KR20090015286A - Image sensor and operating method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리셋 소자의 전위 레벨을 적절하게 조절할 수 있는 이미지 센서 및 그 구동 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensor, and more particularly, to an image sensor and a driving method thereof capable of appropriately adjusting the potential level of the reset element.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.An image sensor is an element that converts an optical image into an electrical signal. Recently, with the development of the computer industry and the communication industry, the demand for improved image sensors in various fields such as digital cameras, camcorders, personal communication systems (PCS), gaming devices, security cameras, medical micro cameras, robots, etc. is increasing. have.
이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서를 포함한다. 특히, CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 이러한 CMOS 이미지 센서는 다양한 구조로 구현될 수 있으나, 주로 사용되는 구조는 4개의 트랜지스터와 포토 다이오드(photodiode)를 사용한 구조(이하, ‘4Tr 구조’)이다. 일반적인 CMOS 제작 공정을 이용하여 4Tr 구조를 제작한다. The image sensor includes a charge coupled device (CCD) and a CMOS image sensor. In particular, the CMOS image sensor has an advantage of a simple driving method and a low manufacturing cost because the CMOS process technology can be used interchangeably. The CMOS image sensor may be implemented in various structures, but a structure mainly used is a structure using four transistors and a photodiode (hereinafter, referred to as a “4Tr structure”). 4Tr structure is fabricated using general CMOS fabrication process.
4Tr 구조를 사용한 이미지 센서의 구동을 설명하면 다음과 같다. 포토 다이 오드는 빛 에너지를 흡수하여 광량에 해당하는 전하를 축적하고, 전하 전송 소자는 포토 다이오드에 축적된 전하를 전하 검출 소자로 전송한다. 증폭 소자는 정전류원과 조합하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifer) 역할을 하여, 전하 검출 소자의 전위에 응답하여 변하는 전압을 수직 신호 라인으로 출력한다.The driving of an image sensor using a 4Tr structure is as follows. The photodiode absorbs light energy to accumulate charge corresponding to the amount of light, and the charge transfer element transfers the charge accumulated in the photodiode to the charge detection element. The amplifying element acts as a source follower buffer amplifier in combination with a constant current source to output a voltage that changes in response to the potential of the charge detection element as a vertical signal line.
특히, 리셋 소자는 전하 검출 소자의 신호를 리셋시키는 역할을 한다. 통상적으로 전하 전송 소자가 가지는 전위의 로우 레벨보다 리셋 소자가 가지는 전위의 로우 레벨이 높게 만들어진다. 또한, 전하 전송 소자가 가지는 전위의 하이 레벨보다 리셋 소자가 가지는 전위의 하이 레벨을 높게 만들어야 한다. 종래에는, 리셋 게이트에 N-타입(type)의 이온을 주입하여, 리셋 소자의 전위 레벨을 조절하였다.In particular, the reset element serves to reset the signal of the charge detection element. Typically, the low level of the potential of the reset element is made higher than the low level of the potential of the charge transfer element. In addition, the high level of the potential of the reset element should be made higher than the high level of the potential of the charge transfer element. Conventionally, the potential level of a reset element was adjusted by injecting N-type ions into the reset gate.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 리셋 소자의 전위 레벨을 적절하게 조절할 수 있는 이미지 센서를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide an image sensor capable of appropriately adjusting the potential level of the reset element.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 리셋 소자의 전위 레벨을 적절하게 조절할 수 있는 이미지 센서 이미지 센서의 구동 방법을 제공하는 것이다.Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method of driving an image sensor image sensor capable of appropriately adjusting the potential level of the reset element.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 광전 변환 소자, 전하 검출 소자, 상기 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전하 검출 소자에 전송하는 전하 전송 소자 및 상기 전하 검출 소자를 리셋하기 위한 리셋 소자를 포함하는 단위 화소가 매트릭스 형태로 배열된 화소 배열부 및 상기 리셋 소자에 전원 전압보다 높은 레벨을 갖도록 부스팅된 리셋 신호를 제공하는 행구동부를 포함한다.An image sensor according to an embodiment of the present invention for solving the above problems is a photoelectric conversion element, a charge detection element, a charge transfer element for transferring the charge accumulated in the photoelectric conversion element to the charge detection element and the charge detection element reset The pixel array unit includes a pixel array unit including a reset element to form a matrix, and a row driver configured to provide a reset signal boosted to the reset element to have a level higher than a power supply voltage.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법은 광전 변환 소자, 전하 검출 소자, 상기 광전 변환 소자와 상기 전하 검출 소자 사이에 커플링된 전하 전송 소자 및 상기 전하 검출 소자와 커플링된 리 셋 소자를 포함하는 단위 화소를 제공하고, 상기 리셋 소자에 전원 전압보다 높은 레벨을 갖도록 부스팅된 리셋 신호를 제공하여, 상기 전하 검출 소자를 리셋하며, 상기 전하 전송 소자에 전하 전송 신호를 제공하여, 상기 광전 변환 소자에 축적된 전하를 상기 전하 검출 소자에 전송하는 것을 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of driving an image sensor, including: a photoelectric conversion device, a charge detection device, a charge transfer device coupled between the photoelectric conversion device and the charge detection device, and the charge detection device; Providing a unit pixel including a reset device coupled with the device, and providing a reset signal boosted to have a level higher than a power supply voltage to the reset device to reset the charge detection device and charge the charge transfer device. Providing a transfer signal to transfer the charge accumulated in the photoelectric conversion element to the charge detection element.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Other specific details of the invention are included in the detailed description and drawings.
본 발명에 따른 이미지 센서에 의하면, 부스팅된 리셋 신호를 사용하여, 리셋 소자의 전위 레벨을 적절하게 조절할 수 있다.According to the image sensor according to the present invention, the boosted reset signal can be used to appropriately adjust the potential level of the reset element.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Thus, in some embodiments, well known process steps, well known device structures and well known techniques are not described in detail in order to avoid obscuring the present invention. Like reference numerals refer to like elements throughout.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적 으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used in the present specification (including technical and scientific terms) may be used in a sense that can be commonly understood by those skilled in the art. In addition, the terms defined in the commonly used dictionaries are not ideally or excessively interpreted unless they are specifically defined clearly.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서를 포함한다. 여기서, CCD는 이미지 센서에 비해 잡음(noise)이 적고 화질이 우수하지만, 고전압을 요구하며 공정 단가가 비싸다. CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 이미지 센서로 CMOS 이미지 센서를 예시하여 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 그대로 CCD에도 적용될 수 있음은 물론이다.An image sensor according to embodiments of the present invention includes a charge coupled device (CCD) and a CMOS image sensor. Here, the CCD has less noise and better image quality than the image sensor, but requires a high voltage and a high process cost. CMOS image sensors are simple to drive and can be implemented in a variety of scanning methods. In addition, since the signal processing circuit can be integrated on a single chip, the product can be miniaturized, and the CMOS process technology can be used interchangeably to reduce the manufacturing cost. Its low power consumption makes it easy to apply to products with limited battery capacity. Therefore, hereinafter, a CMOS image sensor will be described as an image sensor of the present invention. However, the technical idea of the present invention can be applied to the CCD as it is.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 도 1 내지 도 6를 참조함으로써 잘 이해될 수 있다.An image sensor according to embodiments of the present invention can be well understood by referring to FIGS. 1 to 6.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram illustrating an image sensor according to an exemplary embodiment.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 화소 배열부(10), 행 구동부(20), 상관 이중 샘플링부(Correlated Double Sampler, CDS; 70), 아날로그-디지털 변환부(Analog to Digital Converter, ADC; 80)를 포함한다.Referring to FIG. 1, an image sensor 1 according to an exemplary embodiment may include a
화소 배열부(10)는 2차원적으로 배열된 다수 개의 단위 화소를 포함한다. 다수 개의 단위 화소들은 광학 영상을 전기적 신호로 변환하는 역할을 한다. 화소 배 열부(10)는 행 구동부(20)로부터 선택 신호(ROW), 전하 전송 신호(TG), 부스팅된 리셋 신호(BRST) 등 다수 개의 구동 신호를 수신하여 구동된다. 또한, 변환된 전기적 신호는 수직 신호 라인(12)을 통해서 상관 이중 샘플링부(70)에 제공된다.The
행 구동부(20)는 타이밍 제너레이터(timimng generator; 도면 미도시)로부터 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 수신하여, 다수 개의 단위 화소들의 읽기 동작 등을 구동하기 위한 다수 개의 구동 신호를 화소 배열부(10)에 제공한다. 일반적으로 단위 화소가 매트릭스 형태로 배열된 경우에는 각 행(row)별로 구동 신호를 제공한다.The
행 구동부(20)는 구동 신호 제공부(30), 부스팅부(40)를 포함한다.The
구동 신호 제공부(30)는 행 단위로 선택 신호(ROW), 전하 전송 신호(TG)를 화소 배열부(10)에 제공하고, 리셋 신호(RST)를 부스팅부(50)에 제공한다.The driving
부스팅부(40)는 리셋 신호(RST)를 부스팅하여 전원 전압(Vdd)보다 높은 레벨을 갖는 부스팅된 리셋 신호(BRST)를 제공한다.The
선택 신호(ROW)는 화소 배열부(10) 내의 선택 소자를 제어하는 신호로, 예를 들어 i번째 선택 신호 라인(14)을 통해서 i번째 행의 선택 소자에 제공된다.The select signal ROW is a signal for controlling the select element in the
전하 전송 신호(TG)는 화소 배열부(10) 내의 전하 전송 소자를 제어하는 신호로, 예를 들어 i번째 전하 전송 신호 라인(18)을 통해서 i번째 행의 전하 전송 소자에 제공된다.The charge transfer signal TG is a signal for controlling the charge transfer element in the
부스팅부(40)에 제공된 리셋 신호(RST)는 부스팅부(40)에서 부스팅되어 부스팅된 리셋 신호(BRST)가 된다. 부스팅된 리셋 신호(BRST)는 화소 배열부(10) 내의 리셋 소자를 제어하는 신호로, 예를 들어 i번째 리셋 신호 라인(18)을 통해서 i번째 행의 리셋 소자에 제공된다.The reset signal RST provided to the
상관 이중 샘플링부(70)는 화소 배열부(10)에 형성된 전기적 신호를 수직 신호 라인(12)을 통해 수신하여 유지(hold) 및 샘플링한다. 즉, 특정한 기준 전압 레벨(이하, ‘잡음 레벨(noise level)’)과 형성된 전기적 신호에 의한 전압 레벨(이하, ‘신호 레벨’)을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력한다. 단위 화소 및 수직 신호 라인(12)의 특성 분산으로 인한 고정적인 잡음 레벨을 억제하는 역할을 한다. 앰프(amplifier; 도면 미도시)는 상관 이중 샘플링부(70)로부터 차이 레벨을 제공받아, 프로그램 가능한 이득을 통해 적정한 이득을 갖는 아날로그 신호로 출력한다.The correlated
아날로그-디지털 변환부(80)는 앰프(도면 미도시)로부터 아날로그 신호를 수신하여, 오프셋(offset) 보정을 위한 디지털 신호를 출력한다. 디지털 신호는 래치부(도면 미도시)에 의해 래치(latch)되고, 데이터 선택 소자(도면 미도시)는 래치된 신호를 다중화부(MUX; 도면 미도시)에 제공한다. 다중화부(도면 미도시)는 제공된 신호를 모두 직렬로 배치하고, 직렬화된 신호를 영상신호 처리부(도면 미도시)에 제공한다.The analog-to-
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 회로도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 개략적인 평면도이다.2 is a circuit diagram of a unit pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment. 3 is a schematic plan view of a unit pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)의 단 위 화소(100)는 광전 변환 소자(110), 전하 검출 소자(120), 전하 전송 소자(130), 리셋 소자(140), 증폭 소자(150), 선택 소자(160)를 포함한다.2 and 3, the
광전 변환 소자(110)는 물체에서 반사된 빛 에너지를 흡수하여, 광량에 대응하여 발생한 전하를 축적한다. 광전 변환 소자(110)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합이 가능하다.The
전하 검출 소자(120)는 플로팅 확산 영역(FD; Floating Diffusion region)이 주로 사용되며, 광전 변환 소자(110)에서 축적된 전하를 전송받는다. 전하 검출 소자(120)는 기생 커패시턴스를 갖고 있기 때문에, 전하가 누적적으로 저장된다. 전하 검출 소자(120)는 증폭 소자(150)의 게이트에 전기적으로 연결되어 있어, 증폭 소자(150)를 제어한다.As the
전하 전송 소자(130)는 광전 변환 소자(110)에서 전하 검출 소자(120)로 전하를 전송한다. 전하 전송 소자(130)는 일반적으로 1개의 트랜지스터로 이루어지며, 전하 전송 신호(TG)에 의해 제어된다.The
리셋 소자(140)는 전하 검출 소자(120)의 신호를 주기적으로 리셋시킨다. 리셋 소자(140)의 소스는 전하 검출 소자(120)에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다. 또한, 부스팅된 리셋 신호(BRST)에 응답하여 구동된다.The
여기서, 통상적으로 전하 전송 소자(130)가 가지는 전위의 로우 레벨보다 리셋 소자(140)가 가지는 전위의 로우 레벨이 높게 만들어진다. 또한, 전하 전송 소자(130)가 가지는 전위의 하이 레벨보다 리셋 소자(140)가 가지는 전위의 하이 레 벨을 높게 만들어야 한다.Here, the low level of the potential of the
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 리셋 소자(140)의 전위 레벨을 적절하게 조절하기 위하여, 부스팅된 리셋 신호(BRST)를 제공한다. 이에 관하여는 도 4a, 도 4b, 및 도 5를 참조하여 후술한다.The image sensor 1 according to an embodiment of the present invention provides a boosted reset signal BRST in order to appropriately adjust the potential level of the
증폭 소자(150)는 단위 화소(100) 외부에 위치하는 정전류원(도면 미도시)과 조합하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며, 전하 검출 소자(120)의 전위에 응답하여 변하는 전압이 수직 신호 라인(12)으로 출력된다. 소스는 선택 소자(160)의 드레인에 연결되고, 드레인은 전원 전압(Vdd)에 연결된다.The
선택 소자(160)는 행 단위로 읽어낼 단위 화소(100)를 선택하는 역할을 한다. 선택 신호(ROW)에 응답하여 구동되고, 소스는 수직 신호 라인(12)에 연결된다.The
한편, 전하 전송 소자(130), 리셋 소자(140), 선택 소자(160)의 구동 신호 라인(18, 16, 14)은 동일한 행에 포함된 단위 화소들이 동시에 구동되도록 행 방향(수평 방향)으로 연장된다.Meanwhile, the driving
도 4a, 도 4b 및 도 5를 참조하여, 부스팅된 리셋 신호(BRST)를 제공하여, 리셋 소자(140)의 전위 레벨을 적절하게 조절하는 것을 설명한다. 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 있어서, 리셋 신호와 부스팅된 리셋 신호를 나타내는 도면이다. 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서에 있어서, 부스팅된 리셋 신호를 나타내는 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 있어서, 전하 전송 신호와 부스팅된 리셋 신호의 전위 레벨을 나타내 는 도면이다.4A, 4B, and 5, the boosted reset signal BRST is provided to properly adjust the potential level of the
구동 신호 제공부가 리셋 신호(RST)를 부스팅부에 제공하면, 부스팅부는 리셋 신호(RST)를 부스팅하여 전원 전압(Vdd)보다 높은 레벨을 가진 부스팅된 리셋 신호(BRST)를 제공한다. 부스팅된 리셋 신호(BRST)는 화소 배열부의 특정한 행에 위치하는 단위 화소들에 공통된(common) 신호이다. 하나의 부스팅부는 화소 배열부의 모든 행에 부스팅된 리셋 신호(BRST)를 제공한다.When the driving signal providing unit provides the reset signal RST to the boosting unit, the boosting unit boosts the reset signal RST to provide a boosted reset signal BRST having a level higher than the power supply voltage Vdd. The boosted reset signal BRST is a signal common to the unit pixels positioned in a specific row of the pixel array unit. One boosting unit provides a boosted reset signal BRST to all rows of the pixel array unit.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 있어서 리셋 신호(RST)의 로우 레벨은 0, 하이 레벨은 전원 전압(Vdd)이지만, 부스팅된 리셋 신호(BRST)는 부스팅부에 의하여 전압이 α 만큼 부스팅되어, 로우 레벨은 α, 하이 레벨은 전원 전압(Vdd)+α가 된다. 그 결과 리셋 소자(140)의 전위를 전하 전송 소자(130)의 전위보다 높일 수 있다.Referring to FIG. 4A, in the exemplary embodiment of the present invention, the low level of the reset signal RST is 0 and the high level is the power supply voltage Vdd, but the boosted reset signal BRST has a voltage α due to the boosting unit. The low level becomes α, and the high level becomes power supply voltage Vdd + α. As a result, the potential of the
도 5를 참조하여 상세히 설명하면, 리셋 소자(140)가 가지는 전위의 로우 레벨(RGL)과 하이 레벨(RGH)이 각각 전하 전송 소자(130)가 가지는 로우 레벨(TGL) 및 하이 레벨(TGH)보다 α 만큼 높게 만들 수 있다. 또한, 리셋 소자(140)가 가지는 전위의 하이 레벨(RGH)을 전원 전압(Vdd)보다 높은 레벨 곧 전원 전압(Vdd)+α을 가지도록 할 수 있다.Referring to FIG. 5, the low level RGL and the high level RGH of the potential of the
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서에 있어서, 부스팅부는 예를 들어 2회 이상의 부스팅을 거쳐 부스팅된 리셋 신호(BRST)를 제공할 수 있다. 즉, 전원 전압(Vdd)보다 높은 레벨을 가지도록 부스팅된 리셋 신호(BRST)는 서로 다른 다수 개(예를 들어, 2개 이상)의 레벨을 가질 수도 있다. 그 일 예로서, 도 4b는 2회의 단계를 거쳐 상승된 부스팅된 리셋 신호(BRST)를 나타낸다.In the image sensor according to another exemplary embodiment of the present disclosure, the boosting unit may provide the boosted reset signal BRST through two or more boosts, for example. That is, the reset signal BRST boosted to have a level higher than the power supply voltage Vdd may have a plurality of different levels (for example, two or more levels). As an example, FIG. 4B shows the boosted reset signal BRST raised in two steps.
이와 같이 함으로써 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 전원 전압(Vdd)과 전압 레벨 차이가 큰 전원 전압(Vdd)보다 높은 전압이 갑자기 인가됨으로써 발생될 수 있는 스트레스를 감소시킬 수 있다.In this manner, the image sensor 1 according to another exemplary embodiment of the present invention may reduce stress that may be generated by sudden application of a voltage higher than the power supply voltage Vdd having a large difference in voltage level from the power supply voltage Vdd. .
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개념도와 전위 도면(potential diagram)이다. 도 6은 부스팅된 리셋 신호(BRST), 전하 전송 신호(TG)에 따른 전위의 변화를 나타낸다. 전위 도면은 아래 방향이 전위가 증가되는 방향이다.6 is a conceptual diagram and potential diagram of an image sensor according to an embodiment of the present invention. 6 shows a change in potential according to the boosted reset signal BRST and the charge transfer signal TG. The dislocation diagram is a direction in which the dislocation increases.
일반적으로, 화소 배열부(도 1의 10 참조)에 위치하는 모든 단위 화소들은 공통적으로 전하를 축적(integration)하게 된다. 또한, 부스팅된 리셋 신호(BRST), 선택 신호(ROW)는 화소 배열부의 특정한 행(row)에 위치하는 단위 화소들에 공통된(common) 신호이다.In general, all the unit pixels located in the pixel array unit (see 10 of FIG. 1) commonly integrate charges. In addition, the boosted reset signal BRST and the selection signal ROW are signals common to the unit pixels positioned in a specific row of the pixel array unit.
화소 배열부에는 N개의 행으로 이루어져 있고, 각 행들은 ROW(1), …… , ROW(i), ROW(i+1), …… , ROW(N)의 순서로 순차적으로 읽혀진다. 설명의 편의상 ROW(i)을 위주로 설명하기로 한다.The pixel array section is composed of N rows, each of which is ROW (1),... … , ROW (i), ROW (i + 1),... … , ROW (N) is read sequentially. For convenience of explanation, the description will focus on ROW (i).
도 6을 참조하여 광전 변환 소자(110)를 핀드 포토 다이오드로 사용한 이미지 센서(1)의 구동(operation)을 설명한다.6, operation of the image sensor 1 using the
시간 t1까지의 구간(0<t<t1)은 비선택 상태이다. 즉, 선택 신호(ROW), 전하 전송 신호(TG)는 로우(low)이고, 부스팅된 리셋 신호(BRST)만 하이(high)가 된다. 그런데, 전하 전송 소자(130)는 과도한 빛 에너지가 조사되었을 때 발생할 수 있는 광전 변환 소자(110)에서의 오버 플로우(overflow) 현상을 막기 위해 공핍형(depletion type) 트랜지스터 또는 낮은 문턱 전압(Vth)을 갖는 증가형(enhancement type) 트랜지스터를 사용할 수 있다. 따라서, 전하 전송 소자(130)가 비활성시에도 소정의 채널이 형성되어 일정량 이상의 전하가 전하 전송 소자(130)를 통해서 전하 검출 소자(120)로 빠져나가게 된다.The
이 때, 리셋 소자(140)를 리셋시키기 위하여, 부스팅된 리셋 신호(BRST)를 사용하므로, 리셋 소자의 전위 레벨을 적절하게 조절할 수 있다. 또한, 리셋 소자(140)가 가지는 전위의 하이 레벨(RGH)을 전원 전압(Vdd)보다 높은 레벨을 가지도록 할 수 있다. 따라서, 전하 검출 소자(120)의 전하가 충분히 외부로 배출될 수 있다.At this time, since the boosted reset signal BRST is used to reset the
본 발명의 일 실시예에서 리셋 게이트(145)는 별도의 이온 주입으로 조절될 수도 있고, 그렇지 아니할 수도 있다. 곧, 본 발명의 또 다른 실시예에서 리셋 게이트(145)에 별도의 이온 주입을 하면서, 부스팅된 리셋 신호(BRST)를 사용함을 병행하여 리셋 소자(140)의 전위 레벨을 적절하게 조절할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the
시간 t1에서 선택 신호(ROW)가 하이가 되면, 선택 소자(160)는 활성화된다. 즉, 전하 검출 소자(120)에 저장된 전하들이 선택된 단위 화소(100)와 연결된 수직 신호 라인(도 1의 12 참조)을 통해서 읽혀질 수 있도록 준비된다.When the selection signal ROW becomes high at time t1, the
시간 t2에서 부스팅된 리셋 신호(BRST)는 로우(low)가 된다. 부스팅된 리셋 신호(BRST)가 로우(low)가 되면, 각 화소마다 다른 오프셋(offset) 레벨, 즉 잡음 레벨이 수직 신호 라인(12)을 통해서 읽혀진다. 도면에는 표시하지 않았으나, 수직 신호 라인(12) 상의 잡음 레벨은 샘플 홀드 펄스(SHP)에 의해 상관 이중 샘플링부(도 1의 70 참조)에 보유된다.The reset signal BRST boosted at time t2 becomes low. When the boosted reset signal BRST goes low, a different offset level, that is, a noise level, is read through the
시간 t3에서 전하 전송 신호(TG)가 하이가 되면, 전하 전송 소자(130)는 활성화된다. 즉, 광전 변환 소자(110)에서 전하 검출 소자(120)로 축적된 전하를 전송한다. 이 때, 전하 검출 소자(120)는 기생 커패시턴스를 갖고 있으므로 전하가 누적적으로 저장되고, 이에 따라서 전하 검출 소자(120)의 전위는 변화된다.When the charge transfer signal TG becomes high at time t3, the
시간 t4에서 전하 전송 신호(TG)는 로우가 된다. 전하 전송 신호(TG(i))가 로우가 되면, 변화된 전하 검출 소자(120)의 전위, 즉 신호 레벨이 수직 신호 라인(12)을 통해서 읽혀진다. 도면에는 표시하지 않았으나, 수직 신호 라인(12) 상의 신호 레벨은 샘플 홀드 펄스(SHD)에 의해 상관 이중 샘플링부(70)에 보유된다.At time t4, the charge transfer signal TG goes low. When the charge transfer signal TG (i) goes low, the potential of the changed
즉, 하나의 단위 화소(도 2의 100)에서 잡음 레벨과 신호 레벨이 각각 순차적으로 샘플링된다. 물론, 신호 레벨이 먼저 샘플링되고, 그 후에 잡음 레벨이 샘플링될 수도 있다.That is, the noise level and the signal level are sequentially sampled in one unit pixel (100 of FIG. 2). Of course, the signal level may be sampled first, and then the noise level may be sampled.
이와 같은 동작은 우선 잡음 레벨과 신호 레벨의 출력이 소정의 스위치를 이용하여 제어되기 때문에, 동일한 경로를 사용하더라도 고정적인 잡음 레벨이 이론상 발생하지 않게 한다. 또한, 순차적으로 출력되기 때문에, 별도의 메모리를 이용하지 않고도 차등 회로인 상관 이중 샘플링부(70)에 의해 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이를 획득할 수 있어 시스템이 단순화될 수 있다.This operation first prevents a fixed noise level from occurring even if the same path is used, since the output of the noise level and signal level is controlled using a predetermined switch. In addition, since the output is sequentially, the difference between the noise level and the signal level can be obtained by the correlated
이후에는 영상 신호 처리부(도면 미도시)가 화면을 표시하기까지, 다수 개의 처리 과정을 거친다. 예를 들어, 상관 이중 샘플링부(70)는 잡음 레벨과 신호 레벨 의 차이 레벨을 출력하게 된다. 따라서, 단위 화소(100) 및 수직 신호 라인(12)의 특성 분산으로 인한 고정적인 잡음 레벨이 억제된다. 또한, 아날로그-디지털 변환부(도 1의 80)는 상관 이중 샘플링부(70)에서 출력되는 아날로그 신호를 수신하여 디지털 신호로 출력한다. Thereafter, the image signal processor (not shown) undergoes a plurality of processes until the screen is displayed. For example, the correlated
도면에는 표시하지 않았으나 선택 신호(ROW(i))가 로우가 된 후, 다음 행의 선택 신호(ROW(i+1))는 하이가 된다. 이후의 동작은 i번째 행과 동일하다.Although not shown in the drawing, after the selection signal ROW (i) goes low, the selection signal ROW (i + 1) of the next row becomes high. The subsequent operation is the same as the i th row.
모든 단위 화소(100)의 신호가 독립적으로 읽혀지는 전화소 독립 읽기 모드(all pixel independent reading mode)에 대해 설명하였으나, 이에 제한되지 않는다. 물론, 홀수(짝수) 선의 신호가 제1 필드에서 읽혀지고, 짝수(홀수) 선의 신호가 제2 필드에서 읽혀지는 프레임 읽기 모드(frame reading mode)도 가능하다. 또한, 2개의 인접선의 신호가 동시에 읽혀져 전압이 가산되고, 필드마다 가산된 2개의 선 조합을 변경시키는 필드 읽기 모드(field reading mode)도 가능하다.Although an all pixel independent reading mode in which signals of all the
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)의 단위 화소(100)는 캐리어로서 음전하를 사용하고 NMOS 트랜지스터를 사용하였으나, 이에 제한되지 않는다. 즉, 캐리어로서 양전하를 사용하고 PMOS 트랜지스터를 사용할 수 있으며, 전압의 극성 또한 이에 따라 변경 가능하다.The
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 신호 처리 칩 및/또는 렌즈 시스템을 포함하고, 소정의 전기 장치 내에 내장되는 모듈형일 수 있다.The image sensor 1 according to an embodiment of the present invention may be modular, including a signal processing chip and / or a lens system and embedded in a predetermined electric device.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수 적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains may implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. You will understand that. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram illustrating an image sensor according to an exemplary embodiment.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 회로도이다.2 is a circuit diagram of a unit pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 개략적인 평면도이다.3 is a schematic plan view of a unit pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 있어서, 리셋 신호와 부스팅된 리셋 신호를 나타내는 도면이다.4A is a diagram illustrating a reset signal and a boosted reset signal in an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서에 있어서, 부스팅된 리셋 신호를 나타내는 도면이다.4B is a diagram illustrating a boosted reset signal in an image sensor according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 있어서, 전하 전송 신호와 부스팅된 리셋 신호의 전위 레벨을 나타내는 도면이다.5 is a diagram illustrating potential levels of a charge transfer signal and a boosted reset signal in an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개념도와 전위 도면(potential diagram)이다.6 is a conceptual diagram and potential diagram of an image sensor according to an embodiment of the present invention.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for the main parts of the drawing)
1 : 이미지 센서 10 : 화소 배열부1: image sensor 10: pixel array
20 : 행 구동부 30 : 구동 신호 제공부20: row driver 30: drive signal providing unit
40 : 부스팅부 70 : 상관 이중 샘플링부40: boosting section 70: correlated double sampling section
80 : 아날로그-디지털 변환부 110 : 광전 변환 소자80: analog-digital converter 110: photoelectric conversion element
120 : 전하 검출 소자 130: 전하 전송 소자120: charge detection element 130: charge transfer element
140 : 리셋 소자 145: 리셋 게이트140: reset device 145: reset gate
147: 리셋 드레인 150 : 증폭 소자147: reset drain 150: amplifying element
160 : 선택 소자160: selection element
Claims (7)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020070079501A KR20090015286A (en) | 2007-08-08 | 2007-08-08 | Image sensor and operating method thereof |
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KR1020070079501A KR20090015286A (en) | 2007-08-08 | 2007-08-08 | Image sensor and operating method thereof |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20170094832A (en) * | 2016-02-12 | 2017-08-22 | 에스케이하이닉스 주식회사 | Unit Pixel Apparatus and Operation Method Thereof, and CMOS Image Sensor Using That |
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2007
- 2007-08-08 KR KR1020070079501A patent/KR20090015286A/en not_active Application Discontinuation
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