KR20070035906A - 시모스 이미지센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 넓은 다이나믹 범위로 동작하기 위한 시모스 이미지센서의 특성을 향상시킬 수 있도록 플로팅노드가 바이어스 전압에 유동적으로 동작할 수 있는 시모스 이미지센서를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 포토다이오드; 플로팅노드; 상기 플로팅노드에 인가된 전하량을 제거하기 위한 리셋트랜지스터; 상기 포토다이오드에서 전달되는 상기 플로팅노드에 선택적으로 전달하기 위한 전달트랜지스터; 상기 플로팅노드에 인가된 전하량에 대응하여 드라이빙하기 위한 드라이빙 트랜지스터; 상기 플로팅노드에 일측단이 접속되며, 타측단에 인가되는 바이어스에 따라 캐패시턴스가 변화하는 가변 캐패시터; 및 상기 플로팅노드와 상기 드라이빙트랜지스터의 사이를 선택적으로 연결하기 위한 스위치를 구비하는 시모스 이미지센서를 제공한다.

시모스 이미지센서, 캐패시터, 스위치, 전하.

Description

시모스 이미지센서{CMOS IMAGE SENSOR}

도1은 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 회로도.

도2와 도3은 도1에 도시된 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 동작을 나타내는 파형도.

도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서를 나타내는 회로도.

도5 내지 도8은 도4에 도시된 시모스 이미지센서의 동작을 나타내는 파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

Tx : 전달트랜지스터 Dx : 드라이빙 트랜지스터

Rx : 리셋트랜지스터 Sx : 선택 트랜지스터

본 발명은 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 시모스 이미지센서의 동작 범위의 특성 향상에 관한 발명이다.

일반적으로 반도체 장치중 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 대표적인 이미지센서 소자로는 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)와 시모스 이미지센서를 들 수 있다.

그 중에서 전하결합소자는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 시모스 기술을 이용하여 각 화소(pixel)수에 대응하는 모스 트랜지스터(통상적으로 4개의 모스트랜지스터)를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력하는 소자이다.

도1은 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 회로도로서, 특히 픽셀어레이에 배치되는 하나의 픽셀에 대한 회로도이다. 도2와 도3은 도1에 도시된 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 동작을 나타내는 파형도이다.

도1에 도시된 바와 같이 하나의 픽셀은 포토다이오드(PD)와, 전달트랜지스터(Tx)와, 리셋트랜지스터(Rx)와, 드라이빙 트랜지스터(Dx)와, 선택트랜지스터(Sx)를 구비한다. 여기서 캐패시터(Cap1)는 플로팅노드에 자연스럽게 생기는 캐패시터이며, 캐패시터(Cap2)는 추가적으로 생성하는 캐패시터이다.

외부에서 입사된 빛에 대응하는 전하량을 포토다이오드(PD)가 전달하면 전달트랜지스터(Tx)를 거쳐서 플로팅노드(FD)에 전달되고, 플로팅노드(FD)에 전달된 전하에 따라 드라이빙 트랜지스터(Dx)가 소스단을 드라이빙 하게 된다. 선택 트랜지 스터(Sx)가 턴온되면 출력신호(Output)가 출력된다.

종래에는 플로팅노드(FD)로 포토다이오드에서 전달되는 전하가 완전히 전달될 수 있도록 높은 캐패시턴스를 가지는 MIM 캐패시터(Cap2)를 추가하여 만들게 된다

그리고 이 MIM 캐패시터(Cap2)는 도2에 도시된 바와 같이 캐패시터에 가해지는 바이어스에 따라 거의 변화가 없게 된다.

이 경우 플로팅노드에 전하가 전달되고 방전되고 하는 동작에서 플로팅노드의 스윙 레인지(swing range)는 도3에 도시된 바와 같이, Vswing 정도의 값을 가지게 된다. 이 값은 MIM 캐패시터(Cap2)가 바이어스 변화에 일정한 캐패시턴스를 가지기 때문에 주어지는 값이다.

이렇게 플로팅노드에 동작하는 범위가 Vswing 정도 고정되면, 자동차의 라이트등 인텐스티(intensity)차이가 큰 환경에 요구되는 넓은 다이나믹 범위로 동작하는 시모스 이미지센서의 제품 개발에는 한계가 따르게 된다.

본 발명은 넓은 다이나믹 범위로 동작하기 위한 시모스 이미지센서의 특성을 향상시킬 수 있도록 플로팅노드가 바이어스 전압에 유동적으로 동작할 수 있는 시모스 이미지센서를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명은 포토다이오드; 플로팅노드; 상기 플로팅노드에 인가된 전하량을 제거하기 위한 리셋트랜지스터; 상기 포토다이오드에서 전달되는 상기 플로팅노드에 선택적으로 전달하기 위한 전달트랜지스터; 상기 플로팅노드에 인가된 전하량에 대응하여 드라이빙하기 위한 드라이빙 트랜지스터; 상기 플로팅노드에 일측단이 접속되며, 타측단에 인가되는 바이어스에 따라 캐패시턴스가 변화하는 가변 캐패시터; 및 상기 플로팅노드와 상기 드라이빙트랜지스터의 사이를 선택적으로 연결하기 위한 스위치를 구비하는 시모스 이미지센서를 제공한다.

본 발명은 시모스 이미지센서의 다이나믹 레인지를 획기적으로 증가시키기 위해 픽셀의 플로팅노드로 들어가는 모스 캐패시터가 버랙트(varactor) 특성을 가져 바이어스 변화에 대해 캐패시턴스가 변화하는 특성을 이용하는 기술이다.

전달 트랜지스터를 턴온시키고 포토다이오드의 전하를 전달시킬 때 버랙트(varactor) 특성을 가지는 모스 캐패시터의 캐패시터 용량을 크게 해서 전하 분배현상을 방지하면서 포토다이오드의 전하를 플로팅노드로 완전히 전달하고, 이후 전달 트래지스터가 턴오프되고, 플로팅노드에 형성된 모스 캐패시터의 바이어스를 플로팅노드의 캐패시터 용량이 감소되는 방향으로 가하여 플로틴노드의 동작 스윙 레인지를 크게 할 수 있도록 픽셀의 회로를 구현한 발명이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서를 나타내는 회로도로서, 특히 한 픽셀의 회로를 나타낸 회로도이다.

본 실시예에 따른 시모스 이미지센서는 플로팅노드에 배치되느 MIM 모스 캐패시터(MOS capacitor)를 튜닝 레인지(tunning range)가 큰 모스 캐패시터를 적용하여 전하 전송시에는 높은 캐패시턴스를 유지하고, 전하 전송이 완료되면 모스 캐패시터의 캐패시턴스를 감소시켜 스윙레인지를 크게 증가시킬 수 있게 하는 것이 핵심원리이다. 이는 전하분배 현상도 완벽히 제거할 수 있는 기술이다.

도4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 픽셀도 포토다이오드(PD)와, 전달트랜지스터(Tx)와, 리셋트랜지스터(Rx)와, 드라이빙 트랜지스터(Dx)와, 선택트랜지스터(Sx)를 구비하고, 플로팅노드에 배치되는 캐패시터는 MIM 캐패시터 대신에 MOS 캐패시터를 사용한고, 추가적으로 스위치(switch)를 구비하고 있다. 스위치는 모스트랜지스터를 이용하여 형성한다.

본 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 플로팅노드의 배치되는 캐패시터는 튜닝 레인지(tunning range)가 크고, 바이어스에 따라 캐패시턴스가 Cmax에서 Cmin으로 변화하는 특성을 가지는 모스 캐패시터를 적용하기 때문에, 전하 전달시에는 Cmax로 유지되고, 전하가 전달이 완료되면 캐패시터의 바이어스를 감소시켜(3V->-1V) 캐패시턴스를 Cmin으로 감소시키게 된다.

도5에는 모스 캐패시터(MOS capacitor)가 바이어스의 변화에 따라 캐패시턴스가 변화하는 범위가 도시되어 있다.

도6과 도7에는 포토다이오드와 전달트랜지스터, 플로팅노드이 퍼텐셜 (potential) 변화를 보여주는 것이다.

도6을 참조하여 살펴보면, 전하가 포토다이오드에서 플로팅노드로 전달시 모스 캐패시터(MOS capacitor)의 바이어스가 3V로 가해지면 캐패시턴스는 Cmax로 되고, 이 때의 스윙은 Vdd-Vpin 값을 보인다.

도7을 참조하여 살펴보면, 포토다이오드에서 플로팅노드로 전하의 전달이 완료되면, 전달트랜지스터(Tx)가 턴오프되고, 스위치(Switch)가 턴오프되고, 리셋트랜지스터(Rx)가 턴오프로 유지되고 모스 캐패시터(MOS capacitor)에 가해지는 바이어스가 3V에서 -1V로 변화하면 스윙은 최대 V'swing = Vdd -Vbloom으로 변화하게 된다.

이렇게 모스 캐패시터에 인가되는 바이어스를 변화시키게되면, 플로팅노드에 인가되는 캐패시턴스의 스윙 변화폭이 매우 크게 증가되어 다이나믹 레인지(dynamix range)를 획기적으로 증가시킬 수 있다.

도8은 본 실시예에 따른 시모스이미지센서의 픽셀 동작 타이밍 차트이다.

도8을 참조하여 살펴보면, 먼저 전달트랜지스터(Rx)를 턴온시키고, 전달트랜지스터를 턴온상태에서 턴오프시키면 포토다이오드가 리셋되고(이 때 모스 캐패시터(MOS capacitor)의 바이어스는 3V), 그 후 리셋트랜지스터(Rx)를 턴오프하고 모스 캐패시터(MOS capacitor)의 바이어스를 3V로 유지한 상태에서 인터그레이션 타임(integration time)동안 포토다이오드에 모아진 전하를 전달트랜지스터(Tx)를 턴오프하여(CSD를 위해 Tx 턴온전 이전신호를 출력시킨다. V1) 플로팅노드의 캐패시터로 모두 전달하고, 이후 모스 바이어스를 -1V로 변경하여 플로팅노드의 캐패시턴 스를 감소시켜 스윙레인지를 Vswing -> V'swing로 증가시킨 후 V2를 읽어들인다.

본 실시예에 따른 시모스 이미지센서는 4개의 기본적인 모스트랜지스터와 하나의 포토다이오드에 스위치(switch(FD-Dx)를 추가하였으며, 이는 기술이 발전하여 스케일 다운되면서 트랜지스터를 하나 더 추가하는 것은 하나의 픽셀에 크게 부담이 되지 않는다. 실제적으로 모스 캐패시터(MOS capacitor)를 추가함으로서 종래의 다이나믹 레인지보다 약 2배정도의 다이나믹 레인지를 확보할 수 있어, 그 응용이 매우 다양해지는 효과를 기대할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

본 발명은 시모스 이미지센서의 한 픽셀을 하나의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터에 스위치용 트랜지스터를 추가로 구비하고, 프로팅노드에 구비되는 캐패시터를 모스캐패시터로 구비하여 전하전달시 바이어스를 조절하여 줌으로서, 동작시 다이나믹 레인지의 확장을 기대할 수 있다. 따라서 차량등에 빛의 라이트 인텐스티 차가 큰 환경에서 적합한 시모스 이미지센서의 개발을 용이하게 할 수 있다.

Claims (5)

1. 포토다이오드;

   플로팅노드;

   상기 플로팅노드에 인가된 전하량을 제거하기 위한 리셋트랜지스터;

   상기 포토다이오드에서 전달되는 상기 플로팅노드에 선택적으로 전달하기 위한 전달트랜지스터;

   상기 플로팅노드에 인가된 전하량에 대응하여 드라이빙하기 위한 드라이빙 트랜지스터;

   상기 플로팅노드에 일측단이 접속되며, 타측단에 인가되는 바이어스에 따라 캐패시턴스가 변화하는 가변 캐패시터; 및

   상기 플로팅노드와 상기 드라이빙트랜지스터의 사이를 선택적으로 연결하기 위한 스위치

   를 구비하는 시모스 이미지센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 스위치는 모스트랜지스터로 구현된 것임을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 가변 캐패시터는

   모스트랜지스터로 구현된 것임을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 가변 캐패시터는

   상기 포토다이오드로부터 전하가 상기 플로팅노드로 전달되는 동안에는 바이어스는 제1 전압을 제공하고, 전하의 전달이 종료된 이후에는 상기 제1 전압보다 낮은 제2 전압을 제공하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제1 전압은 3V이고, 상기 제2 전압은 -1V인 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.

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