KR20090055771A - 이미지 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자에 있어서, 특히 3개의 트랜지스터로 구현되는 3Tr 픽셀 구조의 이미지 센서에 관한 것으로, 제1 전위 레벨의 외부 전원을 제2 전위 레벨로 변환하는 인버터와; 포토다이오드에서 생성된 전하를 제3 전위 레벨까지 저장하는 플로팅 확산 영역과, 상기 플로팅 확산 영역이 소스(source) 단자에 연결되고 상기 인버터가 게이트(gate) 단자에 연결되어 상기 제3 전위 레벨을 드레인(drain) 단자를 통해 출력하는 드라이브 트랜지스터(Dx)를 구비한 단위 픽셀을 포함하여 구성되어, 드라이브 트랜지스터(Dx)의 자체 전위 차이에 의해 발생될 수 있는 화이트 결함(white defect)에 의한 불량을 효과적으로 제거해 주는 발명이다.

이미지 센서, 포토다이오드, 드라이브 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 플로팅 확산 영역, PMOS

Description

이미지 센서{image sensor}

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히 3개의 트랜지스터로 구현되는 3Tr 픽셀 구조의 이미지 센서에 관한 것이다.

이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자이다.

이미지 센서는 크게 전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device)와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 분류될 수 있다.

씨모스 이미지 센서는, 주변회로인 제어 회로(Control Circuit) 및 신호 처리 회로(Signal Processing Circuit)를 동시에 집적할 수 있는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼의 MOS 트랜지스터를 만들고 이를 통해 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용한다.

CMOS 이미지 센서는 포토다이오드(Photo Diode) 및 복수의 MOS 트랜지스터로 구성되며, 기본적으로 이미지 센서 칩의 전후로부터 입사되는 빛 즉, 가시광선을 전기적 신호로 변환하여 영상화한다.

도 1은 종래 기술에 따른 단위 픽셀의 등가 회로도로써, 3개의 트랜지스터로 구현되는 3Tr 픽셀 구조를 나타낸 회로도이다.

도 1을 참조하면, 단위 픽셀은 포토다이오드(PD: Photo diode)(1)와, 플로팅 확산 영역(FD: Floating Diffusion region)(2)과, 리셋 트랜지스터(Rx)(3)와, 드라이브 트랜지스터(Dx)(4)와, 셀렉터 트랜지스터(Sx)(5)로 구성된다.

포토다이오드(1)는 입사되는 빛으로부터 전하를 생성한다.

플로팅 확산 영역(2)은 포토다이오드(1)에서 생성된 전하를 일정 전위 레벨까지 저장한다.

리셋 트랜지스터(Rx)(3)는 플로팅 확산 영역(2)에 저장되는 전하를 주기적으로 리셋시킨다.

드라이브 트랜지스터(Dx)(4)는 플로팅 확산 영역(2)에 저장된 전하에 따른 전위를 기준으로 외부 전원(VDD)의 전위를 변화시켜 출력한다.

셀렉터 트랜지스터(Sx)(5)는 외부 선택신호(SEL)에 의해 단위 픽셀을 선택하기 위해 스위칭을 행한다.

상기한 단위 픽셀에서의 동작을 설명하면, 리셋 트랜지스터(Rx)(3)가 온(on)되어 포토다이오드(PD)(1)에서 생성된 전하들이 완전히 디플리션(depletion)된다.

만약, 외부 전원의 전위 VDD가 3볼트이고, 전하 디플리션 시에 리셋 트랜지스터(Rx)(3)의 전위 Vth가 0.1볼트라면, 포토다이오드(1)에는 VDD 3볼트에서 0.1볼트만큼 감소된 전위 2.9볼트가 걸린다.

이후에 빛이 인가되어 포토다이오드(1)에 전하가 생성되면, 예로써 1볼트 용량의 전하가 생성되면, 포토다이오드(1)의 전위는 2.9볼트에서 1볼트 감소하여 1.9 볼트로 변환된다. 그 변환된 1.9볼트가 드라이브 트랜지스터(Dx)(4)의 게이트(gate) 단자에 걸린다.

그에 따라, 드라이브 트랜지스터(Dx)(4)는 출력 전위 2.9볼트에서 드라이브 트랜지스터(Dx)(4)의 전위만큼 감소된 출력을 내보낸다.

상기한 동작은 하나의 픽셀에 대한 것이다. 그런데 수 백만개의 픽셀 별로 드라이브 트랜지스터(Dx)의 전위는 동일할 수 없다. 그렇기 때문에, 각 픽셀에 동일한 빛이 인가된다 하더라도 그러한 전위 차이로 인해 드라이브 트랜지스터(Dx)의 출력 전위가 각 픽셀별로 달라진다.

원리를 설명하면, 일단 VDD가 3볼트이고 리셋 트랜지스터(Rx)의 전위 Vth가 0.1볼트일 때, 드라이브 트랜지스터(Dx)의 전위가 0.5볼트인 제1픽셀과 0.7볼트인 제2픽셀이 있다면, 동일한 빛이 입사될 때, 제1픽셀이 리셋되면 VDD 3볼트에서 리셋 트랜지스터(Rx)의 전위 Vth 0.1볼트만큼 감소되어 2.9볼트가 포토다이오드에 걸린다. 만약 입사된 빛에 의해 1볼트 용량의 전하가 생성된다면, 다시 1볼트가 더 감소하여 1.9볼트가 포토다이오드에 걸린다. 즉, 1.9볼트가 드라이브 트랜지스터(Dx)의 게이트(gate) 단자에 걸린다.

결국, 제1픽셀의 드라이브 트랜지스터(Dx)는 1.9볼트에서 0.5볼트만큼 감소하여 최종 1.4볼트의 출력을 내보낸다.

그에 반하여, 제2픽셀의 드라이브 트랜지스터(Dx)는 1.9볼트에서 0.7볼트만큼 감소하여 최종 1.2볼트의 출력을 내보낸다.

그에 따라, 제1픽셀과 제2픽셀 간에 0.2볼트만큼의 출력 전위 차가 생긴다.

동일한 밝기의 빛이 입사되었는데도 불구하고 픽셀별로 출력 전위 차이가 생기게 됨에 따라, 보다 낮은 전압을 출력한 픽셀은 보다 높은 전압을 출력한 주변 픽셀에 비해 화면상에서 어둡게 되는 화이트 결함(White defect) 불량을 야기한다.

본 발명의 목적은 상기한 점을 감안하여 안출한 것으로, 드라이브 트랜지스터(Dx)의 자체 전위에 상관없이 모든 픽셀들에서 드라이브 트랜지스터(Dx)의 출력 전위를 동일하게 해주는 이미지 센서를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은, 드라이브 트랜지스터(Dx)의 자체 전위 차이에 의해 발생될 수 있는 화이트 결함(white defect)에 의한 불량을 방지해 주는 이미지 센서를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서의 특징은, 제1 전위 레벨의 외부 전원을 제2 전위 레벨로 변환하는 인버터와, 포토다이오드에서 생성된 전하를 제3 전위 레벨까지 저장하는 플로팅 확산 영역과, 상기 플로팅 확산 영역이 소스(source) 단자에 연결되고 상기 인버터가 게이트(gate) 단자에 연결되어 상기 제3 전위 레벨을 드레인(drain) 단자를 통해 출력하는 드라이브 트랜지스터(Dx)를 구비한 단위 픽셀을 포함하여 구성되는 것이다.

바람직하게, 상기 인버터는 상기 제1 전위 레벨은 0볼트 전위로 변환하여 상기 드라이브 트랜지스터(Dx)의 상기 게이트 단자에 인가한다.

바람직하게, 상기 드라이브 트랜지스터는 피모스(PMOS: P-channel Metal Oxide Semiconductor)이다.

바람직하게, 상기 단위 픽셀이 상기 플로팅 확산 영역에 저장되는 전하를 주기적으로 리셋시키는 리셋 트랜지스터(Rx)와, 외부 선택신호에 의해 상기 단위 픽셀을 선택하기 위해 스위칭을 행하는 셀렉터 트랜지스터(Sx)를 더 구비한다.

본 발명에 따르면, 드라이브 트랜지스터(Dx)의 자체 전위에 상관없이, 동일한 밝기의 빛이 들어오는 경우에, 모든 픽셀들에서 드라이브 트랜지스터(Dx)가 동일한 전위의 출력을 내보낸다.

그에 따라, 드라이브 트랜지스터(Dx)의 자체 전위 차이에 의해 발생될 수 있는 화이트 결함(white defect)에 의한 불량을 효과적으로 제거해준다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이미지 센서의 바람직한 실시 예를 자세히 설명한다.

본 발명에 따른 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스(source) 단자에 걸리는 전위(즉, 포토다이오드의 전위)를 그대로 출력 단자로 전달한다. 특히, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 피모스(PMOS: P-channel Metal Oxide Semiconductor)를 사용한다.

도 2는 본 발명에 따른 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 등가 회로도로써, 3개의 트랜지스터로 구현되는 3Tr 픽셀 구조를 나타낸 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이미지 센서는 단위 픽셀(100)과 인버터(200)로 구성된다.

단위 픽셀은 포토다이오드(PD: Photo diode)(10)와, 플로팅 확산 영역(FD: Floating Diffusion region)(20)과, 리셋 트랜지스터(Rx)(30)와, 드라이브 트랜지스터(Dx)(40)와, 셀렉터 트랜지스터(Sx)(50)로 구성된다.

인버터(200)는 제1 전위 레벨의 외부 전원을 제2 전위 레벨로 변환하여 출력한다. 여기서, 제1 전위 레벨은 외부 전원(VDD)이며, 제2 전위 레벨은 0볼트인 것이 바람직하다. 특히, 인버터(200)의 출력 단자는 드라이브 트랜지스터(Dx)(40)의 게이트 단자에 연결되어, 인버터(200)의 출력 전위 0볼트가 드라이브 트랜지스터(Dx)(40)의 게이트 단자에 인가된다.

포토다이오드(10)는 입사되는 빛으로부터 전하를 생성한다.

플로팅 확산 영역(20)은 포토다이오드(10)에서 생성된 전하를 일정 전위 레벨까지 저장한다. 여기서, 생성 전하의 저장에 따른 플로팅 확산 영역(20)의 전위 레벨을 제3 전위 레벨로 정의한다.

상기 플로팅 확산 영역(20)은 드라이브 트랜지스터(Dx)(40)의 소스(source) 단자에 연결된다. 그에 따라, 드라이브 트랜지스터(Dx)(40)가 온(on)되면, 드라이브 트랜지스터(Dx)(40)는 제3 전위 레벨을 드레인(drain) 단자를 통해 출력한다. 여기서, 제3 전위 레벨은 전하 생성에 따른 포토다이오드(10)의 전위 레벨이고, 또한 그 생성된 전하의 저장에 따른 플로팅 확산 영역(20)의 전위 레벨이다.

리셋 트랜지스터(Rx)(30)는 외부 전원(VDD)에 의해 플로팅 확산 영역(20)에 저장되는 전하를 주기적으로 리셋시킨다.

셀렉터 트랜지스터(Sx)(50)는 외부 선택신호(SEL)에 의해 단위 픽셀을 선택하기 위해 스위칭을 행한다.

상기한 단위 픽셀에서의 동작을 설명하면, 리셋 트랜지스터(Rx)(30)가 온(on)되어 포토다이오드(PD)(10)에서 생성된 전하들이 완전히 디플리션(depletion)된다.

만약, 외부 전원의 전위 VDD가 3볼트이고, 전하 디플리션 시에 리셋 트랜지스터(Rx)(30)의 전위 Vth가 0.1볼트라면, 포토다이오드(10)에는 VDD 3볼트에서 0.1볼트만큼 감소된 전위 2.9볼트가 걸린다.

이후에 빛이 인가되어 포토다이오드(10)에 전하가 생성되면, 예로써 1볼트 용량의 전하가 생성되면, 포토다이오드(10)의 전위는 2.9볼트에서 1볼트 감소하여 1.9볼트로 변환된다. 그 변환된 1.9볼트가 드라이브 트랜지스터(Dx)(40)의 소스(source) 단자에 걸린다.

그리고, 외부 전원(VDD) 3볼트가 인가됨에 따라, 인버터(200)는 입력 전위 레벨을 강하시켜 O볼트의 전위를 드라이브 트랜지스터(Dx)(40)의 게이트(gate) 단 자에 인가한다.

결국, 드라이브 트랜지스터(Dx)(40)는 소스 단자로 입력되는 전위 레벨을 그대로 드레인 단자로 출력한다.

상기한 구성 및 동작에 따르면, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 그의 자체 전위가 픽셀별로 각각 다르더라도 동일한 빛만 입사되면 전술된 제3 전위 레벨을 드레인(drain) 단자를 통해 출력한다.

예로써, 일단 VDD가 3볼트이고 리셋 트랜지스터(Rx)의 전위 Vth가 0.1볼트일 때, 드라이브 트랜지스터(Dx)의 전위가 0.5볼트인 제1픽셀과 0.7볼트인 제2픽셀이 있다고 가정한다.

동일한 밝기의 빛이 입사될 때, 제1픽셀이 리셋되면 VDD 3볼트에서 리셋 트랜지스터(Rx)의 전위 Vth 0.1볼트만큼 감소되어 2.9볼트가 포토다이오드에 걸린다. 만약 입사된 빛에 의해 1볼트 용량의 전하가 생성된다면, 다시 1볼트가 더 감소하여 1.9볼트가 포토다이오드에 걸린다. 즉, 1.9볼트가 드라이브 트랜지스터(Dx)의 소스 단자에 걸린다.

결국, 인버터의 출력 전위가 게이트 단자에 인가된 때, 제1픽셀의 드라이브 트랜지스터(Dx)는 1.9볼트의 출력을 그대로 내보낸다.

또한, 인버터의 출력 전위가 게이트 단자에 인가된 때, 제2픽셀의 드라이브 트랜지스터(Dx)도 전위 레벨의 감소 없이 1.9볼트의 출력을 그대로 내보낸다.

그에 따라, 제1픽셀과 제2픽셀 간에 출력 전위 차가 생기지 않는다. 즉, 동일한 밝기/용량의 빛이 입사되면, 모든 픽셀에서 동일한 출력 전압이 나온다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다.

그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 단위 픽셀의 등가 회로도.

도 2는 본 발명에 따른 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 등가 회로도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : 단위 픽셀 10 : 포토다이오드(PD)

20 : 플로팅 확산 영역(FD) 30 : 리셋 트랜지스터(Rx)

40 : 드라이브 트랜지스터(Dx) 50 : 셀렉터 트랜지스터(Sx)

200 : 인버터

Claims (4)

1. 제1 전위 레벨의 외부 전원을 제2 전위 레벨로 변환하는 인버터와;

   포토다이오드에서 생성된 전하를 제3 전위 레벨까지 저장하는 플로팅 확산 영역과, 상기 플로팅 확산 영역이 소스(source) 단자에 연결되고 상기 인버터가 게이트(gate) 단자에 연결되어 상기 제3 전위 레벨을 드레인(drain) 단자를 통해 출력하는 드라이브 트랜지스터(Dx)를 구비한 단위 픽셀을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 인버터는 상기 제1 전위 레벨은 0볼트 전위로 변환하여 상기 드라이브 트랜지스터(Dx)의 상기 게이트 단자에 인가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 드라이브 트랜지스터는 피모스(PMOS: P-channel Metal Oxide Semiconductor)인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 픽셀이

   상기 플로팅 확산 영역에 저장되는 전하를 주기적으로 리셋시키는 리셋 트랜지스터(Rx)와, 외부 선택신호에 의해 상기 단위 픽셀을 선택하기 위해 스위칭을 행하는 셀렉터 트랜지스터(Sx)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.

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