KR20070067561A - 부스팅 커패시터를 갖는 픽셀 회로, 그 픽셀 회로의 구동방법 및 그 픽셀 회로를 구비하는 이미지 센서 - Google Patents

부스팅 커패시터를 갖는 픽셀 회로, 그 픽셀 회로의 구동방법 및 그 픽셀 회로를 구비하는 이미지 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부스팅 커패시터와 증가형 MOSFET인 리셋 트랜지스터를 구비하는 픽셀 회로에 관한 것이다. 본 발명에 따른 픽셀 회로는 포토 다이오드, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 신호 출력부 및 부스팅 커패시터를 구비한다. 상기 포토 다이오드는 입사되는 빛에 상응하여 광 전하를 생성한다. 상기 전송 트랜지스터는 전송 제어 신호에 응답하여 상기 광 전하를 플로팅 디퓨젼(Floating diffusion) 노드로 전송한다. 상기 리셋 트랜지스터는 리셋 제어 신호에 응답하여 전원 전압을 상기 플로팅 디퓨젼 노드로 전달한다. 상기 신호 출력부는 선택 제어 신호에 응답하여 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 전압에 상응하는 전압 신호를 출력한다. 상기 부스팅 커패시터는 상기 전송 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 플로팅 디퓨젼 노드 사이에 삽입된다. 본 발명에 있어서 상기 리셋 트랜지스터는 증가형 MOSFET(Enhancement type MOSFET)이다.
이미지 센서, 픽셀 회로, 부스팅 커패시터, 전송률

Description

부스팅 커패시터를 갖는 픽셀 회로, 그 픽셀 회로의 구동 방법 및 그 픽셀 회로를 구비하는 이미지 센서{Pixel circuit having a boosting capacitor, driving method of the pixel circuit and image sensor comprising the pixel circuit}
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 이해하기 위하여 각 도면에 대한 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 종래에 사용되는 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에서의 각 노드와 각 채널 영역의 포텐셜 준위를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 픽셀 회로의 셔터 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 픽셀 회로를 구동하는 제어 신호들의 타이밍도이다.
도 6a 내지 도 6f는 도 3에서의 각 노드와 각 채널 영역의 포텐셜 준위를 나타내는 도면이다.
도 7은 공핍형 MOSFET을 사용하여 리셋 트랜지스터를 구현하는 픽셀 회로를 나타낸다.
도 8a 및 도 8b는 도 7의 픽셀 회로에 도 5의 제어 신호들을 인가할 경우에 각 노드와 각 채널 영역의 포텐셜 준위를 나타내는 도면이다.
< 도면의 참조 번호에 대한 설명 >
302: 신호 출력부 304: 신호 변환부
본 발명은 부스팅 커패시터를 갖는 픽셀 회로, 그 픽셀 회로의 구동 방법 및 그 픽셀 회로를 구비하는 이미지 센서에 관한 것으로서, 특히 부스팅 커패시터와 증가형 MOSFET인 리셋 트랜지스터를 구비하는 픽셀 회로에 관한 것이다.
이미지 센서(Image Sensor)는 전개되는 영상을 촬상하여 촬상된 영상에 상응하는 영상 신호를 출력하는 소자이다. 휴대폰 카메라, 디지털 카메라 등에 이용되는 이미지 센서에는 CMOS 이미지 센서(CIS: CMOS Image Sensor), CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서 등이 있다. CMOS 이미지 센서는 CCD 이미지 센서에 비하여 저렴하고 소비 전력이 작다는 장점을 갖는다.
도 1은 종래에 사용되는 CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로를 나타내는 도면이다.
도 1의 픽셀 회로는 빛(Lin)을 입력받는 포토 다이오드(PD), 전송 제어 신호(TC)를 입력받는 전송 트랜지스터(TTr), 플로팅 디퓨젼 노드(FDN: Floating diffusion node), 소스 폴로워(FTr), 선택 제어 신호(SC)를 입력받는 선택 트랜지스터(STr), 출력 노드(Nout) 및 리셋 제어 신호(RC)를 입력받는 리셋 트랜지스터(RTr)를 구비한다. 포토 다이오드(PD)의 일단은 기준 전압(예컨대, 도 1에서는 접지 전압 GND)에 연결되어 있고, 리셋 트랜지스터(RTr)의 일단은 전원 전압(VDD)에 연결되어 있으며, 출력 노드(Nout)에서는 입사되는 빛(Lin)에 상응하는 전압 신호(Vout)가 출력된다.
한편, 종래의 픽셀 회로는 공핍형의 MOSFET(Depletion type MOSFET)을 사용하여 리셋 트랜지스터(RTr)를 구현하였다.
도 2는 도 1에서의 각 노드와 각 채널 영역의 포텐셜 준위를 나타내는 도면이다.
도 2에는 기준 전압(GND), 포토 다이오드(PD) 영역, 전송 트랜지스터(TTr)의 채널 영역(CH_TTr), 플로팅 디퓨젼 노드(FDN) 영역, 리셋 트랜지스터(RTr)의 채널 영역(CH_RTr) 및 전원 전압(VDD)의 포텐셜 준위가 도시되어 있다.
전송 트랜지스터(TTr)의 채널 영역(CH_TTr)의 포텐셜 준위는 전송 제어 신호(TC)의 논리 레벨에 응답하여 도 2와 같이 변동하며, 리셋 트랜지스터(RTr)의 채널 영역(CH_RTr)의 포텐셜 준위는 리셋 제어 신호(TC)의 논리 레벨에 응답하여 도 2와 같이 변동한다. 특히, 종래의 리셋 트랜지스터(RTr)는 공핍형 MOSFET(Depletion type MOSFET)으로 구현되었기 때문에, 리셋 트랜지스터(RTr)가 턴 온(Turn on)되는 경우(도 2에서 ON으로 도시된 경우)에 리셋 트랜지스터(RTr)의 채널 영역(CH_RTr)의 포텐셜 준위가 전원 전압(VDD)의 포텐셜 준위보다 높아진다.
포토 다이오드(PD)에서 생성되는 광 전하(도 2에서 빗금친 부분에 상당하는 양의 광 전하)는 전송 트랜지스터(TTr)가 턴 온되는 경우(도 2에서 ON으로 도시된 경우)에 전송 트랜지스터(TTr)의 채널 영역(CH_TTr)을 거쳐 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)로 전송된다.
포토 다이오드(PD)로부터 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)로의 광 전하 전송률은 포토 다이오드(PD) 영역의 포텐셜 준위와 플로팅 디퓨젼 노드(FDN) 영역의 포텐셜 준위의 차이가 클수록 높다. 또한, 상기 광 전하 전송률은 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 용량이 클수록 높다. 즉, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)가 포토 다이오드(PD)에 집속(Integration)된 광 전하를 끌어당기는 힘이 강할수록 광 전하 전송률이 높아진다고 할 수 있다.
광 전하 전송률이 낮아, 포토 다이오드(PD)에서 생성된 광 전하가 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)로 전송되지 못하고 포토 다이오드(PD)에 잔존하게 되면, 포토 다이오드(PD)를 구비하는 이미지 센서가 정확한 영상 신호를 출력하는 것이 어렵게 된다. 디스플레이 장치가 이미지 센서의 영상 신호를 입력받아 화면에 표시할 경우에, 포토 다이오드(PD)에 잔존하는 광 전하는 화면에 오프셋(Offset)을 초래하여 전체적인 화질 저하의 원인으로 작용한다.
따라서, 광 전하 전송률을 높여 포토 다이오드(PD)에 광 전하가 잔존하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 그래서, 커패시터를 이용하여 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 용량을 증가시키려는 방안 등과 같이, 광 전하 전송률을 높이려는 방안들이 다양하게 제기되고 있다.
본 발명은, 광 전하 전송률을 향상시키기 위하여 부스팅(Boosting) 커패시터를 구비하는 픽셀 회로, 그 픽셀 회로의 구동 방법 및 그 픽셀 회로를 구비하는 이미지 센서를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 픽셀 회로는 포토 다이오드, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 신호 출력부 및 부스팅 커패시터를 구비한다. 상기 포토 다이오드는 입사되는 빛에 상응하여 광 전하를 생성한다. 상기 전송 트랜지스터는 전송 제어 신호에 응답하여 상기 광 전하를 플로팅 디퓨젼(Floating diffusion) 노드로 전송한다. 상기 리셋 트랜지스터는 리셋 제어 신호에 응답하여 전원 전압을 상기 플로팅 디퓨젼 노드로 전달한다. 상기 신호 출력부는 선택 제어 신호에 응답하여 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 전압에 상응하는 전압 신호를 출력한다. 상기 부스팅 커패시터는 상기 전송 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 플로팅 디퓨젼 노드 사이에 삽입된다. 본 발명에 있어서 상기 리셋 트랜지스터는 증가형 MOSFET(Enhancement type MOSFET)이다.
또한, 본 발명에 따른 이미지 센서는 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 부스팅 커패시터, 신호 출력부 및 신호 변환부를 구비한다. 상기 전송 트랜지스터는 전송 제어 신호에 응답하여 포토 다이오드와 플로팅 디퓨젼 노드를 연결 또는 차단한다. 상기 리셋 트랜지스터는 증가형(Enhancement type) MOSFET이며, 리셋 제어 신호에 응답하여 전원 전압을 상기 플로팅 디퓨젼 노드로 전달한다. 상기 부스팅 커패시터는 상기 전송 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 플로팅 디퓨젼 노드 사이에 삽입되며, 상기 전송 트랜지스터가 턴 온되는 순간에 상기 플로팅 디퓨젼 노드를 상기 전원 전압보다 높은 전위로 부스팅(Boosting)한다. 상기 신호 출력부는 선택 제어 신호에 응답하여 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 전압에 상응하는 전압 신호를 출력한다. 상기 신호 변환부는 상기 전압 신호를 입력받아 샘플링하여 디지털 영상 신호를 출력한다.
본 발명의 어느 한 실시예에 있어서, 상기 부스팅 커패시터는, 미리 충전된 전하를 이용하여, 상기 전송 트랜지스터가 턴 온(Turn on)되는 순간에, 상기 플로팅 디퓨젼 노드를 상기 전원 전압보다 높은 전위로 부스팅(Boosting)하는 역할을 담당한다.
본 발명의 어느 한 실시예에 있어서, 상기 부스팅의 정도는, 상기 부스팅 커패시터의 용량에 의해 결정된다.
본 발명의 어느 한 실시예에 있어서, 상기 부스팅 커패시터는, MIM(Metal Insulator Metal) 구조의 커패시터 또는 PIP(Polysilicon Insulator Polysilicon) 구조의 커패시터이다.
본 발명의 어느 한 실시예에 있어서, 상기 신호 출력부는, 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 전압에 상응하는 전압 신호를 출력하는 소스 폴로워(Source Follower); 및 상기 소스 폴로워가 출력하는 상기 전압 신호를, 상기 선택 제어 신호에 응답하여, 상기 픽셀 회로의 출력 노드로 전달하는 선택 트랜지스터를 구비한다.
본 발명의 어느 한 실시예에 있어서, 상기 전송 트랜지스터, 상기 리셋 트랜 지스터, 상기 소스 폴로워 또는 상기 선택 트랜지스터는 N 형 MOSFET(N-type MOSFET)이다.
본 발명의 어느 한 실시예에 있어서, 상기 신호 변환부는, 상기 리셋 상태의 전위에 상응하는 전압 신호와 상기 영상 전압의 전위에 상응하는 전압 신호를 비교하고, 그 비교 결과에 기초하여 상기 디지털 영상 신호를 출력한다. 상기 비교 결과는, 상기 리셋 상태의 전위에 상응하는 전압 신호와 상기 영상 전압의 전위에 상응하는 전압 신호를 CDS(Correlated Double Sampling) 방식으로 처리하여 생성될 수 있다.
본 발명의 어느 한 실시예에 있어서, 상기 이미지 센서는, CMOS 이미지 센서(CIS: CMOS Image Sensor)이다.
또한, 포토 다이오드와 플로팅 디퓨젼(Floating diffusion) 노드를 연결 또는 차단하는 전송 트랜지스터, 증가형(Enhancement type) MOSFET이며 전원 전압을 상기 플로팅 디퓨젼 노드로 전달하는 리셋 트랜지스터, 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 전압에 상응하는 전압 신호를 출력하는 신호 출력부 및 상기 전송 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 플로팅 디퓨젼 노드 사이에 삽입되는 부스팅(Boosting) 커패시터를 구비하는 픽셀 회로를 구동하는 방법에 있어서, 본 발명에 따른 픽셀 회로의 구동 방법은 (a) 상기 전송 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터를 턴 온(Turn on)하여, 상기 포토 다이오드를 소정의 셔터 동작 구간 동안 초기화 상태로 유지하는 단계; (b) 상기 전송 트랜지스터를 턴 오프(Turn off)하고 상기 리셋 트랜지스터를 턴 온하여, 상기 플로팅 디퓨젼 노드를 리셋 상태로 만드는 단계; (c) 상기 신호 출력부에서 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 리셋 상태에 상응하는 전압 신호를 출력하는 단계; (d) 상기 리셋 트랜지스터를 턴 오프하고 상기 전송 트랜지스터를 턴 온하여, 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 전압이 상기 포토 다이오드에 입사되는 빛에 상응하는 영상 전압으로 되도록 하는 단계; 및 (e) 상기 신호 출력부에서 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 상기 영상 전압에 상응하는 전압 신호를 출력하는 단계를 구비한다.
본 발명의 어느 한 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 셔터 동작 구간은, 상기 포토 다이오드에 입사되는 빛의 세기와 상기 포토 다이오드의 포화 레벨을 고려하여 조절된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서는 본 발명에 따른 픽셀 회로가 CMOS 이미지 센서(CIS: CMOS Image Sensor)에 적용되는 경우를 중심으로 설명한다. 본 발명은 픽셀 회로로 구현될 수 있고, 또한 본 발명은 이미지 센서로 구현될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로를 나타내는 도면이다.
도 3의 픽셀 회로는 빛(Lin)을 입력받는 포토 다이오드(PD), 전송 제어 신호(TC)를 입력받는 전송 트랜지스터(TTr), 플로팅 디퓨젼 노드(FDN: Floating diffusion node), 부스팅 커패시터(Cb), 리셋 제어 신호(RC)를 입력받는 리셋 트랜지스터(RTr), 신호 출력부(302), 출력 노드(Nout) 및 신호 변환부(304)를 구비한다. 신호 출력부(302)는 소스 폴로워(FTr) 및 선택 제어 신호(SC)를 입력받는 선택 트랜지스터(STr)를 구비한다. 포토 다이오드(PD)의 일단은 기준 전압(예컨대, 도 3에서는 접지 전압 GND)에 연결되어 있고, 리셋 트랜지스터(RTr)의 일단은 전원 전압(VDD)에 연결되어 있다. 신호 변환부(304)는 전압 신호(Vout)에 상응하는 디지털 영상 신호(S)를 출력한다.
본 발명에서의 리셋 트랜지스터(RTr)는 증가형 MOSFET(Enhancement type Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)이다. 본 발명에서 리셋 트랜지스터(RTr)로 증가형 MOSFET을 사용하는 이유는 아래에서 도 8b를 통하여 설명한다.
포토 다이오드(PD)에서는 입사되는 빛(Lin)에 상응하여 광 전하가 생성된다.
전송 트랜지스터(TTr)는 포토 다이오드(PD)에서 생성된 광 전하를, 전송 제어 신호(TC)에 응답하여, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)로 전송한다. 도 3에서, 전송 트랜지스터(TTr)는 전송 제어 신호(TC)를 입력받는 게이트 단자, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)와 연결되는 제 1 단자 및 포토 다이오드(PD)와 연결되는 제 2 단자를 구비하는 N 형 MOSFET(N-type MOSFET)으로 도시되어 있다.
리셋 트랜지스터(RTr)는 리셋 제어 신호(RC)에 응답하여, 전원 전압(VDD)을 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)로 전달한다. 도 3에서, 리셋 트랜지스터(RTr)는 리셋 제어 신호(RC)를 입력받는 게이트 단자, 전원 전압(VDD)과 연결되는 제 1 단자 및 플 로팅 디퓨젼 노드(FDN)와 연결되는 제 2 단자를 구비하는 N 형 MOSFET(N-type MOSFET)으로 도시되어 있다.
리셋 트랜지스터(RTr)가 턴 온(Turn on)되는 경우에는 전원 전압(VDD)이 리셋 트랜지스터(RTr)를 거쳐 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)로 전달되므로, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)는 전원 전압(VDD) 또는 전원 전압(VDD)보다 다소 낮거나 다소 높은 전위의 전압을 갖게 된다. 이하에서는, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)가 전원 전압(VDD) 또는 전원 전압(VDD)보다 다소 낮거나 다소 높은 전위의 전압을 갖는 상태를 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 "리셋 상태"라고 칭한다.
신호 출력부(302)는 선택 제어 신호(SC)에 응답하여 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 전압에 상응하는 전압 신호를 출력한다. 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 전압에 상응하는 전압 신호를 출력하는 역할은 소스 폴로워(Source Follower. FTr)가 담당한다. 선택 트랜지스터(STr)는 소스 폴로워(FTr)가 출력하는 전압 신호를, 선택 제어 신호(SC)에 응답하여, 픽셀 회로의 출력 노드(Nout)로 전달하는 역할을 담당한다.
도 3에서, 소스 폴로워(FTr)는 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)와 연결되는 게이트 단자, 전원 전압(VDD)과 연결되는 제 1 단자 및 선택 트랜지스터(STr)와 연결되는 제 2 단자를 구비하는 N 형 MOSFET(N-type MOSFET)으로 도시되어 있다. 도 3에서, 선택 트랜지스터(STr)는 선택 제어 신호(SC)를 입력받는 게이트 단자, 소스 폴로워(FTr)와 연결되는 제 1 단자 및 픽셀 회로의 출력 노드(Nout)와 연결되는 제 2 단자를 구비하는 N 형 MOSFET(N-type MOSFET)으로 도시되어 있다.
부스팅 커패시터(Cb)는 전송 트랜지스터(TTr)의 게이트 단자와 플로팅 디퓨젼 노드(FDN) 사이에 삽입된다. 부스팅 커패시터(Cb)의 동작 원리는 도 6b와 도 6e를 통하여 자세히 설명된다.
신호 변환부(304)는 출력 노드(Nout)에서 출력되는 전압 신호(Vout)를 입력받아 샘플링하며, 샘플링된 결과에 상응하는 디지털 영상 신호(S)를 출력한다.
이하에서는, 도 3에 도시된 픽셀 회로의 셔터 동작에 대하여 살펴본다.
도 4는 본 발명에 따른 픽셀 회로의 셔터 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에서 가로축은 시간의 경과에 대응되고, 세로축은 포토 다이오드(PD)에서 생성되는 광 전하량에 대응된다.
포토 다이오드(PD)는 자체의 물리적 특성에 의하여 도 4와 같은 포화 레벨을 갖는다. 도 4에서 보듯이 포토 다이오드(PD)에 입사되는 빛이 약한 경우(도 4에서 Q 그래프의 경우)에는, 픽셀 회로에서의 단위 검출 시간(Tt)이 경과되기 전에, 포토 다이오드(PD)에서 생성되는 광 전하량이 포화 레벨에 도달하지 않는다. 그러나, 포토 다이오드(PD)에 입사되는 빛이 강한 경우(도 4에서 P 그래프의 경우)에는, 픽셀 회로에서의 단위 검출 시간(Tt)이 경과되기 전에, 포토 다이오드(PD)에서 생성되는 광 전하량이 포화 레벨에 도달한다.
단위 검출 시간(Tt)의 경과 전에 포토 다이오드(PD)에서 생성되는 광 전하량이 포화 레벨에 도달하는 경우(도 4에서 P 그래프의 경우)에, 전송 트랜지스터(TTr)가 턴 온되면, 리셋 상태에 있던 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)는 포토 다이오드(PD)의 포화 레벨에 상응하는 전압을 갖는 상태로 바뀐다. 이와 같은 경우에 신호 출력부(302)는, 포토 다이오드(PD)에 입사되는 빛(Lin)에 상응하는 전압 신호(Vout)가 아니라 상기 포화 레벨에 상응하는 전압 신호(Vout)를 출력하게 되므로, 결과적으로 이미지 센서는 포토 다이오드(PD)에 입사되는 빛(Lin)에 상응하는 정확한 디지털 영상 신호(S)를 출력하지 못하게 된다.
픽셀 회로에서의 셔터 동작은 위와 같은 포화 문제를 해결하기 위한 것이다. 즉, 포토 다이오드(PD)에 입사되는 빛(Lin)이 너무 강하여 이미지 센서가 상기 포화 레벨에 상응하는 디지털 영상 신호(S)만을 출력하게 되는 경우에는, 셔터 동작 구간(Ts) 동안 전송 트랜지스터(TTr)와 리셋 트랜지스터(RTr)를 턴 온하여, 포토 다이오드(PD)에서 생성되는 광 전하가 전송 트랜지스터(TTr)와 리셋 트랜지스터(RTr)를 거쳐 전원 전압(VDD) 단자로 배출되도록 한다. 그 결과, 포토 다이오드(PD)는 셔터 동작 구간(Ts) 동안 초기화 상태를 유지하게 된다. 셔터 동작 구간(Ts)이 종료(전송 트랜지스터 TTr의 턴 오프)되면, 포토 다이오드(PD)에서는 그 종료시부터 새롭게 광 전하가 집속(Integration)되게 된다.
도 4에서 R 그래프는 포토 다이오드(PD)에 입사되는 빛이 강할 때 Ts의 시간폭만큼 셔터 동작을 실행시킨 경우를 도시한 것이다.
픽셀 회로에서 셔터 동작이 실행되는 시간폭(셔터 동작 구간의 시간폭 Ts)은 ISP(Image Signal Processor)에 의하여 제어될 수 있다. ISP는 포토 다이오드(PD)에 입사되는 빛의 세기와 포토 다이오드(PD)의 포화 레벨을 고려하여 셔터 동작이 실행되는 시간폭(Ts)을 조절한다.
이하에서는, 도 5 및 도 6a 내지 도 6f를 참조하여 도 3에 도시된 픽셀 회로 의 동작을 살펴본다.
도 5는 본 발명에 따른 픽셀 회로를 구동하는 제어 신호들의 타이밍도이다.
도 5에는 리셋 제어 신호(RC), 전송 제어 신호(TC) 및 선택 제어 신호(SC)가 각 구간(A, B, C, D, E, F) 별로 도시되어 있다.
도 6a 내지 도 6f는 도 3에서의 각 노드와 각 채널 영역의 포텐셜 준위를 나타내는 도면이다.
도 6a는 도 5의 A 구간을 나타내고, 도 6b는 도 5의 B 구간을 나타내고, 도 6c는 도 5의 C 구간을 나타내고, 도 6d는 도 5의 D 구간을 나타내고, 도 6e는 도 5의 E 구간을 나타내며, 도 6f는 도 5의 F 구간을 나타낸다.
도 6a 내지 도 6f에는, 기준 전압(GND), 포토 다이오드(PD) 영역, 전송 트랜지스터(TTr)의 채널 영역(CH_TTr), 플로팅 디퓨젼 노드(FDN) 영역, 리셋 트랜지스터(RTr)의 채널 영역(CH_RTr) 및 전원 전압(VDD)의 포텐셜 준위가 도시되어 있다. 도 6a 내지 도 6f에서 보듯이, 전송 트랜지스터(TTr)의 채널 영역(CH_TTr)의 포텐셜 준위는 전송 제어 신호(TC)의 논리 레벨에 응답하여 변동하고, 리셋 트랜지스터(RTr)의 채널 영역(CH_RTr)의 포텐셜 준위는 리셋 제어 신호(RC)의 논리 레벨에 응답하여 변동한다.
도 6a를 살펴본다. A 구간에서는 전송 트랜지스터(TTr)가 턴 오프(OFF)되고 리셋 트랜지스터(RTr)가 턴 온(ON)되어, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)가 리셋 상태로 된다.
한편, A 구간에서 부스팅 커패시터(Cb)의 일단에는 리셋 트랜지스터(RTr)의 턴 온에 의하여 전원 전압(VDD)이 인가되고 부스팅 커패시터(Cb)의 타단에는 전송 제어 신호(TC)의 로우 레벨 전압이 인가되므로, A 구간에서 부스팅 커패시터(Cb)는 전원 전압(VDD)과 전송 제어 신호(TC)의 로우 레벨 전압의 차이에 상응하는 전압으로 충전된다.
다음으로 도 6b를 살펴본다. B 구간은 도 4에서 설명한 셔터 동작 구간(Ts)에 해당된다. B 구간에서는 전송 트랜지스터(TTr)와 리셋 트랜지스터(RTr)를 턴 온하여 포토 다이오드(PD)를 셔터 동작 구간 동안 초기화 상태로 유지한다. 앞서 살펴보았듯이, 셔터 동작이 실행되는 시간폭(셔터 동작 구간의 시간폭 Ts)은 포토 다이오드(PD)에 입사되는 빛의 세기와 포토 다이오드(PD)의 포화 레벨을 고려하여 조절된다.
B 구간에서, 부스팅 커패시터(Cb)는 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)를 전원 전압(VDD)보다 높은 전위로 부스팅(Boosting)한다. 도 6b를 통하여 부스팅 커패시터(Cb)의 동작 원리를 살펴 본다.
B 구간에서 부스팅 커패시터(Cb)는, 상기 A 구간에서 충전된 전하를 이용하여, 전송 트랜지스터(TTr)가 턴 온되는 순간에, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)를 전원 전압(VDD)보다 높은 전위로 부스팅한다. 이와 같은 부스팅은, 커패시터의 양단 전압은 델타 전류(Delta Current)가 공급되지 않는 한 순간적으로 변하지 않는다는 성질을 이용한 것이다.
B 구간에서, 부스팅 커패시터(Cb)의 부스팅에 의하여, 전원 전압(VDD) 보다 높은 전위를 갖게 되는 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)는, 포토 다이오드(PD)에서 생성되 는 광 전하들을 더욱 강하게 끌어 당길 수 있다. 부스팅 커패시터(Cb)가 구비되지 않는 경우(도 1의 경우)에는 포토 다이오드(PD) 영역의 포텐셜 준위와 플로팅 디퓨젼 노드(FDN) 영역의 포텐셜 준위의 차이가 ΔP1에 그친다. 그러나, 부스팅 커패시터(Cb)가 구비되는 경우에는, 도 6b에서 보듯이, 포토 다이오드(PD) 영역의 포텐셜 준위와 플로팅 디퓨젼 노드(FDN) 영역의 포텐셜 준위의 차이가 ΔP2로 증가한다. 즉, ΔP2는 ΔP1 보다 부스팅 커패시터(Cb)에 의한 부스팅(Boosting)만큼 크다. 결과적으로, 부스팅 커패시터(Cb)가 구비되지 않는 경우(도 1의 경우)에 비하여, 포토 다이오드(PD)로부터 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)로의 광 전하 전송률이 향상되게 된다.
한편, 위와 같은 부스팅의 정도는 부스팅 커패시터(Cb)의 용량에 의하여 결정된다. 예컨대, 부스팅 커패시터(Cb)의 용량이 클수록 부스팅 효과가 오래 지속된다고 할 수 있다.
본 발명에 있어서, MIM(Metal Insulator Metal) 구조의 커패시터가 부스팅 커패시터(Cb)로 사용될 수도 있고, PIP(Polysilicon Insulator Polysilicon) 구조의 커패시터가 부스팅 커패시터(Cb)로 사용될 수도 있다.
다음으로 도 6c를 살펴본다. C 구간에서는 전송 트랜지스터(TTr)의 턴 오프에 의하여 셔터 동작이 종료된다. 포토 다이오드(PD)에서는 셔터 동작 구간의 종료(전송 트랜지스터 TTr의 턴 오프)시부터 광 전하가 새롭게 집속(Integration)되기 시작한다. 전송 트랜지스터(TTr)의 턴 오프에 의해 부스팅이 종료되어 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)는 리셋 상태가 된다.
C 구간에서도 A 구간에서와 마찬가지로, 부스팅 커패시터(Cb)는 전원 전압(VDD)과 전송 제어 신호(TC)의 로우 레벨 전압의 차이에 상응하는 전압으로 충전된다.
다음으로 도 6d를 살펴본다. D 구간에서는 선택 트랜지스터(STr)가 턴 온되어, 신호 출력부(302)는 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 리셋 상태에 상응하는 전압 신호를 출력한다. 도 6d에서 L1 레벨은 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 리셋 상태에 해당하는 전압 레벨을 나타낸다.
다음으로 도 6e를 살펴본다. E 구간에서는 리셋 트랜지스터(RTr)가 턴 오프되고 전송 트랜지스터(TTr)가 턴 온되어, 포토 다이오드(PD)에 집속되어 있던 광 전하들이 리셋 상태의 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)로 전송된다.
도 6e에서 보듯이, E 구간에서도 B 구간에서와 마찬가지로, 부스팅 커패시터(Cb)는 상기 C 구간에서 충전된 전하를 이용하여, 전송 트랜지스터(TTr)가 턴 온되는 순간에, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)를 전원 전압(VDD)보다 높은 전위로 부스팅한다. 부스팅 커패시터(Cb)의 부스팅에 의하여 전원 전압(VDD) 보다 높은 전위를 갖게 되는 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)는, 포토 다이오드(PD)에 집속되어 있는 광 전하들을 더욱 강하게 끌어 당긴다. 이와 같은 부스팅 커패시터(Cb)의 부스팅에 의하여 광 전하 전송률이 향상된다.
다음으로 도 6f를 살펴본다.
전송 트랜지스터(TTr)의 턴 오프에 의하여 E 구간이 종료되면, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 전압은 포토 다이오드(PD)에 입사되는 빛(Lin)에 상응하는 전압(이 하, "영상 전압"이라 한다)으로 된다. 즉, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)는 포토 다이오드(PD)로부터의 광 전하 유입과 전송 트랜지스터(TTr)의 턴 오프에 의한 부스팅의 종료로 인하여 L2 레벨의 전압을 갖게 된다. 도 6f에서, L2 레벨은 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 상기 영상 전압에 해당하는 전압 레벨을 나타내고, L1 레벨은 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 리셋 상태에 해당하는 전압 레벨을 나타낸다.
F 구간에서는 전송 트랜지스터(TTr)와 리셋 트랜지스터(RTr)가 턴 오프(OFF)되고 선택 트랜지스터(STr)가 턴 온되어, 신호 출력부(302)는 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 상기 영상 전압에 상응하는 전압 신호를 출력한다.
이상에서의 설명에 기초하여, 본 발명에 따른 픽셀 회로의 구동 방법을 살펴본다. 도 5와 같은 제어 타이밍을 갖는 제어 신호들을 도 3의 픽셀 회로에 인가하는 경우에, 본 발명에 따른 픽셀 회로를 구동하는 방법은 다음과 같이 설명될 수 있다.
먼저, 전송 트랜지스터(TTr)와 리셋 트랜지스터(RTr)를 턴 온하여, 포토 다이오드(PD)를 소정의 셔터 동작 구간(Ts) 동안 초기화 상태로 유지한다. 이 단계는 상기 B 구간에 대응된다.
다음으로, 전송 트랜지스터(TTr)를 턴 오프하고 리셋 트랜지스터(RTr)를 턴 온하여, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)를 리셋 상태로 만든다. 이 단계는 상기 C 구간에 대응된다.
다음으로, 신호 출력부(302)는 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 리셋 상태에 상응하는 전압 신호를 출력한다. 이 단계는 상기 D 구간에 대응된다.
다음으로, 리셋 트랜지스터(RTr)를 턴 오프하고 전송 트랜지스터(TTr)를 턴 온하여, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 전압이 포토 다이오드(PD)에 입사되는 빛(Lin)에 상응하는 영상 전압으로 되도록 한다. 이 단계는 상기 E 구간에 대응된다.
다음으로, 신호 출력부(302)는 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 상기 영상 전압에 상응하는 전압 신호를 출력한다. 이 단계는 상기 F 구간에 대응된다.
F 구간까지 완료되는 과정에서, 신호 변환부(304)의 동작을 살펴본다.
플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 리셋 상태에 상응하는 전압 신호(신호 출력부 302가 상기 D 구간에서 출력하는 전압 신호)와 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 상기 영상 전압에 상응하는 전압 신호(신호 출력부 302가 상기 F 구간에서 출력하는 전압 신호)는 신호 변환부(304)로 입력된다. 신호 변환부(304)는 상기 리셋 상태에 상응하는 전압 신호와 상기 영상 전압에 상응하는 전압 신호를 비교하고, 그 비교 결과에 상응하는 디지털 영상 신호(S)를 출력한다.
신호 변환부(304)에는, 상기 리셋 상태에 상응하는 전압 신호와 상기 영상 전압에 상응하는 전압 신호의 비교를 담당하는 비교부(미도시), 신호의 증폭을 담당하는 증폭부(미도시), 아날로그 전압 신호를 디지털 영상 신호(S)로 변환하는 아날로그 디지털 변환부(미도시) 등이 구비된다.
신호 변환부(304)는 상기 리셋 상태의 전위에 상응하는 전압 신호와 상기 영상 전압의 전위에 상응하는 전압 신호를 CDS(Correlated Double Sampling) 방식으로 처리하여 상기 비교 결과를 생성할 수 있다.
상기 CDS 방식에 의할 경우에, 신호 변환부(304)는 플로팅 디퓨젼 노드(FDN) 의 리셋 상태에 상응하는 전압 신호(상기 D 구간에서 신호 출력부 302가 출력하는 전압 신호)에서, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 상기 영상 전압에 상응하는 전압 신호(상기 F 구간에서 신호 출력부 302가 출력하는 전압 신호)를 감산하고, 그 감산 결과에 상응하는 디지털 영상 신호(S)를 출력한다.
이와 같은 일련의 과정에 의하여, 본 발명에 따른 이미지 센서는 포토 다이오드(PD)에 입사되는 빛(Lin)에 상응하는 디지털 영상 신호(S)를 출력하는 것이다.
본 발명에서는 증가형 MOSFET을 사용하여 리셋 트랜지스터(RTr)를 구현한다.이하에서는 본 발명과의 비교를 위하여, 공핍형 MOSFET(Depletion type MOSFET)을 사용하여 리셋 트랜지스터(RTr)를 구현하는 픽셀 회로를 설명한다.
도 7은 공핍형 MOSFET을 사용하여 리셋 트랜지스터를 구현하는 픽셀 회로를 나타낸다.
도 7의 픽셀 회로에는, 빛(Lin)을 입력받는 포토 다이오드(PD), 전송 제어 신호(TC)를 입력받는 전송 트랜지스터(TTr), 플로팅 디퓨젼 노드(FDN), 부스팅 커패시터(Cb), 리셋 제어 신호(RC)를 입력받는 리셋 트랜지스터(RTr), 소스 폴로워(FTr), 선택 제어 신호(SC)를 입력받는 선택 트랜지스터(STr) 및 출력 노드(Nout)가 도시되어 있다.
도 7에서 보듯이, 도 7에서의 리셋 트랜지스터(RTr)는 공핍형 MOSFET(Depletion type MOSFET)이다. 이하에서, 도 8a 및 도 8b를 참조하여 도 7의 픽셀 회로를 살펴본다.
도 8a 및 도 8b는 도 7의 픽셀 회로에 도 5의 제어 신호들을 인가할 경우에 각 노드와 각 채널 영역의 포텐셜 준위를 나타내는 도면이다.
도 8a는 도 5의 E 구간을 나타내고, 도 8b는 도 5의 B 구간을 나타낸다.
도 8a 및 도 8b에는, 도 6a 내지 도 6f에서와 마찬가지로, 기준 전압(GND), 포토 다이오드(PD) 영역, 전송 트랜지스터(TTr)의 채널 영역(CH_TTr), 플로팅 디퓨젼 노드(FDN) 영역, 리셋 트랜지스터(RTr)의 채널 영역(CH_RTr) 및 전원 전압(VDD)의 포텐셜 준위가 도시되어 있다.
도 7의 픽셀 회로에 도 5의 제어 신호들(RC, TC, SC)을 인가할 경우에, C 구간에서, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)는 리셋 상태로 되고, 부스팅 커패시터(Cb)는 전원 전압(VDD)과 전송 제어 신호(TC)의 로우 레벨 전압의 차이에 상응하는 전압으로 충전된다. D 구간에서는 신호 출력부(302)에서 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 리셋 상태에 상응하는 전압 신호가 출력된다.
도 8a를 살펴본다.
E 구간이 되면, 리셋 트랜지스터(RTr)가 턴 오프되고 전송 트랜지스터(TTr)가 턴 온되어, 포토 다이오드(PD)에 집속되어 있던 광 전하들이 리셋 상태의 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)로 전송된다. 이 경우에 부스팅 커패시터(Cb)는 상기 C 구간에서 충전된 전하를 이용하여, 전송 트랜지스터(TTr)가 턴 온되는 순간에, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)를 전원 전압(VDD)보다 높은 전위로 부스팅(Boosting)한다. 부스팅 커패시터(Cb)의 부스팅에 의하여 전원 전압(VDD) 보다 높은 전위를 갖게 되는 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)는, 포토 다이오드(PD)에 집속되어 있는 광 전하들을 더욱 강하게 끌어 당길 수 있게 된다.
다음으로, 도 8b를 살펴본다.
B 구간에서는 전송 트랜지스터(TTr)와 리셋 트랜지스터(RTr)가 턴 온되어, 포토 다이오드(PD)에서 생성되는 광 전하들이 전송 트랜지스터(TTr)와 리셋 트랜지스터(RTr)를 거쳐 전원 전압(VDD) 단자로 배출된다. 앞서 살펴보았듯이, B 구간은 셔터 동작 구간(Ts)에 해당된다.
그런데, 도 6b의 B 구간의 경우와 달리 도 8b의 B 구간의 경우에는 부스팅 커패시터(Cb)에 의한 부스팅이 발생되지 않는다. 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 전위가 전원 전압(VDD)의 전위로 붙잡혀 있기 때문에, 부스팅이 발생되지 않는 것이다.
도 6e의 E 구간과 도 8a의 E 구간에서는 리셋 트랜지스터(RTr)가 턴 오프(OFF)되어서 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 전위가 전원 전압(VDD)의 전위로 붙잡히지 않기 때문에, 부스팅 커패시터(Cb)에 의한 부스팅이 발생한다.
도 6b의 B 구간에서는 도 8b의 B 구간의 경우와 달리 부스팅 커패시터(Cb)에 의한 부스팅이 발생한다. 그 이유는 다음과 같이 설명될 수 있다.
도 3에서의 리셋 트랜지스터(RTr)는 증가형 MOSFET이기 때문에, 리셋 트랜지스터(RTr)가 턴 온(ON)되는 경우에, 리셋 트랜지스터(RTr)의 채널 영역(CH_RTr)의 포텐셜 준위는, 도 6b에서 보듯이, 전원 전압(VDD)의 포텐셜 준위보다 다소 낮게 형성된다(도 6a 내지 도 6f, 도 8a 및 도 8b에서 GND 측이 포텐셜 준위가 낮은 측이고, VDD 측이 포텐셜 준위가 높은 측이다). 반면에, 도 7에서의 리셋 트랜지스터(RTr)는 공핍형 MOSFET이기 때문에, 리셋 트랜지스터(RTr)가 턴 온(ON)되는 경우에, 리셋 트랜지스터(RTr)의 채널 영역(CH_RTr)의 포텐셜 준위는, 도 8b에서 보듯 이, 전원 전압(VDD)의 포텐셜 준위보다 다소 높게 형성된다.
그래서, 도 6b에서는 리셋 트랜지스터(RTr)가 턴 온(ON)되더라도 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 전위가 전원 전압(VDD)의 전위로 붙잡히지 않지만, 도 8b에서는 리셋 트랜지스터(RTr)가 턴 온(ON)되면 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 전위가 전원 전압(VDD)의 전위로 붙잡히게 된다. 결과적으로, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 전위가 전원 전압(VDD)의 전위로 붙잡히지 않는 도 6b의 B 구간에서는 부스팅 커패시터(Cb)에 의한 부스팅이 발생하지만, 플로팅 디퓨젼 노드(FDN)의 전위가 전원 전압(VDD)의 전위로 붙잡히는 도 8b의 B 구간에서는 부스팅 커패시터(Cb)에 의한 부스팅이 발생하지 않게 된다.
본 발명에 따른 픽셀 회로는, 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 증가형 MOSFET인 리셋 트랜지스터(RTr)를 사용한다. 증가형 MOSFET인 리셋 트랜지스터(RTr)를 사용함으로써, 도 5에서의 E 구간 뿐만 아니라 도 5에서의 B 구간에서도 부스팅 커패시터(Cb)에 의한 부스팅을 발생시킬 수 있다.
이상에서는 도면에 도시된 구체적인 실시예를 참고하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하므로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자라면 이로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등 및 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 보호 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 부스팅 커패시터에 의하여 플로팅 디퓨젼 노드를 전원 전압보다 높은 전위로 부스팅하므로, 포토 다이오드로부터 플로팅 디퓨젼 노드로의 광 전하 전송률이 향상된다.
둘째, 셔터 동작 구간에서도 부스팅 커패시터에 의하여 플로팅 디퓨젼 노드를 전원 전압보다 높은 전위로 부스팅시킬 수 있다.
셋째, 부스팅 커패시터의 부스팅에 의하여 광 전하 전송률이 향상되므로, 포토 다이오드에 잔존하는 광 전하로 인하여 나타나는 화면의 오프셋(Offset)을 방지할 수 있다.

Claims (29)

  1. 입사되는 빛에 상응하여 광 전하를 생성하는 포토 다이오드;
    전송 제어 신호에 응답하여 상기 광 전하를 플로팅 디퓨젼(Floating diffusion) 노드로 전송하는 전송 트랜지스터;
    리셋 제어 신호에 응답하여 전원 전압을 상기 플로팅 디퓨젼 노드로 전달하는 리셋 트랜지스터;
    선택 제어 신호에 응답하여 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 전압에 상응하는 전압 신호를 출력하는 신호 출력부; 및
    상기 전송 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 플로팅 디퓨젼 노드 사이에 삽입되는 부스팅(Boosting) 커패시터를 구비하되,
    상기 리셋 트랜지스터는 증가형 MOSFET(Enhancement type MOSFET)인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 리셋 트랜지스터는,
    상기 리셋 제어 신호를 입력받는 게이트 단자, 상기 전원 전압과 연결되는 제 1 단자 및 상기 플로팅 디퓨젼 노드와 연결되는 제 2 단자를 구비하는 N 형 MOSFET(N-type MOSFET)인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 부스팅 커패시터는,
    미리 충전된 전하를 이용하여, 상기 전송 트랜지스터가 턴 온(Turn on)되는 순간에, 상기 플로팅 디퓨젼 노드를 상기 전원 전압보다 높은 전위로 부스팅(Boosting)하는 역할을 담당하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 부스팅의 정도는,
    상기 부스팅 커패시터의 용량에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 부스팅 커패시터는,
    MIM(Metal Insulator Metal) 구조의 커패시터인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 부스팅 커패시터는,
    PIP(Polysilicon Insulator Polysilicon) 구조의 커패시터인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전송 트랜지스터는,
    상기 전송 제어 신호를 입력받는 게이트 단자, 상기 플로팅 디퓨젼 노드와 연결되는 제 1 단자 및 상기 포토 다이오드와 연결되는 제 2 단자를 구비하는 N 형 MOSFET(N-type MOSFET)인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 신호 출력부는,
    상기 플로팅 디퓨젼 노드의 전압에 상응하는 전압 신호를 출력하는 소스 폴로워(Source Follower); 및
    상기 소스 폴로워가 출력하는 상기 전압 신호를, 상기 선택 제어 신호에 응답하여, 상기 픽셀 회로의 출력 노드로 전달하는 선택 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 소스 폴로워는,
    상기 플로팅 디퓨젼 노드와 연결되는 게이트 단자, 상기 전원 전압과 연결되는 제 1 단자 및 상기 선택 트랜지스터와 연결되는 제 2 단자를 구비하는 N 형 MOSFET(N-type MOSFET)인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 선택 트랜지스터는,
    상기 선택 제어 신호를 입력받는 게이트 단자, 상기 소스 폴로워와 연결되는 제 1 단자 및 상기 출력 노드와 연결되는 제 2 단자를 구비하는 N 형 MOSFET(N-type MOSFET)인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 이미지 센서는,
    CMOS 이미지 센서(CIS: CMOS Image Sensor)인 것을 특징으로 하는 이미지 센 서의 픽셀 회로.
  12. 포토 다이오드와 플로팅 디퓨젼(Floating diffusion) 노드를 연결 또는 차단하는 전송 트랜지스터, 증가형(Enhancement type) MOSFET이며 전원 전압을 상기 플로팅 디퓨젼 노드로 전달하는 리셋 트랜지스터, 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 전압에 상응하는 전압 신호를 출력하는 신호 출력부 및 상기 전송 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 플로팅 디퓨젼 노드 사이에 삽입되는 부스팅(Boosting) 커패시터를 구비하는 픽셀 회로를 구동하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 전송 트랜지스터와 상기 리셋 트랜지스터를 턴 온(Turn on)하여, 상기 포토 다이오드를 소정의 셔터 동작 구간 동안 초기화 상태로 유지하는 단계;
    (b) 상기 전송 트랜지스터를 턴 오프(Turn off)하고 상기 리셋 트랜지스터를 턴 온하여, 상기 플로팅 디퓨젼 노드를 리셋 상태로 만드는 단계;
    (c) 상기 신호 출력부에서 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 리셋 상태에 상응하는 전압 신호를 출력하는 단계;
    (d) 상기 리셋 트랜지스터를 턴 오프하고 상기 전송 트랜지스터를 턴 온하여, 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 전압이 상기 포토 다이오드에 입사되는 빛에 상응하는 영상 전압으로 되도록 하는 단계; 및
    (e) 상기 신호 출력부에서 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 상기 영상 전압에 상응하는 전압 신호를 출력하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 픽셀 회로의 구동 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 부스팅 커패시터는,
    미리 충전된 전하를 이용하여, 상기 전송 트랜지스터가 턴 온되는 순간에, 상기 플로팅 디퓨젼 노드를 상기 전원 전압보다 높은 전위로 부스팅(Boosting)하는 것을 특징으로 하는 픽셀 회로의 구동 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 (a) 단계 전에,
    (a0) 상기 전송 트랜지스터를 턴 오프하고 상기 리셋 트랜지스터를 턴 온하여, 상기 플로팅 디퓨젼 노드를 리셋 상태로 만드는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 픽셀 회로의 구동 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 부스팅 커패시터는,
    상기 (a0) 단계에서 충전된 전하를 이용하여 상기 플로팅 디퓨젼 노드를 상기 전원 전압보다 높은 전위로 부스팅하는 것을 특징으로 하는 픽셀 회로의 구동 방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 (d) 단계에서 상기 부스팅 커패시터는,
    미리 충전된 전하를 이용하여, 상기 전송 트랜지스터가 턴 온되는 순간에, 상기 플로팅 디퓨젼 노드를 상기 전원 전압보다 높은 전위로 부스팅(Boosting)하는 것을 특징으로 하는 픽셀 회로의 구동 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 (d) 단계에서 상기 부스팅 커패시터는,
    상기 (b) 단계에서 충전된 전하를 이용하여 상기 플로팅 디퓨젼 노드를 상기 전원 전압보다 높은 전위로 부스팅하는 것을 특징으로 하는 픽셀 회로의 구동 방법.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 셔터 동작 구간은,
    상기 포토 다이오드에 입사되는 빛의 세기와 상기 포토 다이오드의 포화 레벨을 고려하여 조절되는 것을 특징으로 하는 픽셀 회로의 구동 방법.
  19. 제 12 항에 있어서, 상기 (d) 단계에서 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 전압은,
    상기 포토 다이오드에서 입사되는 빛에 상응하는 만큼 생성된 광 전하가 상기 전송 트랜지스터를 거쳐 상기 플로팅 디퓨젼 노드로 전송되는 것에 의하여, 상기 영상 전압으로 되는 것을 특징으로 하는 픽셀 회로의 구동 방법.
  20. 전송 제어 신호에 응답하여 포토 다이오드와 플로팅 디퓨젼(Floating diffusion) 노드를 연결 또는 차단하는 전송 트랜지스터;
    증가형(Enhancement type) MOSFET이며, 리셋 제어 신호에 응답하여 전원 전압을 상기 플로팅 디퓨젼 노드로 전달하는 리셋 트랜지스터;
    상기 전송 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 플로팅 디퓨젼 노드 사이에 삽 입되며, 상기 전송 트랜지스터가 턴 온되는 순간에 상기 플로팅 디퓨젼 노드를 상기 전원 전압보다 높은 전위로 부스팅(Boosting)하는 부스팅 커패시터;
    선택 제어 신호에 응답하여 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 전압에 상응하는 전압 신호를 출력하는 신호 출력부; 및
    상기 전압 신호를 입력받아 샘플링하여 디지털 영상 신호를 출력하는 신호 변환부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 부스팅 커패시터는,
    상기 리셋 트랜지스터가 턴 온되어 상기 플로팅 디퓨젼 노드가 리셋 상태로 되는 경우에 충전되는 전하를 이용하여, 상기 전송 트랜지스터가 턴 온되는 순간에 상기 플로팅 디퓨젼 노드를 상기 전원 전압보다 높은 전위로 부스팅하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 부스팅 커패시터는,
    MIM(Metal Insulator Metal) 구조의 커패시터 또는 PIP(Polysilicon Insulator Polysilicon) 구조의 커패시터인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  23. 제 20 항에 있어서, 상기 신호 출력부는,
    상기 플로팅 디퓨젼 노드의 전압에 상응하는 전압 신호를 출력하는 소스 폴로워(Source Follower); 및
    상기 소스 폴로워가 출력하는 상기 전압 신호를, 상기 선택 제어 신호에 응답하여, 상기 신호 변환부로 전달하는 선택 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 전송 트랜지스터, 상기 리셋 트랜지스터, 상기 소스 폴로워 또는 상기 선택 트랜지스터는 N 형 MOSFET(N-type MOSFET)인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  25. 제 20 항에 있어서, 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 전압은,
    상기 전송 트랜지스터가 턴 오프되고 상기 리셋 트랜지스터가 턴 온되는 경우에, 리셋 상태의 전위를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 플로팅 디퓨젼 노드의 전압은,
    상기 리셋 상태에서 상기 리셋 트랜지스터가 턴 오프되고 상기 전송 트랜지스터가 턴 온되는 경우에, 상기 포토 다이오드에 입사되는 빛에 상응하는 영상 전압의 전위를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 신호 변환부는,
    상기 리셋 상태의 전위에 상응하는 전압 신호와 상기 영상 전압의 전위에 상 응하는 전압 신호를 비교하고, 그 비교 결과에 기초하여 상기 디지털 영상 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 비교 결과는,
    상기 리셋 상태의 전위에 상응하는 전압 신호와 상기 영상 전압의 전위에 상응하는 전압 신호를 CDS(Correlated Double Sampling) 방식으로 처리하여 생성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  29. 제 20 항에 있어서,
    CMOS 이미지 센서(CIS: CMOS Image Sensor)인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130054508A (ko) * 2011-11-17 2013-05-27 삼성전자주식회사 화소 회로 및 이를 포함하는 깊이 센서
KR20200001165A (ko) * 2018-06-27 2020-01-06 삼성전자주식회사 이미지 센서, 픽셀 어레이 및 그 동작 방법
KR20220070191A (ko) * 2016-09-12 2022-05-30 세미컨덕터 콤포넨츠 인더스트리즈 엘엘씨 전원 잡음 제거 능력을 갖는 이미지 센서

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090237540A1 (en) * 2008-03-20 2009-09-24 Micron Technology, Inc. Imager method and apparatus having combined gate signals
KR101584098B1 (ko) * 2009-08-17 2016-01-12 삼성전자주식회사 플로팅 확산영역을 부스팅하는 부스팅 커패시터를 구비하는 단위 픽셀, 상기 픽셀을 구비하는 픽셀어레이 및 상기 픽셀어레이를 구비하는 광 감지소자
TWI423673B (zh) * 2011-03-17 2014-01-11 Innolux Corp 影像感測畫素及其驅動方法
KR101402750B1 (ko) * 2012-09-26 2014-06-11 (주)실리콘화일 3차원 구조를 가지는 이미지센서의 분리형 단위화소
KR102080861B1 (ko) 2013-08-06 2020-02-25 삼성디스플레이 주식회사 광 감지 회로, 이를 포함하는 광 감지 패널 및 이 광 감지 패널을 포함하는 표시 장치
KR102178825B1 (ko) 2013-11-15 2020-11-13 삼성전자 주식회사 픽셀 출력 레벨 제어 장치 및 이를 적용하는 이미지 센서
KR102234041B1 (ko) 2014-06-18 2021-04-01 삼성전자주식회사 이미지 센서와 이를 포함하는 이미지 처리 시스템
KR20170086867A (ko) * 2016-01-19 2017-07-27 에스케이하이닉스 주식회사 픽셀, 상기 픽셀을 포함하는 이미지 센싱 장치 및 상기 이미지 센싱 장치의 구동 방법
KR102453812B1 (ko) * 2016-01-19 2022-10-14 에스케이하이닉스 주식회사 이미지 센싱 장치 및 그의 구동 방법
US11394910B2 (en) * 2016-01-19 2022-07-19 SK Hynix Inc. Image sensing device generating pixel signal with boost voltage and operating method thereof
KR102476722B1 (ko) 2016-02-12 2022-12-14 에스케이하이닉스 주식회사 단위 픽셀 장치 및 그 동작 방법과 그를 이용한 씨모스 이미지 센서
KR102651415B1 (ko) 2017-02-20 2024-03-28 에스케이하이닉스 주식회사 이미지 센서 및 그 동작방법
US10110783B2 (en) * 2017-03-27 2018-10-23 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor precharge boost
KR102540242B1 (ko) * 2018-01-12 2023-06-02 삼성전자주식회사 이미지 센서
CN108205152B (zh) * 2018-02-26 2019-06-28 京东方科技集团股份有限公司 一种像元电路、其驱动方法及x射线探测器
FR3098075A1 (fr) * 2019-06-28 2021-01-01 Stmicroelectronics (Crolles 2) Sas Pixel et son procédé de commande

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040093940A (ko) * 2003-04-30 2004-11-09 매그나칩 반도체 유한회사 씨모스 이미지 센서의 단위화소
JP4229884B2 (ja) 2004-07-29 2009-02-25 シャープ株式会社 増幅型固体撮像装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130054508A (ko) * 2011-11-17 2013-05-27 삼성전자주식회사 화소 회로 및 이를 포함하는 깊이 센서
KR20220070191A (ko) * 2016-09-12 2022-05-30 세미컨덕터 콤포넨츠 인더스트리즈 엘엘씨 전원 잡음 제거 능력을 갖는 이미지 센서
KR20200001165A (ko) * 2018-06-27 2020-01-06 삼성전자주식회사 이미지 센서, 픽셀 어레이 및 그 동작 방법

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