KR20100079394A - 이미지 센서 - Google Patents

Abstract

실시예에 따른 이미지 센서는 입사되는 광에 대응하는 전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드와 플로팅 확산 영역 사이에 형성되고, 전달 신호에 의해 제어되는 전송 트랜지스터; 전원전압과 플로팅 확산 영역 사이에 형성되고, 리셋 신호에 의해 제어되는 리셋 트랜지스터; 상기 리셋 트랜지스터와 플로팅 확산 영역 사이의 노드(node)에 일단이 연결되는 커패시터; 및 상기 플로팅 확산 영역의 전압을 출력하는 드라이브 트랜지스터를 포함한다.

픽셀 회로

Description

이미지 센서{Image sensor}

실시예는 이미지 센서에 관한 것이다.

CMOS 이미지 센서는 휴대폰 카메라, 디지털 스틸 카메라 등에 장착되어, 시야에 전개되는 영상을 촬상하여 전기적 신호로 변환하여 디지털 신호 처리부로 전송된다.

디지털 전송 처리부는 고체 촬상 소자에서 출력되는 컬러 이미지 데이터를 신호처리하여 LCD(Liquid crystal display) 등과 같은 디스플레이 장치에 표시될 수 있도록 제어한다.

일반적으로 CMOS 이미지 센서는 매트릭스 형태로 배열된 픽셀 센서 어레이를 포함한다. 픽셀 센서 각각은 빛을 감지하여 전기적인 신호로 변환하기 위한 광소자, 예를 들면 포토다이오드를 포함한다.

CMOS 이미지 센서의 특성 향상을 위해서는 다이나믹 레인지(dynamic range)를 크게 하여 색상 표현력을 개선하기 위한 노력이 요구된다.

실시예는 다이나믹 레인지(dynamic range)를 확대할 수 있는 이미지 센서를 제공한다.

실시예에 따른 이미지 센서는 입사되는 광에 대응하는 전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드와 플로팅 확산 영역 사이에 형성되고, 전달 신호에 의해 제어되는 전송 트랜지스터; 전원전압과 플로팅 확산 영역 사이에 형성되고, 리셋 신호에 의해 제어되는 리셋 트랜지스터; 상기 리셋 트랜지스터와 플로팅 확산 영역 사이의 노드(node)에 일단이 연결되는 커패시터; 및 상기 플로팅 확산 영역의 전압을 출력하는 드라이브 트랜지스터를 포함한다.

실시예에 따른 이미지 센서는 신호(signal) 저장용 커패시터(capacitor)를 삽입하여, 리셋(reset)시 어쩔수 없이 버리게 되는 전하(charge)의 손실을 방지하여 다이나믹 레인지를 확대할 수 있으며, 또한, FPN(Fixed pattern noise) 및 래그(lag) 현상 등을 개선할 수 있다.

이하, 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀(unit pixel)의 회로도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀(100)은 하나의 포토다이오드(PD)와 5개의 트랜지스터, 그리고 하나의 커패시터(SC)로 구성된다.

5개의 트랜지스터는 전송 트랜지스터(T1; Transfer transistor), 리셋 트랜지스터(T2; Reset transistor), 스토리지 커패시턴스 제어(Storage Capacitance Control)용 스위칭 트랜지스터(T3; Switching transistor), 소스 팔로워 트랜지스터(Source follower transistor)인 드라이브 트랜지스터(T4; Drive transistor) 및 선택 트랜지스터(T5; Select transistor)를 포함한다.

상기 포토다이오드(PD)는 수광되는 빛에 따라 광전하를 집속한다.

상기 전송 트랜지스터(T1)는 전송 제어신호(TG)에 따라 상기 포토다이오드(PD)에 집속된 광전하를 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송한다.

상기 전송 트랜지스터(T1)는 상기 포토다이오드(PD)와 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 형성된다.

상기 리셋 트랜지스터(T2)는 리셋 제어신호(RS)에 따라 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 초기 전위를 리셋하는 역할을 한다.

그리고, 상기 리셋 트랜지스터(T2)는 전원전압(V_DD)과 상기 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 형성된다.

상기 스위칭 트랜지스터(T3)는 상기 플로팅 확산 영역(FD)과 리셋 트랜지스터(T2) 사이에 배치되어, 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 전송된 전하(charge)를 상기 커패시터(SC)로 저장시키기 위한 스위치(switch)의 역할을 한다.

이때, 상기 스위칭 트랜지스터(T3)는 상기 리셋 트랜지스터(T2)와 플로팅 확 산 영역(FD) 사이의 노드(node)에 일단이 연결되어, 스위칭 신호(ST)에 의해 제어될 수 있다.

즉, 상기 커패시터(SC)는 상기 리셋 트랜지스터(T2)와 스위칭 트랜지스터(T3)의 사이에 배치되며, 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 존재하는 전하(charge)가 상기 커패시터(SC)로 이동할 수 있다.

상기 드라이브 트랜지스터(T4)는 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전위 변화를 읽어내고, 선택 트랜지스터(T5)는 상기 드라이브 트랜지스터(T4)를 통하여 읽어낸 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전위를 후단부의 내부회로(미도시)로 전달하는 역할을 수행한다.

즉, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전위와 상기 드라이브 트랜지스터(T4)의 전위는 등전위이기 때문에, 상기 드라이브 트랜지스터(T4)는 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 출력할 수 있다.

이미지 센서는 제조 공정 상 트랜지스터 간의 오프셋 전압에 의한 미스매칭(mismatching) 때문에 고정 패턴 잡음(Fixed pattern noise)이 발생할 수 있다.

이 고정 패턴 잡음을 보정하기 위해 이미지 센서는 픽셀 어레이(pixel array)의 각 픽셀에서의 리셋 전압 신호(reset voltage signal)를 읽고 데이터 전압 신호(data voltage signal)를 읽은 후, 그 차를 출력하여 리셋시 존재했던 노이즈(noise) 성분을 제거하는 상관이중 샘플링(Correlated Double Sampling; 이하 'CDS') 방법을 사용한다.

단위 픽셀(100)로부터 픽셀 출력 신호를 획득하는 동작원리는 다음과 같다.

상기 포토다이오드(PD)의 리셋(reset)은 상기 전송 트랜지스터(T1)를 턴 온(turn on)과 턴 오프(turn off) 동작에 의해 제어할 수 있다.

그리고, 리셋(reset)은 상기 스위칭 트랜지스터(T3)를 턴 온(turn on)시킨 상태에서, 상기 리셋 트랜지스터(T2)를 턴 온(turn on)시킨 후, 턴 오프(turn off) 시켜, 상기 플로팅 확산영역(FD) 및 커패시터(SC)를 리셋(reset)시킨다.

즉, 상기 스위칭 트랜지스터(T3)를 턴 온(turn on)시킨 상태에서, 상기 리셋 트랜지스터(T2)를 턴 온(turn on)시켜 리셋시킨다.

이어서, 소스 팔로워 트랜지스터(Source follower transistor)인 상기 드라이브 트랜지스터(T4)에 연결된 CDS 회로(circuit)의 C_SHR(미도시)에 샘플링 신호인 SHR(Sample hold reference) 값을 측정하여 버퍼(미도시)에 저장한다.

상기 SHR 값은 리셋 노이즈(reset noise), 문턱전압 변화(threshold variation) 및 기존의 플로팅 확산영역(FD)의 전하(chrage)가 포함되어 있다.

적정 인터그레이션(integration) 시간 후에 광전하(phothgenerated charge)가 포토다이오드(PD)에 모아지면, 상기 전송 트랜지스터(T1)를 턴 온(turn on)시켜 상기 플로팅 확산영역(FD)로 신호(signal)을 전송시키고, 상기 스위칭 트랜지스터(T3)를 턴 온(turn on)시킨다.

상기 스위칭 트랜지스터(T3)를 턴 온 시킴으로써, 오버 플로우(overflow)된 전하(charge)는 상기 플로팅 확산 영역(FD)과 커패시터(SC)에 저장된다.

그리고, 상기 선택 트랜지스터(T5)를 턴 온 시키고, 상기 스위칭 트랜지스터(T3)를 턴 오프 시킨다.

상기 스위칭 트랜지스터(T3)를 턴 오프 시킴으로써, 상기 플로팅 확산 영역(FD)과 커패시터(SC)에는 전하가 나뉘어서 저장된다.

상기 스위칭 트랜지스터(T3)를 턴 오프 시킨 후, 상기 리셋 트랜지스터(T2)는 리셋을 시키지 않는다.

여기서, 상기 플로팅 확산 영역(FD)의 전하(charge)가 그대로 저장되어 있으므로, 신호(signal)의 손실이 없게 된다.

그리고, 상기 CDS 회로의 C_SHS(미도시)에 SHS(Sample hold signal)을 읽어 저장한다.

이어서, 상기 드라이브 트랜지스터(T4)의 제2출력전압(SHR+SC1)을 측정한다.

상기 전송 트랜지스터(T1)와 스위칭 트랜지스터(T3)를 턴 온 시킨 상태에서, 전하(charge)가 상기 플로팅 확산 영역(FD)과 커패시터(SC)에 분포하면, 제2출력전압(SHS+SC2)을 측정한다.

이러한 출력전압을 이용하여, CDS 회로에서 노이즈가 배제된 신호값으로 출력할 수 있다.

이때, 상기 스위칭 트랜지스터(T3)의 타이밍(timing)을 조절하여 출력값을 조절할 수 있으며, 저조도에서는 (SC1+SHR)-SHR의 값을 출력하고, 다이나믹 레인지(wide dynamic range)에서는 {(SC2+SHS)-SHS}×{(CFD+CSC)/CFD}의 값을 출력하는 방식이다.

이때, {(CFD+CSC)/CFD}는 상기 플로팅 확산 영역(FD)과 커패시터(SC)의 커패시턴스(capatance)에 대한 이득(gain)이 될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서는 신호(signal) 저장용 커패시터(capacitor)를 삽입하여, 리셋(reset)시 어쩔수 없이 버리게 되는 전하(charge)의 손실을 방지하여 다이나믹 레인지를 확대할 수 있으며, 또한, FPN(Fixed pattern noise) 및 래그(lag) 현상 등을 개선할 수 있다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀(unit pixel)의 회로도이다.

Claims (8)

1. 입사되는 광에 대응하는 전하를 생성하는 포토다이오드;

   상기 포토다이오드와 플로팅 확산 영역 사이에 형성되고, 전달 신호에 의해 제어되는 전송 트랜지스터;

   전원전압과 플로팅 확산 영역 사이에 형성되고, 리셋 신호에 의해 제어되는 리셋 트랜지스터;

   상기 리셋 트랜지스터와 플로팅 확산 영역 사이의 노드(node)에 일단이 연결되는 커패시터; 및

   상기 플로팅 확산 영역의 전압을 출력하는 드라이브 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 리셋 트랜지스터와 플로팅 확산 영역 사이에 배치되며, 스위칭 신호에 의해 제어되는 스위칭 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 커패시터는 상기 리셋 트랜지스터와 스위칭 트랜지스터 사이의 노드에 연결되는 것을 포함하는 이미지 센서.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 스위칭 트랜지스터는 상기 커패시터와 플로팅 확산 영역 사이에 형성되는 것을 포함하는 이미지 센서.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 스위칭 트랜지스터는 스위칭 신호에 의해 상기 플로팅 확산 영역에 존재하는 전하(charge)가 상기 커패시터로 이동할 수 있는 것을 포함하는 이미지 센서.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 드라이브 트랜지스터에서 출력되는 전압을 선택 신호에 따라 출력하는 선택 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 커패시터는 상기 플로팅 확산 영역에서 오버 플로우(overflow)된 전하(charge)가 저장되는 것을 포함하는 이미지 센서.
8. 상기 드라이브 트랜지스터는 상기 플로팅 확산 영역과 커패시터에 저장된 전하(charge)에 따른 전압을 출력하는 것을 포함하는 이미지 센서.

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