KR20070034485A - 액티브 픽셀 센서 셀, 노출 신호 생성 방법 및 이미지 센서 - Google Patents

액티브 픽셀 센서 셀, 노출 신호 생성 방법 및 이미지 센서 Download PDF

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KR20070034485A
KR20070034485A KR1020067025835A KR20067025835A KR20070034485A KR 20070034485 A KR20070034485 A KR 20070034485A KR 1020067025835 A KR1020067025835 A KR 1020067025835A KR 20067025835 A KR20067025835 A KR 20067025835A KR 20070034485 A KR20070034485 A KR 20070034485A
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피터 존 호퍼
필립프 린도퍼
마크 윌리암 폴터
유리 미르고로드스키
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이스트맨 코닥 캄파니
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Abstract

적어도 하나의 광다이오드, 리셋 회로부, 및 광다이오드에 결합된 집적 버랙터를 포함하는 액티브 픽셀 센서 셀, 이러한 셀을 판독하는 방법, 및 이러한 셀들의 어레이를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다. 노출 간격동안 광다이오드를 광자에 노출하여 광다이오드의 제1 노드에서 부노출 전하들의 시퀀스를 축적할 수 있다. 부노출 전하 각각은 노출 간격의 상이한 부노출 간격동안 제1 노드에서 축적된다. 리셋 간격들의 시퀀스의 각각동안 광다이오드를 리셋하며, 각 리셋 간격은 부노출 간격들중 상이한 부노출 간격 전에 발생한다. 노출 간격동안 저장 노드에서 축적된 노출 전하를 가리키는 출력 신호를 셀로부터 표명할 수 있으며, 여기서 노출 전하는 부노출 전하들 모두의 합을 가리킨다.

Description

액티브 픽셀 센서 셀, 노출 신호 생성 방법 및 이미지 센서{ACTIVE PIXEL SENSOR CELL WITH INTEGRATING VARACTOR}
본 발명은 액티브 픽셀 센서 셀(예를 들어, 적어도 하나의 MOS 트랜지스터 및 적어도 하나의 광다이오드를 포함하는 MOS 액티브 픽셀 센서 셀) 및 이를 이용하는 방법에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 본 발명은 적어도 하나의 광다이오드 및 각 광다이오드용 집적 버랙터를 포함하는 액티브 픽셀 센서 셀, 및 이러한 셀을 이용하여 광다이오드 부노출(subexposures)(전체 광다이오드 노출 간격의 부간격(subintervals))의 시퀀스동안 이러한 하나의 버랙터의 커패시턴스를 충전함으로써 노출 신호를 생성하는 방법에 관한 것이다.
"MOS 장치"라는 표현은 본 명세서에서 MOS 트랜지스터에 대한 유의어로 사용된다.
"버랙터(varactor)"라는 용어는 본 명세서에서 주 관심사인, 전기적 특성이 전압 의존형 용량인 반도체 장치를 나타내는 것으로 사용된다. 예를 들어, nMOS(또는 pMOS) 트랜지스터를 버랙터로서 이용할 수 있으며, 버랙터의 커패시턴스 는 트랜지스터의 게이트와 소스 간의 전압에 의해 (부분적으로) 결정된다. 다른 예로, 다이오드를 버랙터로서 이용할 수 있다.
"광다이오드의 노출 (또는 광다이오드 노출)"이라는 표현은 본 명세서에서 노출 간격동안 광다이오드를 (감지될) 광자에 노출하는 나타내는 것으로 사용된다. 노출 간격(또는 노출 주기)의 "부노출 간격"이라는 표현은 본 명세서에서 노출 간격(또는 노출 주기)의 부간격을 나타내는 것으로 사용된다. "광다이오드의 부노출(또는 광다이오드 부노출)"이라는 표현은 본 명세서에서 노출 간격의 부간격동안 광다이오드를 (감지될) 광자에 노출하는 것으로 사용된다.
"액티브 픽셀 센서 셀"이라는 표현은 본 명세서에서 적어도 하나의 액티브 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서를 나타내는 것으로 사용된다. 일반적으로, 액티브 픽셀 센서는 행렬로 배열된 동일한 센서 셀들의 어레이의 소자로서 구현된다. 전형적으로, 액티브 픽셀 센서 셀은, 적어도 하나의 광다이오드, 각 광다이오드용 리셋 트랜지스터, 및 하나의 노출동안 또는 복수의 노출의 시퀀스동안 광다이오드의 적어도 하나의 단자상에서 축적된 광전하를 가리키는 신호를 판독하도록 (열 라인에 결합된) 적어도 하나의 다른 판독 트랜지스터를 포함한다. 각 리셋 트랜지스터를 제어하여 광다이오드를 리셋한다. 전형적으로, 각 노출에 대하여, 적어도 하나의 판독 트랜지스터를 제어하여 광다이오드가 리셋된 후 감지할 광자에 노출되기 전에 광다이오드에 걸친 전압을 가리키는 선노출(pre-exposure) 신호를 열 라인에 표명(assert)하고 이후 광다이오드가 감지할 광자에 노출된 후에 광다이오드에 걸친 전압을 가리키는 후노출(post-exposure) 신호를 열 라인에 표명한다. (전형적 으로 셀로부터 멀리 떨어져 있는 열 라인을 따라 위치하는) 판독 회로부에 의해 선노출 및 후노출 신호들을 처리하여 그 노출동안 광다이오드의 적어도 하나의 단자상에서 축적된 광전하를 가리키는 신호를 생성할 수 있다.
종래의 액티브 픽셀 센서 셀의 한 형태는 적어도 하나의 MOS 트랜지스터 및 적어도 하나의 광다이오드를 포함하는 MOS 액티브 픽셀 센서 셀이다. 사용시, 판독 회로부는 셀에(예를 들어, 그 셀에 결합된 열 라인에) 결합된다.
기존의 필름 기반 카메라들은 (전형적으로 많은 이미징 셀들을 포함하는) 이미징 셀들의 어레이를 활용하여 수광 에너지를 이미지를 나타내는 전기 신호로 변환하는 디지털 카메라들로 급속히 대체되고 있다. 입사광 에너지를 캡쳐하도록 디지털 카메라에서 사용되는 이미징 셀의 한 형태는 액티브 픽셀 센서 셀이다.
도 1은 종래의 액티브 픽셀 센서 셀(100)의 개략적인 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 셀(100)은 (노드 A에 결합된 제 1 단자 및 접지된 제 2 단자를 가지는) 광다이오드(112), 소스가 광다이오드(112)에 접속되고 드레인이 전위(Vdd)로 유지되는 NMOS 리셋 트랜지스터(114), 게이트가 광다이오드(112)에 접속되고 드레인이 전위(Vdd)로 유지되는 NMOS 센스 트랜지스터(116)(소스 팔로워 증폭기 트랜지스터), 및 드레인이 센스 트랜지스터(116)의 소스에 접속된 NMOS 로우 선택 트랜지스터(118)를 포함한다. 트랜지스터(118)의 소스는 비트 라인에 결합된다. 전형적으로, 셀(100)이 행렬을 따라 배열된 셀들이 어레이의 소자인 경우, 비트 라인이 열 라인이다. 트랜지스터(118)의 게이트는 제어 비트(CTL)를 수신하도록 결합된다. 전형적으로(예를 들어, 셀(100)이 행렬을 따라 배열된 셀들의 어레이의 소자 인 경우), CTL은 셀(100)을 포함하는 센서 셀들의 로우를 선택하도록 고 펄스화된 로우 선택 비트이다.
액티브 픽셀 센서 셀(100)의 동작은, 전형적으로 3개의 단계, 즉 트랜지스터(114)에 펄스를 짧게 가하여 광다이오드(112)에 걸쳐 소정의 초기 전압을 가하는 리셋 단계와, 광다이오드(112)에 입사하는 광자를 전하로 변환하는 노출 단계(즉, 광다이오드(112)가 입사 광자에 노출되는 동안 광전하가 광다이오드(112)의 제 1 단자로 이동하고, 이에 따라 리셋 단계동안 제 1 단자상에 존재하는 초기 전하를 줄임)와, 광전하를 가리키는 신호가 (예를 들어, 트랜지스터(116, 118)의 채널들을 통한 전류로서) 판독되는 신호 판독 단계를 포함한다.
리셋 단계동안, 리셋 트랜지스터(114)의 게이트에 리셋 전압(VR, 예를 들어, 5볼트)의 펄스를 가하여 트랜지스터(114)를 턴온한다. 이에 응답하여, 광다이오드가 자신의 단자들 간에 초기 전압(VR-VT)으로 충전된다는 점에서 광다이오드(112)가 리셋되며, 여기서 VT는 리셋 트랜지스터(114)의 임계 전압이다.
노출 단계동안, 광다이오드(112)에 충돌하는 광자는 전자-정공 쌍을 생성한다. 그 결과 발생하는 광전하는 광다이오드(112)의 단자들로 이동한다. 광다이오드(112)는 새롭게 형성된 전자-정공 쌍들 간의 재결합을 제한하도록 설계된다. 그 결과, 광 정공은 광다이오드(112)의 제 2 단자(접지된 단자)에 끌리는 한편, 광 전자는 광다이오드(112)의 제 1 단자에 끌린다. 제 1 단자에 도달하는 각 광 전자는 광다이오드(112)에 걸친 전압을 줄인다.
노출 단계의 종료시(때때로 노출 간격이라고 칭함), 광다이오드(112)에 걸친 최종 전압은 VR-VT-VS이고, 여기서, VS는 광다이오드(112)의 제 1 단자에 도달한 광 캐리어로 인한 전압 변화를 나타낸다. 따라서, 노출 간격동안 광다이오드 상에 입사하는 광자 수를 가리키는 VS는, 노출 간격의 종료시의 전압을 노출 간격의 시작시의 전압으로부터 감산함으로써 결정된다(VS = ((VR - VT) - (VR - VT - VS)).
노출 단계후 판독 단계동안 (리셋 단계 및 노출 단계동안 턴오프된) 로우 선택 트랜지스터(118)를 턴온함으로써 액티브 픽셀 센서 셀(100)을 판독한다. 로우 선택 트랜지스터(118)를 턴온하면, 광다이오드(112)상의 전압(VR-VT-VS)(접지보다 높은 노드 A의 전위)은 센스 트랜지스터(116)의 게이트상의 전압을 결정하고, 이것은 다시 트랜지스터(116, 118)를 통해 흐르는 전류의 크기를 결정한다. 이후, (전형적으로 열 라인인) 비트 라인을 따라 접속된 종래의 전류 검출기(도시하지 않음)에 의해 트랜지스터(116, 118)의 채널들을 통한 전류를 검출한다.
종래의 액티브 픽셀 센서 셀들의 한가지 단점이라면 이 셀들이 전형적으로 낮은 광(low light) 상태에서 열악하게 동작한다는 것이다. 종래의 필름 기반 카메라에서는, 셔터를 개방하는 시간량을 넓은 범위(예를 들어, 움직이는 물체의 이미지를 캡쳐하도록 1초의 천분의 일 내지 밤과 같은 매우 낮은 광 상태에서 물체의 이미지를 캡쳐하도록 수초에 걸친 범위)로 조절할 수 있다.
그러나, 종래의 액티브 픽셀 센서 셀에서는, 셀을 광 에너지에 노출할 수 있는 최대 노출 간격이 전형적으로 수 밀리초(millisecond) 단위를 갖는다. 이것은, (암 전류(dark current)로 알려져 있는) 광다이오드에서의 누설 전류가 노출 간격의 시작시 광다이오드에 걸친 초기 전압을 제로 (또는 거의 제로)로 이러한 크기의 시간 간격으로 풀다운(pull-down)하기 때문이다. 이러한 누설 전류는 암 전류로 알려져 있으며 그 이유는 누설 전류가 어떠한 광자도 광다이오드에 입사하지 않을 때 초기 광다이오드 전압을 제로 (또는 거의 제로)로 풀다운하기 때문이다.
따라서, 노출 주기동안 종래의 액티브 픽셀 센서 셀을 광자에 노출하게 되면, 초기 광다이오드 전압은 암 전류 뿐만 아니라 입사 광자에도 응답하여 감소된다. 노출 주기가 충분히 짧으면, 암 전류는, 광전하가 광다이오드 전압을 저감하는 양에 비하여 무시할만한 양만큼만 광다이오드 전압을 저감한다.
그러나, 노출 주기가 충분히 길면(예를 들어, 수 밀리초의 단위인 경우), 입사 광자는 정밀하게 감지될 수 없으며 그 이유는 노출 주기동안 광전하가 광다이오드 전압을 저감하는 양에 비하여 무시하지 못할 양만큼 암 전류가 광다이오드 전압을 저감하기 때문이다. (전형적인) 액티브 픽셀 센서 셀이 수 밀리초의 노출 주기(또는 이보다 더 긴 노출 주기)로 동작할 때 정밀한 결과를 제공하지 못한다면, 센서 셀은 낮은 광 상태에서 동작할 때 유용하지 못하다.
종래의 액티브 픽셀 센서 셀이 동작하는 것보다 긴 노출 주기로 정밀하게 동작할 수 있으며 이에 따라 낮은 광 상태에서 입사 방사를 정밀하게 감지할 수 있는 이미징 셀이 필요하다.
일 양태에 따르면, 본 발명은 적어도 하나의 광다이오드, 리셋 회로부, 및 광다이오드에 결합된 집적 버랙터를 포함하는 액티브 픽셀 센서 셀을 제공한다. 리셋 회로부는 N개의 부노출 간격을 포함하는 노출 간격동안 광다이오드를 여러 번 리셋하도록 구성되며, 여기서는 2≤N (전형적으로 N은 10 초과)이기 때문에 부노출 간격들의 각각 전에 광다이오드가 리셋될 수 있다. 셀은 광다이오드의 제 1 노드에서 제 1 커패시턴스를 구비하고, 버랙터는 제 1 노드와 저장 노드 간에 결합되며, 저장 노드에서 버랙터 커패시턴스를 제공하고, 이 버랙터 커패시턴스는 제 1 커패시턴스보다 매우 크다. 제 1 노드는 전형적으로 광다이오드의 일 단자이며, 광다이오드의 또다른 단자는 접지되어 있다. 부노출 간격의 각각동안, 부노출 전하가 광다이오드에서의 광발생 결과로 제 1 노드에서 축적된다. 리셋 간격들은 부노출 간격들에 비하여 충분히 짧고 버랙터는 노출 전하가 노출 간격동안 저장 노드에서 축적되도록 구성되며(예를 들어, 바이어싱되며), 부노출 간격들의 최종 간격의 종료시 노출 전하는 모든 부노출 간격들동안 축적된 부노출 전하들의 합을 가리킨다. 예를 들어, 최종 부노출 간격의 종료시 노출 전하는 부노출 간격들동안 적어도 부노출 전하들의 합과 대략 동일하고, 또는 이러한 노출 전하는 적어도 부노출 간격들동안 축적된 부노출 전하들의 합에 대략 비례한다. 또한, 이 셀은, 저장 노드에 결합되며 그 셀의 출력에서 (저장 노드의 전위 또는 저장 노드 상의 전하를 가리키는) 출력 신호를 표명하도록 구성된 출력 회로부를 포함한다. 일부 실시예에서, 출력 회로부는 게이트가 저장 노드에 결합된 소스 팔로워 트랜지스터를 포함하고, 출력 신호는 소스 팔로워 트랜지스터의 채널을 통한 (저장 노드의 전위를 가리키는) 전류이다.
전형적인 실시예에서, 버랙터는 전계 효과 게이티드 접합 장치(예를 들어, MOS 트랜지스터, 또는 MOS 트랜지스터로서 구현된 MOS 다이오드이지만 3개 단자가 아닌 2개 단자를 구비한 MOS 다이오드)이다. 버랙터가 적절히 바이어싱되면, 이 버랙터의 소스 영역 또는 드레인 영역은 저장 노드에서 버랙터 커패시턴스를 제공한다.
바람직한 실시예들에서, 본 발명의 셀은 드레인이 저장 노드인 NMOS 트랜지스터로서 구현된 버랙터를 포함한다. 바람직하게, 이 셀의 회로부는 게이트가 저장 노드에 결합된 소스 팔로워 트랜지스터를 포함하고, 셀의 출력 신호는 소스 팔로워 트랜지스터의 채널을 통한 (저장 노드에서의 전위를 가리키는) 전류이다. 동작동안, 버랙터는 바이어싱되어 버랙터 커패시턴스는 버랙터의 드레인 영역의 공핍된 확산 영역에 의해 물리적으로 생성된다. 이 경우에서의 셀을 판독하려면, (소스 팔로워 트랜지스터의 채널과 직렬로 접속된 채널을 갖는) 비트 선택 트랜지스터를 턴온하여 외부 회로(예를 들어, 열 라인에 의해 셀에 결합된 외부 회로)로 하여금 소스 팔로워 트랜지스터의 채널을 통해 흐르는 (저장 노드의 전위를 가리키고 이에 따라 저장 노드에서 축적된 노출 전하를 가리키는) 전류를 감지할 수 있게 한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 (저장 노드에 결합된 집적 버랙터를 포함하는) 본 발명의 액티브 픽셀 센서 셀의 임의의 실시예를 이용하여 광다이오드 부노출 간격들의 시퀀스동안 저장 노드에서 버랙터 커패시턴스를 충전하는 것을 포함하는 것을 포함하며 (저장 노드 상의 전하 또는 저장 노드의 전위를 가리키는) 노출 신호를 생성하는 방법에 관한 것이다. 부노출 간격들은 전체 광다이오드 노출 간격의 부간격들이다.
본 발명의 다른 양태는, 저장 노드와, 제 1 노드를 구비하는 적어도 하나의 광다이오드와, 제 1 노드와 저장 노드 간에 결합된 집적 버랙터를 포함하는 액티브 픽셀 센서 셀을 판독하는 방법으로서, 이 방법은, N개의 부노출 간격들을 포함하는 노출 간격동안 광다이오드를 광자에 노출하는 단계 - 여기서는 2≤N (N은 전형적으로 100 초과함)으로 제 1 노드에서 부노출 전하들의 시퀀스를 축적하며, 부노출 전하들의 각각은 광다이오드에서의 광 발생으로 인해 부노출 간격들중 상이한 하나의 부노출 간격동안 제 1 노드에서 축적됨 - 와, 리셋 간격들의 시퀀스의 각각동안 광다이오드를 리셋하는 단계 - 리셋 간격의 각각은 부노출 간격들의 상이한 하나의 부노출 간격 전에 발생함- 와, 노출 간격동안 저장 노드에서 축적된 노출 전하를 가리키는 출력 신호를 표명하는 단계 - 여기서, 노출 전하는 모든 부노출 전하들의 합을 가리킴 - 를 포함한다. 전형적인 실시예에서, 셀은 제 1 노드에서 제 1 커패시턴스를 갖고, 버랙터는 저장 노드에서 버랙터 커패시턴스를 제공하며, 버랙터 커패시턴스는 제 1 커패시턴스보다 매우 크다. 일부 실시예에서, 광다이오드는 암 전류 시간을 갖고, 리셋 간격들의 각각은 부노출 간격들의 각각은 암 전류 시간보다 훨씬 적은 지속 시간을 갖는다. 다른 실시예에서, 광다이오드는 암 전류 시간을 갖고, 리셋 간격들의 각각은 암 전류 시간보다 훨씬 적은 지속 시간을 갖고, 부노출 간격들의 각각은 암 전류 시간보다 적은 지속 시간을 갖는다. 일부 실시예에서, 셀은 저장 노드와 채널에 결합된 게이트를 구비하는 소스 팔로워 트랜지스터, 및 소스 팔로워 트랜지스터의 채널과 직렬로 접속된 채널을 구비하는 비트 선택 트랜지스터를 포함하고, 출력 신호를 표명하는 단계는 제어 신호를 비트 선택 트랜지스터의 게이트에 표명하여 비트 선택 트랜지스터를 턴온하는 단계를 포함하고, 이에 따라 노출 전하를 가리키는 전류가 비트 선택 트랜지스터의 채널과 소스 팔로워 트랜지스터의 채널을 통해 흐를 수 있다.
일부 실시예에서, 본 발명의 셀은 하나 초과의 광다이오드(예를 들어, 적색 파장의 광자를 수용하는 광다이오드, 청색 파장의 광자를 수용하는 다른 광다이오드, 및 녹색 파장의 광자를 수용하는 제3 광다이오드), 및 각 다이오드에 대하여 집적 버랙터와 리셋 회로부를 포함한다. (전형적으로 각 광다이오드에 대하여 소스 팔로워 트랜지스터를 포함하는) 출력 회로부가 포함되어 노출 간격동안 광다이오드를 광자에 노출하고 노출 간격동안 광다이오드를 여러 번 리셋하며 (노출 간격 후) 노출 간격동안 광다이오드에서 발생한 광전하량을 가리키는 (노출 간격의 종료시 저장 노드에 축적된 전하에 의해 결정된) 신호를 판독하는 본 발명에 따라 각 광다이오드가 판독될 수 있게 한다.
본 발명의 또다른 양태는 셀들의 어레이를 포함하는 이미지 센서로서, 그 셀들의 각각은 본 발명의 액티브 픽셀 센서 셀의 일 실시예이다. 전형적으로, 이러한 이미지 센서의 셀들은 셀들의 행렬로 배열되고, 셀들의 각 열은 상이한 열 라인에 결합되고, 각 행의 셀들은 상이한 열 라인들에 결합되며, 모든 열 라인들은 (예를 들어, 제 1 행에서의 모든 셀들을 동시에 판독한 후, 다른 행에서의 모든 셀들을 동시에 판독하여, 계속하여 모든 행들이 판독될 때까지 같은 방식으로 행함으로써) 노출 간격 후 어레이의 모든 셀들을 판독하는 판독 회로부에 결합된다. 선택 사항으로서, 이미지 센서는 증폭 회로부 및/또는 판독 회로부의 아날로그 출력을 감지된 이미지 각각을 가리키는 적어도 하나의 비트 스트림(예를 들어, 디지털 스틸 이미지 데이터 또는 디지털 비디오 데이터)으로 변환하도록 아날로그 대 디지털 변환 회로부와 같은 추가 소자들을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 본 발명의 액티브 픽셀 센서 셀은 집적 회로로서 구현되고, 본 발명의 액티브 픽셀 센서 셀들의 어레이를 포함하는 이미지 센서도 집적 회로로서 구현된다.
도 1 은 종래의 액티브 픽셀 센서 셀의 개략적인 도.
도 2는 본 발명의 액티브 픽셀 센서 셀의 일 실시예의 개략적인 도.
도 3은 각 셀이 본 발명의 액티브 픽셀 센서 셀의 일 실시예인 액티브 픽셀 센서 셀들의 M×N 어레이를 포함하는 이미지 센서의 간략화된 블록도.
본 발명의 액티브 픽셀 센서 셀(도 2에서 셀(200)으로 식별함)의 일 실시예를 도 2를 참조하여 설명한다. 액티브 픽셀 센서 셀(200)은, (노드 B에 결합된 제 1 단자와 접지된 제 2 단자를 갖는) 광다이오드(212)와, 소스가 노드 B에 접속되고 동작시 드레인이 전위(Vdd)로 유지되는 NMOS 리셋 트랜지스터(214)와, 드레인이 노드 B에 결합되고 소스가 노드 C에 결합된 NMOS 트랜지스터(220)(때때로 본 명세서에서 집적 버랙터(220)라 칭함)와, 게이트가 노드 C에 접속되고 동작시 드레인이 전위(Vdd)로 유지되는 NMOS 센스 트랜지스터(216)(소스 팔로워 증폭기 트랜지스터)와, 드레인이 센스 트랜지스터(216)의 소스에 접속된 NMOS 비트 선택 트랜지스터(218)를 포함한다. 트랜지스터(218)의 소스는 비트 라인에 결합된다. 전형적으로, 셀(200)이 행렬을 따라 배열된 셀들의 어레이의 하나의 소자인 경우, 비트 라인이 열 라인이고 어레이 판독 회로부(도시하지 않음)가 열 라인에 결합된다. 트랜지스터(218)의 게이트는 제어 비트(CTL)를 수신하도록 결합된다. 전형적으로 (예를 들어, 셀(200)이 행렬을 따라 배열된 셀들의 어레이의 하나의 소자인 경우), 제어 비트(CTL)는 셀(200)을 포함하는 센서 셀들의 행을 선택하도록 고 펄스 인가되는 행 선택 비트이다.
본 발명의 셀의 구조의 많은 변경을 고려할 수 있다. 예를 들어, NMOS 트랜지스터(214)가 아닌 리셋 회로부를 노드 B에 결합할 수 있다. 예를 들어, 리셋 회로부는 PMOS 트랜지스터 또는 노드 B에 결합된 채널 단자(예를 들어, 소스 또는 드레인)를 갖는 다른 트랜지스터를 포함할 수 있다. 또다른 예로, NMOS 센스 트랜지스터(216) 및 NMOS 비트 선택 트랜지스터(218)가 아닌 회로부(예를 들어, PMOS 트랜지스터들 또는 다른 트랜지스터들)를 노드 C에 결합하여 적절한 시간에 비트 라인에 대하여 (노드 C에서의 전위 또는 Vcap 상의 전하를 가리키는) 출력 신호를 표 명하는데 사용할 수 있다.
도 3은 액티브 픽셀 센서 셀들의 M x N 어레이를 포함하는 이미지 센서의 간략화된 블록도이다. 셀들은 행렬로 배열되고, 셀들(300, 301, 303)을 포함하는 제 1 행의 셀들과, 셀들(400, 401, 403)을 포함하는 셀들의 제 2 행과, 셀들(500, 501, 503)을 포함하는 N번째 행의 셀들을 포함한다. 도 3의 센서의 각 셀은 본 발명의 액티브 픽셀 센서 셀의 일 실시예이다(예를 들어, 이 셀들의 각각은 도 2의 셀(200)과 동일할 수 있다). 상이한 열 라인이 도 3 센서의 셀들의 각 열에 결합되고, 판독 회로부(600)가 열 라인들에 결합된다. 예를 들어, 셀들(300, 400, 500)은 열 라인(CL1)에 결합되고, 셀들(301, 401, 501)은 열 라인(CL2)에 결합되며, 셀들(303, 403, 503)은 열 라인(CLM)에 결합된다. (다중 부노출 간격들을 포함하는) 노출 간격의 종료시 센서를 판독하려면, 회로부(600)는 행들이 순차적으로 선택되는 동안 열 라인들(각각은 셀들의 선택된 하나의 행의 상이한 셀로부터 전류를 출력함)의 각각 상의 출력 전류(예를 들어, 각 셀이 도 2의 셀(200)과 동일한 경우 비트 선택 트랜지스터(218)의 채널을 통해 흐르는 전류)를 감지한다. 예를 들어, 판독 동안, 행 선택 비트(RS1)(그러나, 다른 행 선택 신호는 없음)를 표명하여 제 1 행을 선택하고, 이후 행 선택 비트(RS2)(그러나, 다른 행 선택 신호는 없음)를 표명하여(예를 들어, 고 펄스를 가하여) 제 2 행을 선택하고, 이후 (존재하는) 셀들의 다른 행 각각을 선택하며(한번에 하나의 행씩 선택하고), 마지막으로 행 선택 비트(RSN)(그러나, 다른 행 선택 신호는 없음)를 표명하여 N번째 행을 선택한다. 전형적으로, 판독 회로부(600)는 증폭 회로부를 포함하고 선택 사항으로 서 각 열 라인용으로 생성된 아날로그 출력을 비트 스트림으로 변환하는 아날로그 대 디지털 변환 회로부도 포함한다.
일부 실시예에서, 본 발명의 셀은 (동작 동안) 암 전류로 알려진 유형의 누설 전류를 겪는 광다이오드를 포함하고, 이러한 광다이오드는 본 명세서에서 "암 전류 시간"이라 칭하는 특징적 시간을 갖는다. 예를 들어, 광다이오드(202)는 도 2의 셀(200)의 동작 동안 암 전류를 겪고, 광다이오드(202)의 각 구현예는 특징적 암 전류 시간을 갖는다. 이러한 광다이오드가 리셋되어 자신의 단자들에 걸쳐 소정의 전압(V)을 갖게 되고 이후 다른 단자가 기준 전위로 유지되는 동안 광다이오드의 제 1 단자가 부동(float)할 수 있으면, 암 전류 시간은 암 전류로 인해 광다이오드에 걸친 전압이 fV로 저감되는 시간이고, 여기서 f는 0.80 < f < 0.90 범위의 소정의 인자이다. 전형적으로, 이 인자(f)는 0.85와 (실질적으로 같거나) 같다.
일부 실시예에서, 셀(200)은 이하의 의미에서 AC 모드에서 동작한다. 광다이오드(212)가 노출 간격동안 광자에 노출되는 한편 광다이오드(212)는 노출 간격동안 여러 번 리셋된다. 노출 간격 후, 노출 간격동안 광다이오드에서 발생한 광전하량을 가리키는 (노출 간격의 종료시 버랙터 상에 저장된 전하에 의해 결정된) 신호를 판독한다. 이러한 실시예에서, 셀(200)의 동작은 (2≤N) + I개의 단계를 포함하며, 여기서 N은 정수(전형적으로 큰 정수, 예를 들어, N = 1000 또는 10,000)이고, 이러한 단계들은 신호 판독 단계가 뒤따르는 2단계 시퀀스(부노출 단계가 뒤따르는 리셋 단계)의 N번 수행을 포함한다.
선택 사항으로서, 광다이오드(212)가 리셋되지만 광자에 노출되지는 않는 예비 판독 동작이 존재하고, 이후 노드 C에서의 전위용으로 충분한 간격동안 트랜지스터(214)를 턴오프하여 노드 B에서의 전위(VR-VT)와 매칭한다. 이후, 높은 값을 갖는 제어 비트(CTL)를 트랜지스터(218)의 게이트에 표명하여 트랜지스터(218)를 턴온하여 트랜지스터(216, 218)의 채널들을 통해 (전형적으로 열 라인인) 비트 라인에 결합되지만 도시하지 않은 판독 회로부로 전류가 흐르게 함으로써 셀(200)을 예비 판독한다. 이 판독 회로부는 이 전류로부터 값(VR-VT)을 결정한다.
(예비 판독 동작을 수행한다면) 이러한 예비 판독 동작 후에, 각 리셋 단계의 지속 시간은 광다이오드의 암 전류 시간보다 훨씬 적으며, 각 부노출 단계의 지속 시간은 광다이오드의 암 전류 시간보다 적다(바람직하게는, 훨씬 적다). 전형적인 구현예에서, 광다이오드(220)의 암 전류 시간은 밀리초의 단위를 갖고, 각 부노출 단계는 밀리초의 단위를 갖고, 각 리셋 단계는 각 부노출 단계보다 적은(예를 들어, 훨씬 적은) 지속 시간을 갖는다. 이러한 구현예에서, 셀은 (노출 간격동안 적어도 2인 N개의 부노출 단계들을 수행한다면) 임의의 지속 시간의 노출 간격으로 정밀하게 동작할 수 있다. 예를 들어, 셀은 1 밀리초(N=103인 경우), 10밀리초(N=104인 경우), 1초(N=106인 경우), 또는 10초(N=107인 경우)인 노출 간격으로 정밀하게 동작할 수 있다. 다른 전형적인 구현예에서, 각 부노출 단계는 10-x초(여기서, 5≤x≤8, x의 특정값은 이용하는 광다이오드의 암 전류 시간에 의존함)의 지 속 시간을 갖고, 각 리셋 단계는 각 부노출 단계보다 적은(예를 들어, 훨씬 적은) 지속 시간을 갖는다.
각 리셋 단계동안, VR의 크기(예를 들어, VR=5볼트) 및 지속시간(Tr)을 갖는 리셋 전압 펄스를 트랜지스터(214)의 게이트(도 2의 노드 A)에 표명하여 트랜지스터(214)를 턴온한다. 이에 응답하여, 광다이오드(212)는 자신의 단자들 간에 초기 전압(VR-VT)으로 충전된다는 점에서 리셋되며, 여기서 VT는 트랜지스터(214)의 임계 전압이다. 전형적으로, 각 리셋 단계의 지속 시간(Tr은 매우 짧음)은 뒤따르는 부노출 단계의 지속 시간에 비하여 매우 짧다. 각 부노출 단계동안, 광다이오드(212)에 입사하는 광자는 전하로 변환되고, 광다이오드(212)가 입사 광자에 노출되는 동안 광전하는 광다이오드(212)의 제 1 단자로 이동하고, 이에 따라 바로 전의 리셋 단계동안 제 1 단자에 존재하는 초기 전하를 저감한다. 트랜지스터(214)의 게이트는 각 부노출 단계동안 접지 전위로 유지된다. 신호 판독 단계에서, 광전하를 가리키는 신호를 (즉, 트랜지스터(216, 218)의 채널들을 통한 전류로서) 판독한다.
따라서, 광다이오드(212)를 판독하려면, (광다이오드(212)가 N번(N은 큰 수임) 리셋되는) 노출 간격동안 광다이오드(212)를 광자에 노출한 후 그 노출 간격동안 광다이오드에서 발생한 광전하를 가리키는 신호를 판독한다. 각 부노출 단계는 노출 간격의 부간격동안 발생한다. 전체 노출 간격은 지속 시간(NT)을 갖고, 여기서 T는 각 부노출 단계의 지속 시간이며, N은 수행된 부노출 단계들의 수이다.
각 부노출 단계동안, 광다이오드(212)에 충돌하는 광자는 전자 정공 쌍들을 생성한다. 그 결과 발생하는 광전하는 광다이오드(212)의 단자들로 이동한다. 광다이오드(212)는 새롭게 형성된 전자 정공 쌍들의 재결합을 제한하도록 설계되고, 이에 따라 광 정공들은 광다이오드(212)의 (접지된) 제 2 단자로 끌리고 광전자들은 광다이오드(212)의 제 1 단자로 끌린다. 제 1 단자에 도달하는 각 광전자는 광다이오드(212)에 걸친 전압을 저감한다.
N개의 리셋 간격들의 각각 및 N개의 부노출 간격들의 각각동안, 트랜지스터(214, 218)는 턴오프되고 트랜지스터(220)는 바람직하게 부임계(subthreshold)로 동작한다. 트랜지스터(220)의 전형적인 구현예는 그 트랜지스터의 게이트를 접지보다 높은 전위(0.2볼트≤VG≤0.3볼트)로 유지함으로써 부임계에서 동작한다.
트랜지스터(220)는 노드 C와 접지 간에 (도 2에서 Vcap로 식별된) 커패시턴스를 제공한다. 바람직하게, 이 커패시턴스는 트랜지스터(220)의 드레인 영역의 공핍된 확산 영역에 의해 물리적으로 생성된다. 트랜지스터(220)와 분리되어 구별되는 셀(200)에서의 커패시터를 구현할 필요 없이 셀(200)에서의 노드 C와 접지 간의 커패시턴스(Vcap)를 바람직하게 제공하는 것을 이해할 수 있다.
다음의 설명에서, 트랜지스터(220)는 전체 노출 간격동안 광다이오드(212)에 입사하는 광자 수를 가리키는 신호를 집적한다. 각 부노출 간격동안, 노드 C에서의 전위(트랜지스터(220)의 드레인)는 트랜지스터(220)와 관련된 시상수에 의해 결정된 속도로 (도 2에서 접지보다 높은 Vd로 식별된) 노드 B에서의 전위에 근접한다. 이 시상수는 (전형적으로 트랜지스터(220)의 드레인 영역의 공핍된 확산 영역의 특징들에 의해 결정되는) 노드 C에서의 커패시턴스에 의해 결정된다. 그러나, 각 리셋 간격동안, 노드 C에서의 전위는 크게 변하지 않는다. 그 이유는, (전형적으로 리셋 간격동안 노드 B에서의 전위가 크게 변함에도 불구하고) 리셋 간격동안 노드 C에서의 전위가 크게 변경되는데 시간이 불충하도록 각 리셋 간격의 지속 시간을 충분히 짧게 제어하기 때문이다. 전체 노출 간격 내에 충분한 수의 부노출 간격들이 존재하며 이에 따라 (최종 부노출 간격의 종료시) 노드 C에서의 전위는 소정의 허용가능한 에러 마진 내에서 (최종 부노출 간격의 종료시) 노드 B에서의 전위와 매칭한다.
셀(200)이 이전 단락에서 상술한 바와 같은 방식으로 동작하려면, 트랜지스터(220) 및 광다이오드(212)는 (광다이오드(212)에 의해 결정된) 노드 B에서의 커패시턴스가 노드 C에서의 커패시턴스(Vcap)보다 훨씬 적도록 구현 (및 동작하는 동안 바이어싱)된다. 따라서, 셀(200)의 연속 동작은, (전형적으로 트랜지스터(220)에 의해 결정된) 노드 C에서의 커패시턴스(Vcap)와 관련된 시상수와 노드 B에서의 커패시턴스(광다이오드(212)의 커패시턴스)와 관련된 시상수 간의 적절한 관계, 및 광다이오드의 암 전류 시간에 의존한다.
리셋 트랜지스터(214)의 게이트에 표명된 리셋 펄스 시퀀스의 각 리셋 펄스는 각 리셋 간격이 각 부노출 간격의 지속 시간(Te)보다 훨씬 적은 지속 시간(Tr)을 갖도록 지속 시간(Tr)을 갖고, 노드 C에서의 전위는 (리셋 간격의 시작시 그 값보다 높은) 각 리셋 간격동안 크게 상승하지 않는다. 집적 버랙터(220) 및 광다이오드(212)가 구현되며, 노출당 각 부노출 간격의 지속 시간(Te) 및 노출당 부노출 간격들의 수가 선택되고, 이에 따라 노드 C에서의 전위는 각 부노출 간격동안 충분히 감소되고, 최종 부노출 간격의 종료시, 노드 C에서의 전위는 노드 B에서의 전위와 크게 다르지 않다. 다시 말하면, 모든 부노출 간격들에 걸쳐, 집적 버랙터(220)는 최종 부노출 간격의 종료시 노드 C에서의 전압을 노드 B에서의 전위와 동일하거나 (대략 동일한) 값으로 펌핑한다. 최종 부노출 간격의 종료시 버랙터(220)의 넓은 영역 드레인 커패시턴스(Vcap) 상에 저장된 전체 전하는 개별적인 각 부노출 간격의 시작시 광다이오드(212)에 저장된 전하보다 많다.
n번째 리셋 간격의 시작시 노드 C에서의 전위가 Vn이고 이러한 리셋 간격의 종료시 노드 C에서의 전위가 Vn+△n이면, 각 리셋 간격에 대하여 ｜△n｜이 ｜Vn｜보다 훨씬 적도록 셀(200)을 구현할 수 있다. 각 리셋 간격의 종료시 (및 이에 따라 각 부노출 간격의 시작시) 노드 B에서의 전위는 VR-VT이다. 각 부노출 간격의 종료시 노드 B에서의 전위가 VR-VT-VS이고 최종 부노출 간격의 종료시 노드 C에서의 전위가 VR-VT-VS-△V이면, ｜△V｜가 ｜VR-VT-VS｜보다 훨씬 적도록 셀(200)을 구현할 수 있다. 따라서, 최종 부노출 단계의 종료시(즉, 노출 간격의 종료시) 트랜지스터(216)의 게이트 대 소스 전압이 소정의 에러 마진 내에서 VR-VT-VS이도록 셀(200)을 구현할 수 있고, 여기서 VS는 모든 부노출 단계동안 광다이오드(212)의 제 1 단 자에 도달하는 광 캐리어로 인한 전압 변화를 나타낸다.
최종 부노출 단계후의 판독 단계동안, 트랜지스터(218)의 게이트에 대하여 높은 값을 갖는 제어 비트(CTL)를 표명하여 트랜지스터(218)를 턴온함으로써 셀(200)을 판독한다(리셋 및 부노출 단계들 동안 트랜지스터(218)는 턴오프된다). 이때, 노드 C에서의 전위(센스 트랜지스터(216)의 게이트)는 노드 B에서의 전위와 (소정의 에러 마진 내에서) 동일하다. (접지보다 높은) 노드 B에서의 전위 및 이에 따른 센스 트랜지스터(216)상의 게이트 대 소스 전압은 VR-VT-VS이기 때문에, 트랜지스터(216, 218)의 채널들을 통해 흐르는 전류의 크기는 VR-VT-VS 이다. 도시하지는 않았지만 비트 라인(전형적으로 열 라인임)에 결합된 판독 회로부는, 차이(VS = ((VR-VT)-(VR-VT-VS)))를 결정함으로써, (트랜지스터(216, 218)의 채널들을 통해 흐르는 전류로부터) 노출 간격동안 광다이오드에 입사하는 광자들의 수를 가리키는 값(VS)을 결정할 수 있고, 여기서 (VR-VT)는 노출 간격의 시작시 트랜지스터(216)의 게이트 대 소스 전압이다. 상술한 타입의 예비 판독 단계에 의해 값(VR-VT)을 결정할 수 있다.
최종 부노출 간격 후에 (그러나 판독 단계 전에), 버랙터(220)의 게이트에 인가된 전압(VG)은 상당히 증가한다. 산화물 및 폴리 에지 프린징 필드(poly edge fringing field)를 통해 집적 노드(노드 C)에 결합된 이러한 인가된 게이트 유도 수직 필드로 인해, 버랙터(220)의 드레인 영역의 공핍된 확산 영역은 더 공핍된다. 그 결과, 노드 C 및 접지 간의 커패시턴스(Vcap)는 저감되고, 노드 C에서의 전위는 (최종 부노출 간격의 종료시 노드 B에서의 전위에 보다 가깝게 근접하도록) 상승한다. 이러한 방식으로, 판독 단계동안 (트랜지스터(216, 218)의 채널들을 통한) 전류 신호를 크게 한다.
버랙터 커패시턴스(Vcap)는, 판독 단계 후에, 예를 들어, 충분히 높은 전압(VG)을 버랙터(220)의 게이트에 인가하여 버랙터(220)를 완전히 턴온하고, 리셋 트랜지스터(214)를 턴오프하며, (예를 들어, 광다이오드(212)내에서 노드 C로부터 노드 B로의 전류 흐름 및 노드 B로부터 그라운드로의 암 전류 흐름의 결과로) 커패시턴스(Vcap)가 광다이오드(212)를 통해 그라운드로 방전할 수 있게 함으로써 방전된다.
종래의 판독 회로부에서 사용하기 위한 전형적인 구현예에서는 비교적 낮은 값(예를 들어, 1 또는 2볼트)을 갖는 전위(Vdd)로 동작하는 것이다. 그 이유는 (종래의 액티브 픽셀 센서 셀들이 높은 Vdd 값으로 동작하면 암 전류로 인해 심각한 문제점을 겪기에) 종래의 액티브 픽셀 센서 셀들이 전형적으로 이렇게 비교적 낮은 Vdd 값으로 동작하기 때문이며, 종래의 판독 회로부가 전형적으로 이렇게 비교적 낮은 Vdd 값으로 동작하는 액티브 픽셀 셀들과 함께 사용하도록 설계되기 때문이다. 그러나, 본 발명에 따라 셀(200)이 설계되고 동작하여 Vdd 값의 저감이 아닌 다른 수단에 의해 암 전류 문제점을 줄이므로, 낮은 Vdd 값(예를 들어, 1 또는 2 볼트)이나 더 높은 Vdd 값으로 동작하도록 셀(200)을 구현할 수 있다(이러한 암 전류 저감은 본 발명의 중요 이점이다).
Vdd = 1 또는 2볼트와 함께 0.3 내지 2펨토패러드(femtoFarads) 범위에서 (노드 B에서의) 커패시턴스를 제공하는 광다이오드(212)와 함께 동작하도록 셀(200)을 구현하면, 셀(200)은 전형적인 넓은 영역의 드레인 커패시턴스(예를 들어, 제곱 마이크론당 1 펨포패러드) 및 적절한 크기를 갖는 NMOS 트랜지스터를 버랙터(220)로서 이용하여 노드 C에서의 필요로 하는 커패시턴스(Vcap)(노드 B에서의 커패시턴스보다 훨씬 큰 값(Vcap))를 얻을 수 있으며, 이러한 버랙터(220)의 구현예인 NMOS 트랜지스터는 전체 노출의 부노출 간격들동안 부임계 영역에서 자신의 게이트가 접지 전위보다 높은 0.2 내지 0.3볼트의 전위를 갖고서 동작한다.
본 발명의 액티브 픽셀 센서 셀의 다양한 실시예를 고려한다. 일반적으로, 본 발명의 셀에서의 각 광다이오드의 깊이(즉, 광다이오드의 p-n 접합의 깊이)는 광다이오드의 커패시턴스에 영향을 끼친다. 셀의 광다이오드의 커패시턴스는 바람직하게 그 셀에 대한 설계 제약에 의해 최소화된다. 한 가지 전형적인 설계 트레이드오프는 (보다 얕은 p-n 접합을 갖는 광다이오드에 의해 전형적으로 보다 빠른 판독이 가능한) 빠른 판독을 위한 필요성 대 해상도(특히 적색용 해상도)이다. 예를 들어, 적색 파장 범위에서의 가시 방사 검출이 그 셀의 사용 의도라면, 적색에 대한 최적의 감도에는 전형적으로 비교적 깊은 p-n 접합을 갖는 광다이오드를 필요로 한다.
광다이오드(212)에서의 광 자속 밀도가 부노출 간격들을 포함하는 노출 간격동안 시간에 따라 가변하면, (부노출 간격들중 상이한 간격들의 시퀀스의) 각 부노 출 간격의 종료시 (셀(200))의 노드 B에서의 전위는 상이한 값들의 시퀀스를 가질 수 있다. 그러나 이 경우에도, 최종 부노출 간격의 종료시 노드 C에서의 전위가 최종 부노출 간격의 종료시 노드 B에서의 전위와 매칭하지 않더라도, 최종 부노출 간격의 종료시 노드 C에서의 전위는 전체 노출 간격동안 광다이오드에서의 광전자들의 수(이에 따라 광다이오드에 입사하는 광자들의 수)를 가리킬 것이다.
전형적으로, 본 발명의 액티브 픽셀 센서 셀들의 행렬의 전체 어레이가 (많은 부노출 간격들을 포함하는) 전체 노출 간격동안 광자들에 노출되면, 그 어레이에서의 일부 셀들은 이 셀들의 Vcap상으로 집적된 상당한 전하를 갖고 이에 따라 암 셀들로서 판독되며, 그 어레이에서의 다른 셀들은 자신들의 Vcap상으로 집적된 훨씬 적은 전하(즉, 임계보다 적은 전하)를 갖고 이에 따라 명(bright) 셀들로서 판독된다.
셀(200)의 이점(및 본 발명의 액티브 픽셀 센서 셀의 적어도 일부 다른 실시예들의 이점)은 다음의 예를 포함한다. 즉, 보다 긴 노출 간격들이 가능하고 암 전류 누설 제한을 겪지 셀이 없어 이점을 갖는 예, 보다 작은 영역(즉, 광자들에 노출되는 보다 작은 영역)을 갖는 광다이오드가 구현될 수 있는 예, 및 광다이오드의 암 전류 누설량이 셀의 전체 동작보다 훨씬 덜 중요하므로 비싸지 않은 구현 공정을 이용하여 셀을 구현할 있는 예이다. (노출동안 입사 광자 자속 밀도가 일정하다고 가정할 때) 노출 결과로서 액티브 픽셀 센서 셀로부터 수신한 전체 정보는 (광자 자속 밀도)ㆍ(다이오드 영역)ㆍ(노출 시간)= 노출 동안 발생한 총 광전하를 가리킨다. 따라서, 본 발명의 셀은 종래의 셀보다 긴 노출 시간을 갖는 정밀한 결 과를 제공할 뿐만 아니라, 개선된(상승된) 최대 노출 시간은 다이오드 영역에서의 트레이드오프를 허용한다.
도 2의 실시예의 변형으로서, 트랜지스터(214, 216, 218, 220)의 일부 또는 전부를 적절히 바이어싱된 PMOS 트랜지스터들로 대체한다. 다른 실시예에서는, 트랜지스터(220)가 PMOS 트랜지스터 또는 NMOS 트랜지스터가 아닌 집적 버랙터로 대체된다. 예를 들어, 본 발명의 액티브 픽셀 센서 셀의 일부 실시예에서의 집적 버랙터는 MOS 트랜지스터가 아니라 적절히 바이어싱된 다이오드일 수 있다.
버랙터(220)를 MOS 트랜지스터로 구현하면, (셀(200)의) 노드 C에서의 커패시턴스(Vcap)는, 이 트랜지스터를 당업자에게 자명한 방식으로 원하는 크기(예를 들어, 게이트의 에지가 필요로 하는 길이를 갖게 함)로 구현함으로써 원하는 값으로 설정될 수 있다. (셀(200)의) 노드 B에서의 커패시턴스는, 바람직하게, 광다이오드(212)를 p형 반도체 물질 상부에 과도핑 n+층으로서 (CMOS 제조 기술을 이용하여) 구현함으로써 설정되며, 다른 설계 제약을 받는 광다이오드(212)의 커패시턴스를 최소화하도록 구현 파라미터를 선택하고, 다른 설계 제약에는, 광다이오드(212)가 필요로 하는 파장 범위의 전자기 방사에 대한 소정의 감도를 갖도록 하는 깊이(예를 들어, 충분히 얕은 깊이)를 p-n 접합이 갖추면서 고 광전자가 생성될 수 있고 이러한 전자가 적절한 광다이오드 단자로 이동할 수 있는 광다이오드(212)에서의 충분히 큰 부피를 얻도록 n+층과 p형 물질이 충분한 두께를 갖는 (그리고 p-n 접합이 적절히 배치되는) 제약이 포함된다.
상술한 실시예들의 변형으로서, 광다이오드를 다른 다양한 방식으로 (동작시 바이어싱하며) 구현한다. 예를 들어, 검출되는 광다이오드 전압을 결정하도록 노출동안 (전자가 아닌) 광 정공이 광다이오드로 이동하는 극성의 반도체 물질로 광다이오드를 구현할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 발명의 셀은 하나 초과의 광다이오드(예를 들어, 적색 파장의 광자를 수용하는 광다이오드, 청색 파장의 광자를 수용하는 광다이오드, 및 녹색 파장의 광자를 수용하는 제3의 광다이오드)와, 각 광다이오드에 대하여 집적 버랙터와 소스 팔로워 트랜지스터(그리고 선택 사항으로서 다른 소자들)를 포함한다. 각 광다이오드는, 노출 간격동안 광다이오드를 광자에 노출하고 노출 간격동안 광다이오드를 여러 번 리셋하며 (노출 간격 후) 노출 간격동안 광다이오드에서 발생한 광전하량을 가리키는 (노출 간격의 종료시 버랙터 상에 저장된 전하에 의해 결정된) 신호를 판독하는 본 발명에 따라 판독된다.

Claims (47)

  1. 액티브 픽셀 센서 셀로서,
    적어도 2개의 부노출 간격(subexposure intervals)을 포함하는 노출 간격동안 광자에 노출되도록 구성된 적어도 하나의 광다이오드와,
    상기 광다이오드에 결합된 리셋 회로부와,
    상기 광다이오드와 저장 노드 간에 결합되며, 상기 노출 간격동안 노출 전하가 상기 저장 노드에서 축적되도록 구성된 집적 버랙터를 포함하는
    액티브 픽셀 센서 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광다이오드는 제 1 노드를 갖고, 상기 버랙터는 상기 제 1 노드와 상기 저장 노드 간에 결합되며, 상기 셀은 상기 제 1 노드에서 제 1 커패시턴스를 갖고, 상기 버랙터는 상기 저장 노드에서 버랙터 커패시턴스를 갖고, 상기 버랙터 커패시턴스는 상기 제 1 커패시턴스보다 매우 큰
    액티브 픽셀 센서 셀.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 리셋 회로부는 리셋 간격들의 시퀀스의 각각동안 상기 광다이오드를 리셋하도록 구성되고, 상기 리셋 간격들의 각각은 부노출 간격들의 상이한 간격에 선행하고, 상기 광다이오드는 부노출 전하가 상기 부노출 간격들의 각각동안 상기 제1 노드에서 축적되도록 구성되며,
    상기 리셋 간격들은 상기 부노출 간격들에 비하여 충분히 짧고, 상기 버랙터 커패시턴스는, 상기 부노출 간격들중 최종 간격의 종료시 노출 전하가 모든 부노출 간격들동안 상기 제1 노드에서 축적된 부노출 전하들의 합을 가리키는 제1 커패시턴스에 비하여 충분히 큰
    액티브 픽셀 센서 셀.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광다이오드는 제1 노드를 갖고, 상기 리셋 회로부는 상기 제1 노드에 결합된 채널 단자를 갖는 MOS 트랜지스터이며, 상기 버랙터는 상기 제1 노드와 상기 저장 노드 간에 결합된
    액티브 픽셀 센서 셀.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 노드는 상기 광다이오드의 비접지 단자인
    액티브 픽셀 센서 셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장 노드와 출력 노드에 결합되며, 상기 출력 노드에서 상기 저장 노드의 전위를 가리키는 출력 신호를 표명하도록(assert) 구성된 출력 회로부를 더 포함하는
    액티브 픽셀 센서 셀.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 출력 회로부는 상기 저장 노드에 결합된 게이트를 갖는 MOS 트랜지스터를 포함하는
    액티브 픽셀 센서 셀.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장 노드와 출력 노드에 결합되며, 상기 출력 노드에서 상기 저장 노드 상의 전하를 가리키는 출력 신호를 표명하도록 구성된 출력 회로부를 더 포함하는
    액티브 픽셀 센서 셀.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 버랙터는 전계 효과 게이티드 접합 장치(a field effect, gated junction device)인
    액티브 픽셀 센서 셀.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광다이오드는 제1 노드를 갖고, 상기 리셋 회로부는 상기 제1 노드에 결합된 채널 단자를 갖는 트랜지스터이며, 상기 버랙터는 상기 제1 노드와 상기 저장 노드 간에 결합된 MOS 트랜지스터인
    액티브 픽셀 센서 셀.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 버랙터는 상기 버랙터의 소스 영역과 드레인 영역중 하나의 영역이 상기 저장 노드에서 버랙터 커패시턴스를 제공하도록 상기 셀의 동작 동안 바이어싱된
    액티브 픽셀 센서 셀.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 버랙터는, 상기 버랙터의 드레인 영역이 상기 저장 노드에서 버랙터 커패시턴스를 제공하도록 상기 셀의 동작동안 바이어싱된 NMOS 트랜지스터인
    액티브 픽셀 센서 셀.
  13. 액티브 픽셀 센서 셀을 이용하여 저장 노드 상의 전하 및 상기 저장 노드의 전위중 하나를 가리키는 노출 신호를 생성하는 방법으로서,
    상기 셀은 적어도 하나의 광다이오드와, 상기 광다이오드에 결합된 리셋 회로부와, 상기 광다이오드의 제1 노드와 상기 저장 노드 간에 결합된 집적 버랙터를 포함하고,
    상기 방법은,
    부노출 간격들의 시퀀스를 포함하는 노출 간격동안 상기 광다이오드를 광자들에 노출하는 단계와,
    리셋 간격들의 시퀀스의 각각동안 상기 광다이오드를 리셋하여 상기 리셋 간격들의 각각의 종료시 상기 광다이오드에 걸쳐 소정의 전압을 가하는 단계
    를 포함하고,
    상기 리셋 간격들의 각각은 상기 부노출 간격들 중 상이한 간격에 선행하고, 이에 따라 부노출 전하는 상기 부노출 간격들의 각각동안 상기 제1 노드에서 축적되고, 상기 저장 노드에서의 버랙터 커패시턴스는 상기 노출 간격동안 충전되는
    방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 셀은 상기 제1 노드에서 제1 커패시턴스를 갖고, 상기 버랙터는 저장 노드에서 버랙터 커패시턴스를 제공하며, 상기 버랙터 커패시턴스는 상기 제1 커패시턴스보다 훨씬 크고, 상기 리셋 간격들은 상기 부노출 간격들에 비하여 충분히 짧고, 상기 버랙터 커패시턴스는 상기 부노출 간격들의 최종 간격의 종료시 노출 전하가 모든 부노출 간격들동안 제1 노드에서 축적된 부노출 전하들의 합을 가리키는 상기 제1 커패시턴스에 비하여 충분히 큰
    방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 광다이오드는 암 전류 시간(dark current time)을 갖고, 상기 리셋 간격들의 각각 및 상기 부노출 간격들의 각각은 상기 암 전류 시간보다 훨씬 적은 지속 시간을 갖는
    방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 암 전류 시간은 상기 광 다이오드가 리셋되지 않으면 암 전류로 인해 광다이오드에 걸친 전압이 V로부터 fV로 저감되는 특징적 시간이고, 여기서 V는 소정의 전압을 가리키고 f는 0.85와 적어도 실질적으로 동일함을 가리키는
    방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 광다이오드는 암 전류 시간을 갖고, 상기 리셋 간격들의 각각은 상기 암 전류 시간보다 훨씬 적은 지속 시간을 갖고, 상기 부노출 간격들의 각각은 상기 암 전류 시간보다 적은 지속 시간을 갖는
    방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 암 전류 시간은 밀리초의 단위(on the order of a millisecond)를 갖고, 상기 부노출 간격들의 각각은 마이크로초 단위의 지속 시간을 갖고, 상기 리셋 간격들의 각각은 상기 부노출 간격들의 각각의 지속 시간보다 적은 지속 시간을 갖는
    방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 부노출 간격들의 시퀀스는 적어도 천 개의 상기 부노출 간격들을 포함하는
    방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 부노출 간격들의 시퀀스는 적어도 일백만의 부노출 간격들을 포함하는
    방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 암 전류 시간은 밀리초 단위를 갖고, 상기 부노출 간격들의 각각은 10-x초 단위의 지속 시간을 갖고, x의 범위는 5≤x≤8인
    방법.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 암 전류 시간은 상기 광 다이오드가 리셋되지 않으면 암 전류로 인해 광다이오드에 걸친 전압이 V로부터 fV로 저감되는 특징적 시간이고, 여기서 V는 소정의 전압을 가리키고 f는 0.85와 적어도 대략 동일함을 가리키는
    방법.
  23. 저장 노드와, 제1 노드를 갖는 적어도 하나의 광다이오드와, 상기 제1 노드와 상기 저장 노드 간에 결합된 집적 버랙터를 구비하는 액티브 픽셀 센서 셀을 판독하는 방법으로서,
    N개의 부노출 간격들의 시퀀스를 포함하는 노출 간격동안 상기 광다이오드를 광자들에 노출하는 단계 - 여기서 2≤N이고, 이에 따라 부노출 전하들의 시퀀스를 축적하고, 상기 부노출 전하들의 각각은 상기 광다이오드에서의 광 발생으로 인해 상기 부노출 간격들중 상이한 간격동안 상기 제1 노드에서 축적됨 - 와,
    리셋 간격들의 시퀀스의 각각동안 상기 광다이오드를 리셋하는 단계 - 상기 리셋 간격들의 각각은 상기 부노출 간격들중 상이한 간격에 선행함 - 와,
    상기 노출 간격동안 상기 저장 노드에 축적된 노출 전하를 가리키는 출력 신 호를 표명하는 단계
    를 포함하고,
    상기 노출 전하는 모든 부노출 전하들의 합을 가리키는
    방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    N은 100 초과인
    방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 광다이오드는 암 전류 시간을 갖고, 상기 리셋 간격들의 각각 및 상기 부노출 간격들의 각각은 상기 암 전류 시간보다 훨씬 적은 지속 시간을 갖는
    방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 광다이오드는 상기 리셋 간격들의 각각동안 리셋되어 상기 리셋 간격들의 각각의 종료시 상기 광다이오드에 걸쳐 소정의 전압을 가하며, 상기 암 전류 시 간은 상기 광 다이오드가 리셋되지 않으면 암 전류로 인해 광다이오드에 걸친 전압이 V로부터 fV로 저감되는 특징적 시간이고, 여기서 V는 소정의 전압을 가리키고 f는 0.85와 적어도 대략 동일함을 가리키는
    방법.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 광다이오드는 암 전류 시간을 갖고, 상기 리셋 간격들의 각각은 상기 암 전류 시간보다 훨씬 적은 지속 시간을 갖고, 상기 부노출 간격들의 각각은 상기 암 전류 시간보다 적은 지속 시간을 갖는
    방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 암 전류 시간은 밀리초 단위를 갖고, 상기 부노출 간격들의 각각은 마이크로초의 지속 시간을 갖고, 상기 리셋 간격들의 각각은 상기 부노출 간격들의 각각의 지속 시간보다 적은 지속 시간을 갖는
    방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    N ≥ 1000 인
    방법.
  30. 제 28 항에 있어서,
    N ≥ 1,000,000 인
    방법.
  31. 제 27 항에 있어서,
    상기 광다이오드는 상기 리셋 간격들의 각각동안 리셋되어 상기 리셋 간격들의 각각의 종료시 상기 광다이오드에 걸쳐 소정의 전압을 가하며, 상기 암 전류 시간은 상기 광 다이오드가 리셋되지 않으면 암 전류로 인해 광다이오드에 걸친 전압이 V로부터 fV로 저감되는 특징적 시간이고, 여기서 V는 소정의 전압을 가리키고 f는 0.85와 적어도 대략 동일함을 가리키는
    방법.
  32. 제 23 항에 있어서,
    상기 광다이오드는 암 전류 시간을 갖고, 상기 리셋 간격들의 각각은 상기 암 전류 시간보다 훨씬 적은 지속 시간을 갖고, 상기 부노출 간격들의 각각은 상기 암 전류 시간보다 적은 지속 시간을 갖고, 상기 셀은 상기 제1 노드에서 제1 커패시턴스를 갖고, 상기 버랙터는 상기 저장 노드에서 버랙터 커패시턴스를 제공하며, 상기 버랙터 커패시턴스는 상기 제1 커패시턴스보다 훨씬 더 큰
    방법.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 암 전류 시간은 밀리초의 단위를 갖고, 상기 부노출 간격들의 각각은 10-x초 단위의 지속 시간을 갖고, x의 범위는 5≤x≤8인
    방법.
  34. 제 23 항에 있어서,
    상기 셀은 소스 팔로워 트랜지스터 및 비트 선택 트랜지스터를 포함하고,
    상기 소스 팔로워 트랜지스터는 상기 저장 노드에 결합된 게이트 및 채널을 갖고,
    상기 비트 선택 트랜지스터는 상기 소스 팔로워 트랜지스터의 채널과 직렬로 접속된 채널을 갖고,
    상기 출력 신호를 표명하는 단계는, 상기 비트 선택 트랜지스터의 게이트에 제어 신호를 표명하여 상기 비트 선택 트랜지스터를 턴온하고, 이에 따라 상기 노출 전하를 가리키는 전류를 상기 비트 선택 트랜지스터의 채널과 상기 소스 팔로워 트랜지스터의 채널을 통해 흐르게 하는 단계를 포함하는
    방법.
  35. 액티브 픽셀 센서 셀들의 어레이를 포함하는 이미지 센서로서,
    상기 셀들의 각각은,
    적어도 2개의 부노출 간격을 포함하는 노출 간격동안 광자에 노출되도록 구성된 적어도 하나의 광다이오드와,
    상기 광다이오드에 결합된 리셋 회로부와,
    상기 광다이오드와 저장 노드 간에 결합되며, 상기 노출 간격동안 노출 전하가 상기 저장 노드에서 축적되도록 구성된 집적 버랙터를 포함하는
    이미지 센서.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 셀들은 셀들의 행(rows)과 열(columns)로 배열되고,
    상기 센서는,
    상기 셀들의 열들의 각각이 상기 열 라인들중 상이한 라인에 결합되고 상기 행들의 각각의 셀들이 상기 열 라인들의 상이한 라인들에 결합되는 한 세트의 열 라인들과,
    판독 회로부를 더 포함하고,
    상기 열 라인들이 상기 판독 회로부에 결합되고, 상기 판독 회로부는 노출 간격동안 상기 어레이의 모든 셀들을 판독하도록 구성된
    이미지 센서.
  37. 제 35 항에 있어서,
    상기 셀들의 각각에 있어서, 상기 광다이오드는 제1 노드를 구비하고, 상기 버랙터는 제1 노드와 저장 노드 간에 결합되며, 상기 셀은 제1 노드에서 제1 커패시턴스를 갖고, 상기 버랙터는 상기 저장 노드에서 버랙터 커패시턴스를 제공하며, 상기 버랙터 커패시턴스는 상기 제1 커패시턴스보다 훨씬 큰
    이미지 센서.
  38. 제 35 항에 있어서,
    상기 셀들의 각각에 있어서, 상기 리셋 회로부는 리셋 간격들의 시퀀스의 각각동안 상기 광다이오드를 리셋하도록 구성되고, 상기 리셋 간격들의 각각은 상기 부노출 간격들중 상이한 간격에 선행하고, 상기 광다이오드는 상기 부노출 간격들의 각각동안 상기 제1 노드에서 부노출 전하가 축적되도록 구성되며,
    상기 리셋 간격들은 상기 부노출 간격들에 비하여 충분히 짧고, 버랙터 커패시턴스는 부노출 간격들중 최종 간격의 종료시 노출 전하가 모든 부노출 간격들동안 제1 노드에서 축적된 부노출 전하들의 합을 가리키는 제1 커패시턴스에 비하여 충분히 큰
    이미지 센서.
  39. 제 35 항에 있어서,
    상기 셀들의 각각에 대하여, 상기 광다이오드는 제1 노드를 구비하고, 상기 리셋 회로부는 상기 제1 노드에 결합된 채널 단자를 구비하는 MOS 트랜지스터이며, 상기 버랙터는 상기 제1 노드와 상기 저장 노드 간에 결합된
    이미지 센서.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 셀들의 각각에 대하여, 상기 제1 노드는 상기 광다이오드의 비접지 단자인
    이미지 센서.
  41. 제 35 항에 있어서,
    상기 셀들의 각각은,
    상기 저장 노드와 출력 노드에 결합되며 상기 저장 노드의 전위를 가리키는 출력 신호를 상기 출력 노드에서 표명하도록 구성된 출력 회로부를 더 포함하는
    이미지 센서.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 셀들의 각각에 대하여, 상기 출력 회로부는 상기 저장 노드에 결합된 게이트를 구비하는 MOS 트랜지스터를 포함하는
    이미지 센서.
  43. 제 35 항에 있어서,
    상기 셀들의 각각은, 상기 저장 노드와 출력 노드에 결합되며 상기 저장 노드 상의 전하를 가리키는 출력 신호를 상기 출력 노드에서 표명하도록 구성된 출력 회로부를 더 포함하는
    이미지 센서.
  44. 제 35 항에 있어서,
    상기 셀들의 각각에 대하여, 상기 버랙터는 전계 효과 게이티드 접합 장치인
    이미지 센서.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 셀들의 각각에 대하여, 상기 광다이오드는 제1 노드를 구비하고, 상기 리셋 회로부는 상기 제1 노드에 결합된 채널 단자를 구비하는 트랜지스터이며, 상기 버랙터는 채널이 상기 제1 노드와 상기 저장 노드 간에 결합된 MOS 트랜지스터인
    이미지 센서.
  46. 제 44 항에 있어서,
    상기 셀들의 각각에 대하여, 상기 버랙터는, 상기 버랙터의 소스 영역과 드레인 영역중 하나가 상기 저장 노드에서 버랙터 커패시턴스를 제공하도록 동작동안 바이어싱된
    이미지 센서.
  47. 제 46 항에 있어서,
    상기 셀들의 각각에 대하여, 상기 버랙터는, 상기 버랙터의 드레인 영역이 상기 저장 노드에서 버랙터 커패시턴스를 제공하도록 동작동안 바이어싱된 NMOS 트랜지스터인
    이미지 센서.
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