 도핑된 반도체 재료 영역이 바람직하게는 다이오드이며, 상기 충동 광 강도에 대해 비선형 응답을 생성하는 것에 특징이 있을 수 있다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 비선형 소자는 상기 저장 노드 또는 상기 저장 노드 및 상기 다이오드를 리셋하기 위해 사용된다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시예는 주요 청구항의 종속항으로 기술된다.
또한, 본 발명은 1차원 또는 2차원 어레이와 관련되며, 바람직하게는 적어도 부분적으로 전술한 바와 같은 광 검출기로 이루어지는 라인 센서 또는 이미지 센서의 형태이다.
전통적인 CMOS 이미지 센서에서 각각의 이미지 점(image point)에 대해 광 검출기, 일반적으로는 광 다이오드(2)가 감지 회로에 접속된다(도 1). 노출 후 해당 이미지 점이 판독될 때까지 광 검출기의 신호를 저장하기 위하여, 광 검출기는 스위치(9, M1), 일반적으로 MOS 트랜지스터에 의해 판독 회로와의 접속이 해제된다. 검출기(2)가 접속 해제되면, 그 출력 전압은 판독 회로(저장 노드, 10)와 관련된 기생 커패시턴스(8)에 저장된다. 일반적으로 저장 노드(10)는 사후 노출(post exposure)을 방지하기 위하여 광 차폐물(light shields)로 덮여 있다. 비록 광 차폐가 유용하기는 하지만 표준적인 처리 기술로는 저장 노드를 완전히 덮을 수는 없다. 게다가, 검출기의 신호는 불완전한 스위칭 동작과 실제 광 검출기 영역(2) 밖에서의 전하 생성으로 인하여 저장 노드(10)에서의 전압 값에 여전히 영향을 끼칠 수 있다. 그래도, 노출 시간에 비해 긴 시간인 경우이면 신호 값은 저장 노드(10)에 저장될 것이며, 센서(2)가 높은 광 강도에 노출될 때 저장 노드(10)의 전압은 전압 감지 회로의 도입부의 레벨을 초과하거나 그 아래로 떨어질 것이고, 따라서 포화될 위험이 있다.
여기에 설명하는 모든 것은 N-MOS 디바이스의 경우를 나타내지만, 본 발명은 P-MOS 디바이스에 대해서도 또한 작용한다는 것을 이 기술분야의 숙련된 독자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
극심한 조도 조건하에서 그리고 긴 저장 시간에 동안에도 저장 노드의 포화를 방지하기 위해, 본 발명에 따른 센서는 저장 노드(10)에 접속되는 비선형 응답소자(11)를 포함하여 이루어진다(도 2 참조). 이 비선형 소자(11)는 고정되거나 외부에서 제어되는 전위(Vcontrol)에 접속되는 게이트(13)를 구비한 MOS 트랜지스터(12)인 것이 바람직하다(도 3 참조). 대안으로, 비선형 응답 소자는 단순한 다이오드(15)(도 4 참조) 또는 설명한 원리와 유사하게 동작하는 임의의 다른 비선형 회로일 수 있다. 바람직한 실시예인 도 5를 참조하면, 저장 노드(10)에 대한 광 다이오드(2)의 효과를 최소화하기 위해, 노출 후에 즉시 광 다이오드 전위를 리셋 전위로 고정하는 개별 MOS가 광 다이오드(2)에 접속된다. 이 MOS 트랜지스터(M3)는 또한 광 다이오드 응답에 대한 비선형 압축(non-linear compression)을 생성하는 데 사용된다. 이에 대한 자세한 것은 국제공개공보 WO 01/46655를 참조하기 바라며, 국제공개공보 WO 01/46655의 내용 전부는, 감지 노드(16)에서의 응답을 비선형으로 특정한 체제(regimes)에서 생성하기 위한 트랜지스터(M3)의 특정한 사용과 관련하여 본 명세서에 명백히 포함되며, 특히 M3와 관련하여 상기 국제공개공보 WO 01/46655에 개시된 내용과 본 명세서에 제안된 수단(11, 12, M2)의 조합을 반드시 포함한다.
노출중에, 광 검출기(2)는 MOS 트랜지스터(M1)에 의해 저장 노드(10)에 접속된다. 충돌 광 강도(impinging light intensity)에 따라, 광 검출기(2)와 저장 노드(10)의 전위는 초기 레벨에서 벗어난다. 통합(integration)이 완성된 후, MOS 트랜지스터(M1)의 게이트에 이 트랜지스터를 차단(block)하기에 충분한 전위를 인가하여 저장 노드(10)와 광 다이오드(2)의 접속을 해제한다. 최종 신호 값은 이제저장 노드(10)의 기생 커패시턴스(8) Cstorage에 저장된다. 저장 시간 동안에, 스위치(M1)의 누설에 의해 생성된 전류와 광 차폐를 통한 조명에 의해 생성된 전류의 합은 저장 노드(10)의 전위를 그 초기 값에서 벗어나게 한다. [식 1]은 저장 노드(10)의 전압을 사후 노출 전류(ILeak+ IShield)와 저장 시간의 함수로 기술한 것이다. VExposure는 저장 노드(10)가 광 검출기(2)와의 접속이 해제된 직후의 저장 노드(10)의 전위가 된다.
[식 1]
처음에, 저장 노드(10)는 시간의 증가와 함께 초기 레벨에서 선형적으로 벗어나며, 사후 노출 전류 ILeak와 IShield의 합과 함께 선형적으로 벗어난다. 처음에, 저장 노드(10)에 접속된 비선형 회로(11, 12, 15)는 어떠한 전류도 전도하기에 충분하지 않도록 구성된다. 비선형 회로는 비노출 센서의 전압 레벨(Vres)에 1 임계 전압(VTH)을 더한 전압(즉, Vref+ VTH)과 감지 회로의 포화 전압(Vsat)에 1 임계 전압(VTH)을 더한 전압(즉, Vsat+ VTH) 사이의 전압에 접속되는 게이트(13)를 구비한 MOS 트랜지스터(12)로 구현되는 것이 바람직하다. 처음에 비선형 회로(MOS 트랜지스터, M2)는 어떠한 전류도 흐르지 않는다. 일단 저장 노드(10)의 전압이 어느 값에 도달하면, 1 VTH는 M2의 게이트 전압 레벨 아래로 내려가 트랜지스터는 전도하기시작된다. 그 순간부터, 저장 노드의 전압은 더 이상 [식 1]에 의해 규정되지 않고, 비선형 회로의 전류 전압 함수에 의해 규정된다. 바람직한 실시예에서는 MOS 트랜지스터(M2)의 게이트 소스 전압에 의해 규정된다. 게이트 소스 전압, 따라서 저장 노드(10)에서의 전압은 [식 2]로 기술된다. 일반적으로 사후 노출 광 전류와 누설 전류는 대략 펨토암페어(femtoampere)에서 나노 암페어(nanoampere) 정도이다. 따라서 MOS 트랜지스터(M2)는 약한 반전 모드(weak inversion mode)로 동작한다.
[식 2]
k는 프로세스 의존형 트랜지스터 파리미터이고, I0는 약한 반전 동작의 개시시의 드레인 전류이며, VTH는 트랜지스터의 임계 전압이다. kT/q는 대기온도(ambient temperature)에서 대략 26mV이다.
일단 저장 노드의 전위가, 비선형 소자가 전류를 전도하는 값에 도달하면, 판독되는 최종 값은 노출 후의 신호에 의존할 뿐만아니라 합쳐진(integrated) 사후 노출 전류와 판독 시의 실제 사후 노출 전류에 의존한다. 그 자체가 충돌 광 강도의 함수인 사후 노출 전류에 대한 선형 소자를 가로지르는 전압의 종속성(dependence of the voltage)으로 인해, 저장 노드의 전위는 완전히 포화되지 않고 충돌 광 강도와 관계를 가진 상태로 있다. 도 6은 3개의 상이한 충돌 광 강도에 대한 시간의 함수인 저장 노드의 전압을 나타낸다. 비교적 낮은 강도의 충돌 광일 때, 저장 노드는 비선형 소자가 전도하는 모드로 들어가지 않는다(커브 A). 더 높은 광 강도일 때, 저장 노드의 전위는 비선형 소자가 전도 상태로 되는 모드로 들어가기에 충분할 정도로 빠르게 감소한다. 최종 저장 노느 전위는 사후 노출 전류의 함수이다(커브 B). 훨씬 더 높은 광 강도일 때, 저장 노드의 전위는 비선형 소자가 전도하는 값으로 매우 빠르게 감소한다. 더 중요한 사후 노출 전류 때문에, 비선형 소자를 가로지르는 전압은 더 낮은 광 강도의 경우에 비해 더 중요하다(커브 C). 따라서 커브 B와 C에 관계된 두 강도는 판독 시에 혼동되지 않으며, 비선형 소자가 없는 경우일 것이다. 비선형 소자가 없는 저장 노드 전압의 움직임에 대해서는 점선을 참조하기 바란다. 커브 B와 C는 전압 감지 전류의 포화 레벨 Vsat에 도달하고, 따라서 혼동이 발생될 것이며, 이것은 데이터의 손실을 초래한다.

Claims (11)

  1. 광 생성 전하(photogenerated charge)를 수집하기에 적합하게 도핑되며, 접지 전압(4)과 감지 노드(sensing node)(16) 사이에 연결되는 반도체 재료의 영역(2)을 포함하고,
    상기 감지 노드(16)는 도입부(entrance)에 커패시턴스(8) 또는 기생 커패시턴스(8)를 포함하는 전압 감지 회로에 접속되며,
    상기 전압 감지 회로의 상기 커패시턴스(8) 상의 전압 신호를 일시적으로 샘플링 또는 유지하도록 상기 전압 감지 회로와 상기 감지 노드(16)의 접속을 해제하기 위한 수단(9)이 제공되고,
    상기 커패시턴스(8)는 상기 전압 감지 회로의 포화를 방지하기에 적합한 비선형 전압 트랜스컨덕턴스(transconductance) 소자에 접속되는
    광 검출기.
  2. 제1항에서,
    상기 접지 전압(4)과 상기 감지 노드(16) 사이에, 상기 반도체 재료 영역에 병렬로 연결되는 커패시턴스(6)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출기.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 광 생성 전하를 수집하기에 접합하게 도핑된 반도체 재료의 영역(2)은광 다이오드이고,
    상기 광 다이오드(2)의 상기 감지 노드(16)는 트랜지스터(M1), 바람직하게는 MOS 트랜지스터에 의하여 상기 전압 감지회로에 접속 또는 접속 해제되는 것을 특징으로 하는 광 검출기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,
    상기 비선형 전압 트랜스컨덕턴스 소자는 적당한 전위(potential)에 접속되는 게이트를 구비한 트랜지스터(12, M2), 바람직하게는 MOS 트랜지스터로 구현되는 것을 특징으로 하는 검출기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서,
    상기 트랜지스터(12, M2)의 상기 게이트(13)는 상기 트랜지스터(12, M2)의 소스(16) 또는 드레인(14)에 접속되는 것을 특징으로 하는 검출기.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서,
    상기 트랜지스터(12, M2)의 상기 게이트(13)는 외부에서 제어되는 신호에 접속되는 것을 특징으로 하는 검출기.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서,
    상기 트랜지스터(12, M2)의 상기 게이트(13)는 시간이 경과함에 따라 변화되는 외부에서 제어되는 신호에 접속되는 것을 특징으로 하는 검출기.
  8. 제1항에서,
    상기 비선형 전압 트랜스컨덕턴스 소자(11)는 고정되거나 시간이 경과함에 따라 변화되는 적당한 전위에 접속되는 다른 단자(other terminal)를 갖는 다이오드(15)에 의해 실현되는 것을 특징으로 하는 검출기.
  9. 제1항에서,
    상기 광 생성 전하를 수집하기에 접합하게 도핑된 반도체 재료의 영역(2)은 광 다이오드이고, 다른 비선형 회로 또는 소자(M3)와 함께 충동 광 강도(impinging light intensity)에 대해 비선형 응답을 생성하는 것을 특징으로 하는 광 검출기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에서,
    상기 비선형 소자(11)는 상기 저장 노드(storage node)(10) 또는 상기 저장 노드(10) 및 상기 다이오드(15)를 리셋하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 광 검출기.
  11. 적어도 부분적으로 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 광 검출기로 이루어지는 1차원 또는 2 차원 어레이, 바람직하게는 라인 센서(line sensor) 또는 이미지 센서 형태의 1차원 또는 2 차원 어레이.
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