KR20080058560A

KR20080058560A - 넓은 동작 범위의 ｃｍｏｓ형 이미지 센서용 화소 회로

Info

Publication number: KR20080058560A
Application number: KR1020060132371A
Authority: KR
Inventors: 남정현
Original assignee: 마루엘에스아이 주식회사
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2008-06-26
Also published as: KR100865111B1

Abstract

본 발명은 넓은 동작 범위를 가지는 CMOS형 이미지 센서용 화소 회로에 관한 발명으로서, 본 발명의 일측면은 입력되는 광에 대응하는 전하를 생성하는 제1 및 제2 포토다이오드; 상기 제1 포토다이오드와 플로팅 확산 영역 사이에 연결되며, 제1 트랜스퍼 신호에 따라 동작하는 제1 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 제2 포토다이오드와 상기 플로팅 확산 영역 사이에 연결되며, 제2 트랜스퍼 신호에 따라 동작하는 제2 트랜스퍼 트랜지스터; 리셋 신호에 따라 상기 플로팅 확산 영역을 리셋하는 리셋 트랜지스터; 상기 플로팅 확산 영역의 전압을 증폭하여 출력하는 드라이브 트랜지스터; 및 상기 드라이브 트랜지스터에서 출력되는 증폭된 상기 전압을 셀렉트 신호에 따라 출력하는 셀렉트 트랜지스터를 구비하는 이미지 센서용 화소 회로를 제공한다.

Description

넓은 동작 범위의 ＣＭＯＳ형 이미지 센서용 화소 회로{PIXEL CIRCUIT FOR WIDE DYNAMIC RANGE CMOS-TYPE IMAGE SENSOR}

도 1은 종래기술에 의한 CMOS형 이미지 센서의 화소 회로(10)를 나타내는 도면이다.

도 2는 도 1의 화소 회로(10)의 동작을 설명하기 위한 신호도이다.

도 3은 도 1의 화소 회로(10)의 출력 특성을 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 CMOS형 이미지 센서용 화소 회로(20)를 나타내는 도면이다.

도 5는 도 4의 화소 회로(20)의 동작의 일례를 설명하기 위한 신호도이다.

도 6은 도 5에 표현된 신호를 인가받은 화소 회로(20)의 출력 특성을 종래 기술에 의한 화소 회로(10)의 출력 특성과 비교하기 위한 도면이다.

도 7는 도 4의 화소 회로(20)의 동작의 다른 예를 설명하기 위한 신호도이다.

도 8은 도 7에 표현된 신호를 인가받은 화소 회로(20)의 출력 특성을 종래 기술에 의한 화소 회로(10)의 출력 특성과 비교하기 위한 도면이다.

본 발명은 CMOS형 이미지 센서용 화소 회로에 관한 발명으로서, 보다 구체적으로 넓은 동작 범위를 가지는 CMOS형 이미지 센서용 화소 회로에 관한 발명이다.

근래에 들어서, 디지털 카메라, 디지털 캠코더 및 이들의 기능을 포함하는 휴대폰 등이 널리 보급됨에 따라, 이미지 센서가 급속히 발전하고 있다. 이미지 센서는 광학 영상을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 크게 CCD(charge coupled device, 전하 결합 소자)형 이미지 센서와 CMOS(complementary metal oxide semiconductor, 상보성 금속 산화막 반도체)형 이미지 센서로 나눌 수 있다. 이들 중 CCD형 이미지 센서는 CMOS 회로와의 단일 칩화가 용이하지 아니하고, 소비 전력이 높다는 문제점이 있다. 이에 반하여, CMOS형 이미지 센서는 CMOS 회로와 단일 칩화가 용이하며, 소비 전력이 낮고, 일반적인 CMOS 공정을 사용하여 제조할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 최근에는 CMOS 이미지 센서에 대한 개발이 집중되고 있다.

도 1은 종래기술에 의한 CMOS형 이미지 센서의 화소 회로를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 화소 회로(10)는 포토다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor, M1), 리셋 트랜지스터(reset transistor, M2), 드라이브 트랜지스터(drive transistor, M3) 및 셀렉트 트랜지스터(select transistor, M4) 를 포함한다. 화소 회로에 포함된 트랜지스터(M1, M2, M3, M4)는 CMOS 트랜지스터이다.

포토다이오드(PD)는 입력되는 광에 대응하는 전하를 생성하는 기능을 수행한다.

트랜스퍼 트랜지스터(M1)는 포토다이오드(PD)와 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 연결되어 있으며, 트랜스퍼 신호(트랜스퍼 트랜지스터(M1)의 게이트에 인가되는 신호. φT)에 따라 동작한다. 플로팅 확산 영역(FD)은 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하를 저장하는 기능을 수행한다. 트랜스퍼 신호(φT)에 의하여 트랜스퍼 트랜지스터(M1)가 오프(off) 상태가 되면 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하는 플로팅 확산 영역(FD)로 전달되지 아니하고 포토다이오드(PD) 내에 축적된다. 또한, 트랜스퍼 신호(φT)에 의하여 트랜스퍼 트랜지스터(M1)가 온(on) 상태가 되면 포토다이오드(PD)에 축적된 전하는 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달된다.

리셋 트랜지스터(M2)는 전원전압과 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 연결되어 있으며, 리셋 신호(리셋 트랜지스터(M2)의 게이트에 인가되는 신호. φR)에 따라 플로팅 확산 영역(FD)을 리셋시키는 기능을 수행한다.

드라이브 트랜지스터(M3)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 수행하여 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 증폭하여 출력한다. 소스 팔로워 버퍼 증폭기의 특성상 드라이브 트랜지스터(M3)의 전압 이득은 1일 수 있다.

셀렉트 트랜지스터(M4)는 셀렉트 신호(셀렉트 트랜지스터(M4)의 게이트에 인 가되는 신호. φX)에 따라 동작하며, 드라이브 트랜지스터(M3)에서 출력되는 전압 즉 증폭된 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 출력한다.

도 2를 참조하면, 한 주기 중에서 제1 기간(P1)에는 리셋 트랜지스터(M2)가 온이고, 셀렉트 트랜지스터(M4)가 오프인 상태에서, 트랜스퍼 트랜지스터(M1)가 온 상태가 되도록 트랜스퍼 신호(φT)를 인가하여, 플로팅 확산 영역(FD) 및 포토다이오드(PD)를 리셋한다.

제2 기간(P2)에는 트랜스퍼 트랜지스터(M1)가 오프 상태가 되도록 트랜스퍼 신호(φT)가 인가된다. 트랜스퍼 트랜지스터(M1)가 오프 상태이므로, 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하는 포토다이오드(PD)에 축적된다.

제3 기간(P3)에는 트랜스퍼 트랜지스터(M1)가 온 상태가 되도록 트랜스퍼 신호(φT)가 인가되어, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하가 플로팅 확산 영역(FD)로 이동한다. 이 기간에 리셋 트랜지스터(M2)가 오프 상태가 되도록 리셋 신호(φR)가 인가되어, 플로팅 확산 영역(FD)이 리셋되지 아니하도록 한다. 또한, 제3 기간(P3)에 셀렉트 트랜지스터(M4)가 온 상태가 되도록 셀렉트 신호(φX)가 인가되어, 화소 회로(10)는 플로팅 확산 영역(FD)에 위치한 전하에 대응하는 전압을 출력한다. 종래기술에 의한 화소 회로는 이와 같이 동작하여, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하에 대응하는 전압을 출력한다.

도 3을 참조하면, 빛의 세기(lux)가 소정 값 이하인 경우에는 빛의 세기가 증가함에 따라 출력도 변경된다. 이와 같이 빛의 세기가 증가함에 따라 출력이 변경되는 영역을 동작 범위라 한다.

빛의 세기가 소정 값 이상인 경우에는 빛의 세기가 증가하여도 출력이 변경되지 아니한다. 이와 같이 빛의 세기가 증가하여도 출력값이 증가하지 아니하는 이유는 일반적으로 오버플로우(overflow)의 발생 때문이다. 오버플로우란 포토다이오드(PD)에 소정 전하 이상이 충전되면, 트랜스퍼 트랜지스터(M1)가 오프 상태인 경우에도 포토다이오드(PD)의 전하가 플로팅 확산 영역(FD)으로 이동하는 현상을 의미한다.

이와 같이 화소 회로(10)는 오버플로우에 의하여 동작 범위가 제한되어, 동작 범위를 넘는 세기의 빛이 입력되는 경우에 측정을 하지 못하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래의 화소 회로에 비하여 넓은 동작 범위를 가지는 CMOS형 이미지 센서용 화소 회로를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제1 측면은 입 력되는 광에 대응하는 전하를 생성하는 제1 및 제2 포토다이오드; 상기 제1 포토다이오드와 플로팅 확산 영역 사이에 연결되며, 제1 트랜스퍼 신호에 따라 동작하는 제1 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 제2 포토다이오드와 상기 플로팅 확산 영역 사이에 연결되며, 제2 트랜스퍼 신호에 따라 동작하는 제2 트랜스퍼 트랜지스터; 리셋 신호에 따라 상기 플로팅 확산 영역을 리셋하는 리셋 트랜지스터; 상기 플로팅 확산 영역의 전압을 증폭하여 출력하는 드라이브 트랜지스터; 및 상기 드라이브 트랜지스터에서 출력되는 증폭된 상기 전압을 셀렉트 신호에 따라 출력하는 셀렉트 트랜지스터를 구비하는 이미지 센서용 화소 회로를 제공한다.

본 발명의 제2 측면은 본 발명의 제1 측면에 의한 화소 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.

본 발명의 제3 측면은 입력되는 광에 대응하는 전하를 생성하는 제1 및 제2 포토다이오드; 상기 제1 포토다이오드와 플로팅 확산 영역 사이에 연결되며, 제1 트랜스퍼 신호에 따라 동작하는 제1 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 제2 포토다이오드와 상기 플로팅 확산 영역 사이에 연결되며, 제2 트랜스퍼 신호에 따라 동작하는 제2 트랜스퍼 트랜지스터; 리셋 신호에 따라 상기 플로팅 확산 영역을 리셋하는 리셋 트랜지스터; 상기 플로팅 확산 영역의 전압을 증폭하여 출력하는 드라이브 트랜지스터; 및 상기 드라이브 트랜지스터에서 출력되는 증폭된 상기 전압을 셀렉트 신호에 따라 출력하는 셀렉트 트랜지스터를 구비하는 화소 회로의 신호 처리 방법에 있어서, (a) 상기 제2 포토다이오드의 적분 시간이 상기 제1 포토다이오드의 적분시간보다 짧도록, 상기 제1 및 제2 트랜스퍼 신호, 상기 리셋 신호 및 상기 셀렉트 신호를 인가하여, 상기 제1 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하는 제1 전압 및 상기 제2 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하는 제2 전압을 구하는 단계; 및 (b) 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 어느 한 전압에 대응하는 측정된 조도를 출력하는 단계를 포함하는 신호 처리 방법을 제공한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인하여 한정되는 식으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

도 4를 참조하면, 화소 회로는 제1 포토 다이오드(PD1), 제2 포토 다이오드(PD2), 제1 트랜스퍼 트랜지스터(M1), 제2 트랜스퍼 트랜지스터(M1'), 리셋 트랜지스터(M2), 드라이브 트랜지스터(M3) 및 셀렉트 트랜지스터(M4)를 구비한다.

제1 및 제2 포토다이오드(PD1, PD2)는 각각 입력되는 광에 대응하는 전하를 생성하는 기능을 수행한다.

제1 트랜스퍼 트랜지스터(M1)는 제1 포토다이오드(PD1)와 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 연결되어 있으며, 제1 트랜스퍼 신호(φT1)에 따라 동작한다. 제2 트랜스퍼 트랜지스터(M1')는 제2 포토다이오드(PD2)와 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 연결되어 있으며, 제2 트랜스퍼 신호(φT2)에 따라 동작한다.

리셋 트랜지스터(M2)는 전원전압과 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 연결되어 있으며, 리셋 신호(φR)에 따라 플로팅 확산 영역(FD)을 리셋시키는 기능을 수행한다.

드라이브 트랜지스터(M3)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기 역할을 수행하여 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 증폭하여 출력한다. 소스 팔로워 버퍼 증폭기의 특성상 드라이브 트랜지스터(M3)의 전압 이득은 1일 수 있다.

셀렉트 트랜지스터(M4)는 셀렉트 신호(φX)에 따라 동작하며, 드라이브 트랜지스터(M3)에서 출력되는 전압 즉 증폭된 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 출력한다.

도 4에 표현된 본 발명의 실시예에 의한 CMOS형 이미지 센서용 화소 회로(20)는 포토다이오드(PD1, PD2), 트랜스퍼 트랜지스터(M1, M1') 및 트랜스퍼 신호(φT1, φT2)를 2개로 분리함으로써, 화소 회로(20)를 다양하게 제어할 수 있으며, 특히 종래기술에 의한 화소 회로(10)에 비하여 동작 영역을 넓힐 수 있다는 장점이 있다. 이하에서는 도 5 내지 8을 참조하여, 본 발명의 실시예에 의한 CMOS형 이미지 센서용 화소 회로(20)의 동작과 개선된 효과를 설명하도록 하겠다.

도 5는 도 4의 화소 회로(20)의 동작의 일례를 설명하기 위한 신호도이다. 도 5는 2개의 포토다이오드(PD1, PD2) 중 어느 한 포토다이오드인 제1 포토다이오드(PD1)는 긴 적분 시간(integration time)을 가지도록 트랜스퍼 신호(φT1)를 인가하고, 나머지 한 포토다이오드인 제2 포토다이오드(PD2)는 짧은 적분 시간을 가지도록 트랜스퍼 신호(φT2)를 인가하는 경우의 예이다.

도 5를 참조하면, 제1 포토다이오드(PD1)은 긴 적분 시간을 가지도록 제1 트랜스퍼 신호(φT1)가 인가되고, 제2 포토다이오드(PD2)는 짧은 적분 시간을 가지도록 제2 트랜스퍼 신호(φT2)가 인가된다. 일례로, 제2 포토다이오드(PD2)의 적분 시간은 제1 포토다이오드(PD1)의 반(1/2) 이하이다.

보다 구체적으로, 제1 기간(P11)에는 리셋 신호(φR)에 의하여 리셋 트랜지스터(M2)가 온 상태이고, 셀렉트 신호(φX)에 의하여 셀렉트 트랜지스터(M4)가 오프인 상태에서, 제1 트랜스퍼 트랜지스터(M1)를 온 상태로 만들어, 플로팅 확산 영역(FD) 및 제1 포토다이오드(PD1)를 리셋시킨다. 그리고, 제2 기간(P12)에는 제1 트랜스퍼 트랜지스터(M1)를 오프 상태로 만들어, 제1 포토다이오드(PD1)에 전하를 축적한다. 그리고, 제3 기간(P13)에는 리셋 신호(φR)에 의하여 리셋 트랜지스터(M2)가 오프 상태이고, 셀렉트 신호(φX)에 의하여 셀렉트 트랜지스터(M4)가 온인 상태에서, 제1 트랜스퍼 트랜지스터(M1)를 온 상태로 만들어, 제2 기간(P12)동안 제1 포토다이오드(PD1)에 축적된 전하에 대응하는 전압이 화소 회로(20)에서 출력되도록 한다.

또한, 제4 기간(P14)에는 리셋 트랜지스터(M2)가 온 상태이고, 셀렉트 트랜지스터(M4)가 오프인 상태에서, 제2 트랜스퍼 트랜지스터(M1')를 온 상태로 만들 어, 플로팅 확산 영역(FD) 및 제2 포토다이오드(PD2)를 리셋시킨다. 그리고, 제5 기간(P15)에는 제2 트랜스퍼 트랜지스터(M1')를 오프 상태로 만들어, 제2 포토다이오드(PD2)에 전하를 축적한다. 그리고, 제6 기간(P16)에는 리셋 트랜지스터(M2)가 오프 상태이고, 셀렉트 트랜지스터(M4)가 온인 상태에서, 제2 트랜스퍼 트랜지스터(M1')를 온 상태로 만들어, 제5 기간(P15)동안 제2 포토다이오드(PD2)에 축적된 전하에 대응하는 전압이 화소 회로(20)에서 출력되도록 한다.

도면에 표현된 바와 같이, 제2 기간(P12)보다 제5 기간(P15)을 짧게 설정함으로써, 제1 포토다이오드(PD1)의 누적 시간보다 제2 포토다이오드(PD2)의 누적 시간을 짧게 한다.

도면에는 제3 기간(P13) 및 제6 기간(P16) 사이의 기간 중에 리셋 트랜지스터(M2)를 온 시킴으로써, 플로팅 확산 영역(PD)을 리셋시킨다. 그렇게 함으로써, 제 6 기간(P16)에는 제2 포토다이오드(PD2)에 축적된 전하에만 대응하는 전압이 화소 회로(20)에서 출력된다.

도면과 달리 제3 기간(P13) 및 제6 기간(P16) 사이의 기간 중에 리셋 트랜지스터(M2)를 온 시키지 않을 수도 있다. 이 경우에는, 제6 기간(P16)에 제1 및 제2 포토다이오드(PD1, PD2)에 축적된 전하의 합에 대응하는 전압이 화소 회로(20)에서 출력된다. 그러나, 이후의 연산(제1 및 제2 포토다이오드(PD1, PD2)에 축적된 전하의 합과 제1 포토아이오드(PD1)에 축적된 전하의 차)에 의하여, 제2 포토다이오드(PD2)에 축적된 전하를 구할 수 있다. 따라서, 도면과 달리 제3 기간(P13) 및 제6 기간(P16) 사이의 기간 중에 리셋 트랜지스터(M2)를 온 시키지 않아도 무방하다.

도 6은 도 5에 표현된 신호를 인가받은 화소 회로(20)의 출력 특성을 종래 기술에 의한 화소 회로(10)의 출력 특성과 비교하기 위한 도면이다. 설명의 편의를 위하여 본 발명의 실시예에 의한 화소 회로(20)의 제1 및 제2 포토다이오드(PD1, PD2) 각각의 면적은 종래기술에 의한 화소 회로(10)의 포토다이오트(PD)의 면적의 반인 것으로 가정한다.

도 6을 참조하면, 제1 포토다이오드(PD1)는 종래기술에 의한 포토다이오드(PD)와 적분 시간이 동일하므로, 제1 포토다이오드(PD1)의 동작범위와 종래기술에 의한 포토다이오드(PD)의 동작 범위는 동일하다. 이에 반하여, 제2 포토다이오드(PD2)의 적분 시간은 제1 포토다이오드(PD1)의 적분 시간보다 작으므로, 제2 포토다이오드(PD2)의 동작범위는 제1 포토다이오드(PD1)의 동작범위보다 넓다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의한 화소 회로(10)는 기본적으로 종래기술에 의한 화소 회로(20)보다 넓은 동작 범위를 가질 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 의한 화소 회로(20)는 빛의 세기가 소정 값(TH) 이하인 경우에는 제1 포토다이오드(PD1)에 축적된 전하에 대응하는 출력만을 이용하거나, 제1 포토다이오드(PD1)에 축적된 전하에 대응하는 출력 및 제2 포토다이오드(PD2)에 축적된 전하에 대응하는 출력의 합을 이용함으로써, 감도(sensitivity)의 희생을 줄일 수 있으며, 빛의 세기가 소정 값 이상인 경우에는 제2 포토다이오드(PD2)에 축적된 전하에 대응하는 출력을 이용함으로써, 감도가 희생되더라도 동작 범위를 넓힐 수 있다. 상기 소정 값(TH)은 제1 포토다이오드(PD1)의 출력이 수렴하는 빛의 세기(SAT1)보다 다소 낮은 빛의 세기에 해당하는 값인 것이 바람직하 다. 빛의 세기가 소정 값(TH) 이하인지 여부는 제1 포토다이오드(PD1)에 축적된 전하에 대응하는 출력을 이용하여 쉽게 판단할 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 의한 화소 회로(20)는 화소 회로(20)별로 제1 포토다이오드(PD1)에 축적된 전하에 대응하는 출력만을 이용하거나, 제1 포토다이오드(PD1)에 축적된 전하에 대응하는 출력 및 제2 포토다이오드(PD2)에 축적된 전하에 대응하는 출력의 합을 이용함으로써 감도를 높일 것이지, 아니면 제2 포토다이오드(PD2)에 축적된 전하에 대응하는 출력의 합을 이용함으로써 동작 범위를 높일 것인지를 선택할 수 있다는 장점이 있다. 감도를 높일 수 있는 종래기술로서, 노출 시간을 줄이는 물리적인 셔터(shutter)가 있었다. 그러나, 이 셔터는 이미지 센서에 포함된 모든 화소에 적용되므로, 동작 범위를 넓히기 위해서는 이미지 센서에 포함된 모든 화소의 감도를 떨어뜨려야 한다. 그러나, 본 발명의 실시예에 의한 화소 회로(20)는 제1 포토다이오드(PD1)에 축적된 전하에 대응하는 전압 및 제2 포토다이오드(PD1)에 축적된 전하에 대응하는 전압을 출력하므로, 이후의 신호 처리(화소 회로(20)의 외부에 위치한 신호 처리부(미도시)에서 수행됨)를 통하여, 감도를 희생하더라도 동작 범위를 넓힐 것인지, 아니면 동작 범위를 희생하더라도 감도를 높힐 것인지를 선택할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의한 화소 회로(20)를 이미지 센서에 적용할 경우에, 이미지 센서에 포함된 화소 회로별로 서로 다른 선택이 가능하여, 이미지 센서에 포함된 일부의 화소 회로(낮은 조도의 광을 받는 화소 회로)는 높은 감도를 선택하고, 나머지 화소 회로는(높은 조도의 광을 받는 화소 회로)는 넓은 동작 영역을 선택할 수 있다.

도 7은 도 4의 화소 회로(20)의 동작의 다른 예를 설명하기 위한 신호도이다. 도 7은 2개의 포토다이오드(PD1, PD2) 모두 긴 적분 시간(integration time)을 가지도록 트랜스퍼 신호(φT1, φT2)를 인가하는 경우의 예이다.

도 7의 신호도는 제1 및 제2 포토다이오드(PD1, PD2) 모두가 긴 적분 시간을 가진다는 차이점을 제외하고는 도 5의 신호도와 동일하므로, 설명의 편의를 위하여 도 7의 신호도에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 8은 도 7에 표현된 신호를 인가받은 화소 회로(20)의 출력 특성을 종래 기술에 의한 화소 회로(10)의 출력 특성과 비교하기 위한 도면이다. 설명의 편의를 위하여 본 발명의 실시예에 의한 화소 회로(20)의 제1 및 제2 포토다이오드(PD1, PD2) 각각의 면적은 종래기술에 의한 화소 회로(10)의 포토다이오트(PD)의 면적의 반(1/2)인 것으로 가정한다.

도 8을 참조하면, 제1 및 제2 포토다이오드(PD1, PD2)는 종래기술에 의한 포토다이오드(PD)와 동일한 적분 시간을 가지므로, 제1 포토다이오드(PD1)에 축적된 전하에 대응하는 출력 및 제2 포토다이오드(PD2)에 축적된 전하에 대응하는 출력의 합은 종래기술에 의한 포토다이오드(PD)의 출력과 동일하다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의한 화소 회로(20)는, 원하는 경우에, 종래기술과 동일한 감도를 유지할 수도 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 의한 화소 회로(20)는 도 7과 같은 신호가 입력되도록 모드 선택을 하여 종래기술과 동일한 감도와 동일한 동작 범위를 얻을 수도 있으며, 도 5와 같은 신호가 입력되도록 모드 선택을 하여 감도에 희생이 있더 라도 동작 범위를 넓힐 수 있다. 물론 도 5와 같은 신호가 입력되더라도 항상 감도에 큰 희생이 발생하는 것은 아니고, 낮은 조도에서는 감도에 작은 손실만이 있고, 높은 조도에서는 감도에 상대적으로 큰 손실이 있으나 동작 범위가 넓어진다는 것은 상술한 바와 같다.

본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서용 화소 회로는 선택 가능한 다양한 동작(예로써 도 7과 같이 신호를 인가함으로써, 종래기술과 동일한 감도 및 동작 범위를 가지게 하거나, 도 5와 같이 신호를 인가함으로써, 감도에 다소 희생이 따르더라도 넓은 동작범위를 가지게 함)을 제공할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서용 화소 회로는 도 6에 표현된 바와 같이 동작 범위를 넓힐 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서용 화소 회로는 화소 회로별로 넓은 동작 범위를 선택하거나, 높은 감도를 선택할 수 있도록 한다는 장점이 있다. 즉, 본 발명에 의한 화소 회로를 채용할 경우, 이미지 센서에 포함된 화소 회로들 중 일부 화소 회로는 넓은 동작 범위를 선택하고, 나머지 화소 회로는 높은 감도를 선택하는 것을 가능하게 한다. 보다 구체적으로, 높은 감도가 필요한 화소 회로(일례로 낮은 조도의 광이 입력되는 화소 회로)에 대해서는 이후의 신호 처리에서 제1 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하는 출력만을 이용하거나, 제1 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하는 출력 및 제2 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하는 출력 의 합을 이용함으로써 감도를 높일 수 있다. 또한, 넓은 동작 범위가 필요한 화소 회로(일례로 높은 조도의 광이 입력되는 화소 회로)에 대해서는 이후의 신호 처리에서 제2 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하는 출력만을 이용함으로써 동작 범위를 높일 수 있다.

Claims

입력되는 광에 대응하는 전하를 생성하는 제1 및 제2 포토다이오드;

상기 제1 포토다이오드와 플로팅 확산 영역 사이에 연결되며, 제1 트랜스퍼 신호에 따라 동작하는 제1 트랜스퍼 트랜지스터;

상기 제2 포토다이오드와 상기 플로팅 확산 영역 사이에 연결되며, 제2 트랜스퍼 신호에 따라 동작하는 제2 트랜스퍼 트랜지스터;

리셋 신호에 따라 상기 플로팅 확산 영역을 리셋하는 리셋 트랜지스터;

상기 플로팅 확산 영역의 전압을 증폭하여 출력하는 드라이브 트랜지스터; 및

상기 드라이브 트랜지스터에서 출력되는 증폭된 상기 전압을 셀렉트 신호에 따라 출력하는 셀렉트 트랜지스터

를 구비하는 이미지 센서용 화소 회로.
제1 항에 있어서,

상기 제2 포토다이오드의 적분 시간은 상기 제1 포토다이오드의 적분 시간보다 짧은 이미지 센서용 화소 회로.
제2 항에 있어서,

상기 제2 포토다이오드의 적분 시간은 상기 제1 포토다이오드의 적분 시간의 1/2 이하인 이미지 센서용 화소 회로.
상기 제1 내지 제3 항 중 어느 한 항에 의한 화소 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
입력되는 광에 대응하는 전하를 생성하는 제1 및 제2 포토다이오드; 상기 제1 포토다이오드와 플로팅 확산 영역 사이에 연결되며, 제1 트랜스퍼 신호에 따라 동작하는 제1 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 제2 포토다이오드와 상기 플로팅 확산 영역 사이에 연결되며, 제2 트랜스퍼 신호에 따라 동작하는 제2 트랜스퍼 트랜지스터; 리셋 신호에 따라 상기 플로팅 확산 영역을 리셋하는 리셋 트랜지스터; 상기 플로팅 확산 영역의 전압을 증폭하여 출력하는 드라이브 트랜지스터; 및 상기 드라이브 트랜지스터에서 출력되는 증폭된 상기 전압을 셀렉트 신호에 따라 출력하는 셀렉트 트랜지스터를 구비하는 화소 회로의 신호 처리 방법에 있어서,

(a) 상기 제2 포토다이오드의 적분 시간이 상기 제1 포토다이오드의 적분시간보다 짧도록, 상기 제1 및 제2 트랜스퍼 신호, 상기 리셋 신호 및 상기 셀렉트 신호를 인가하여, 상기 제1 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하는 제1 전압 및 상기 제2 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하는 제2 전압을 구하는 단계; 및

(b) 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 어느 한 전압에 대응하는 측정된 조도를 출력하는 단계를 포함하는 신호 처리 방법.
제5 항에 있어서,

상기 (b) 단계는

(b1) 고조도라고 판단되는 경우에 수행되며, 상기 제2 전압에 대응하는 상기 측정된 조도를 출력하는 단계를 포함하는 신호 처리 방법.
제6 항에 있어서,

상기 (b) 단계는

(b2) 저조도라고 판단되는 경우에 수행되며, 상기 제1 전압에 대응하는 상기 측정된 조도를 출력하는 단계를 더 포함하는 신호 처리 방법.
제7 항에 있어서,

(b3) 상기 (b1) 및 상기 (b2) 단계 이전에 수행되며, 상기 제1 전압의 값을 소정 값과 비교한 결과에 따라 상기 저조도인지 상기 고조도인지 판단하는 단계를 더 포함하는 신호 처리 방법.