KR20110051859A - 이미지 센서 및 그 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이미지 센서 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 복수의 픽셀(pixel)들을 포함하는 픽셀 어레이(array)를 포함하고, 복수의 픽셀들의 각각은 입사광의 에너지에 따라 전압-전류 특성이 변화하고, 입사광의 에너지에 의해 결정되는 감지 전류를 생성하는 광 감지부, 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 리셋(reset)하는 리셋 신호에 따라 활성화되어 기준 전류를 생성하는 리셋부, 및 감지 전류 및 기준 전류를 전압으로 변환하여 감지 전압 및 기준 전압을 생성하는 변환부를 포함한다.

Description

이미지 센서 및 그 동작 방법{Image sensor and method of operating the same}
본 발명은 이미지 센서(image sensor)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입사광의 파장 또는 광량에 따라 전압-전류 특성이 변화하는 광 감지부를 포함하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서의 동작 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 피사체 정보를 검지하여 전기적인 영상신호로 변환하는 장치 또는 전자부품으로서, 예를 들어, CCD(charge coupled device) 이미지 센서와 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서가 있다. CCD 이미지 센서는 전하의 이송 및 출력을 위하여 복수의 MOS 커패시터를 사용하는데, MOS 커패시터의 게이트에 적절합 전압을 시간에 따라 인가함으로써 각 픽셀의 신호 전하가 인접한 MOS 커패시터에 순차적으로 이송된다. CMOS 이미지 센서는 픽셀마다 복수의 트랜지스터들을 사용하는데, 포토 다이오드에서 발생한 신호 전하가 각 픽셀 내에서 전압으로 변환된 후에 출력된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 입사광에 따라 전압-전류 특성이 변화하는 광 감지부를 포함하는 이미지 센서에서 상기 광 감지부의 출력을 용이하게 검출할 수 있고, 상기 출력에서 잡음을 감소시키고 해상도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서의 동작 방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 픽셀(pixel)들을 포함하는 픽셀 어레이(array)를 포함하고, 상기 복수의 픽셀들의 각각은, 입사광의 에너지에 따라 전압-전류 특성이 변화하고, 상기 입사광의 에너지에 의해 결정되는 감지 전류를 생성하는 광 감지부; 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 리셋(reset)하는 리셋 신호에 따라 활성화되어 기준 전류를 생성하는 리셋부; 및 상기 감지 전류 및 상기 기준 전류를 전압으로 변환하여 감지 전압 및 기준 전압을 생성하는 변환부를 포함한다. 상기 복수의 픽셀들의 각각은, 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀에 포함된 상기 광 감지부의 출력을 선택하는 셋(set) 신호에 따라 활성화되어 상기 감지 전류를 상기 변환부로 전달하는 전달부를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 픽셀들의 각각은, 상기 감지 전압 및 상기 기준 전압을 증폭하여 감지 신호 및 기준 신호를 생성하는 증폭부; 및 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 선택하는 선택 신호에 따라 활성화되어 상기 감지 신호 및 상기 기 준 신호로 외부에 제공하는 선택부를 더 포함할 수 있다. 상기 복수의 픽셀들 각각에 대하여 상기 셋 신호, 상기 리셋 신호 및 상기 선택 신호를 제공하는 로우 드라이버(row driver); 상기 복수의 픽셀들 각각에서 출력되는 상기 감지 신호와 상기 기준 신호의 차이를 기초로 광 검출 신호를 생성하는 광 검출 신호 생성부; 및 상기 생성된 광 검출 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부를 더 포함할 수 있다. 상기 광 검출 신호 생성부는, 상기 감지 신호 및 상기 기준 신호를 전압으로 변환하여 감지 전압 신호 및 기준 전압 신호를 생성하는 변환 트랜지스터; 리셋 샘플링 신호가 활성화된 경우에 상기 기준 전압 신호를 샘플링하여 기준 출력 신호를 생성하고, 셋 샘플링 신호가 활성화된 경우에 상기 감지 전압 신호를 샘플링하여 감지 출력 신호를 생성하는 샘플링 회로; 및 상기 기준 출력 신호와 상기 감지 출력 신호의 차이를 증폭하여 상기 광 검출 신호를 생성하는 증폭기를 포함할 수 있다. 상기 광 검출 신호 생성부는, 상기 증폭부에서 생성된 상기 광 검출 신호를 래치하는 래치를 더 포함할 수 있다. 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 두 개의 픽셀들은 상기 리셋부, 상기 변환부, 상기 증폭부 및 상기 선택부 중 적어도 하나를 공유할 수 있다.
상기 복수의 픽셀들의 각각은, 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 선택하는 선택 신호에 따라 활성화되어 상기 감지 전압 및 상기 기준 전압을 각각 감지 신호 및 기준 신호로 외부에 제공하는 선택부를 더 포함할 수 있다. 상기 복수의 픽셀들 각각에 대하여 상기 셋 신호, 상기 리셋 신호 및 상기 선택 신호를 제공하는 로우 드라이버; 상기 복수의 픽셀들 각각에서 출력되는 상기 감지 신호와 상기 기준 신호의 차이를 기초로 광 검출 신호를 생성하는 광 검출 신호 생성부; 및 상기 생성된 광 검출 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부를 더 포함할 수 있다. 상기 광 검출 신호 생성부는, 리셋 샘플링 신호가 활성화된 경우에 상기 기준 신호를 샘플링하여 기준 출력 신호를 생성하고, 셋 샘플링 신호가 활성화된 경우에 상기 감지 신호를 샘플링하여 감지 출력 신호를 생성하는 샘플링 회로; 및 상기 기준 출력 신호와 상기 감지 출력 신호의 차이를 증폭하여 상기 광 검출 신호를 생성하는 증폭기를 포함할 수 있다. 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 두 개의 픽셀들은 상기 리셋부, 상기 변환부 및 상기 선택부 중 적어도 하나를 공유할 수 있다.
상기 변환부는 상기 전달부 또는 상기 리셋부의 출력에 따라 턴온(turn on)되는 스위치 소자를 포함할 수 있다. 상기 변환부는 외부에서 제공되는 바이어스 전압에 따라 턴온되는 스위치 소자를 포함할 수 있다.
상기 광 감지부는 상기 입사광의 광량 또는 파장에 따라 전압-전류 특성이 변화하는 산화물 트랜지스터 또는 산화물 다이오드를 포함할 수 있다. 상기 산화물 트랜지스터 또는 상기 산화물 다이오드는 ZnO, TiO2와 같은 금속 산화물을 이용하여 구현될 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하고, 상기 복수의 픽셀들의 각각은, 입사광의 에너지에 따라 전압-전류 특성이 변화하고, 상기 입사광의 에너지 에 따라 결정되는 감지 전류를 생성하는 광 감지부; 및 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 선택하는 선택 신호에 따라 활성화되어 상기 감지 전류를 감지 신호로 외부에 제공하는 선택부를 포함한다.
상기 복수의 픽셀들의 각각은, 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 리셋하는 리셋 신호에 따라 활성화되어 기준 전류를 생성하는 리셋부를 더 포함할 수 있고, 상기 선택부는 상기 감지 전류 또는 상기 기준 전류를 상기 감지 신호 또는 기준 신호로 외부에 제공할 수 있다. 상기 복수의 픽셀들의 각각은, 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀에 포함된 상기 광 감지부의 출력을 선택하는 셋 신호에 따라 활성화되어 상기 감지 전류를 상기 선택부에 제공하는 전달부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 동작 방법은 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하고, 상기 복수의 픽셀들의 각각은 입사광의 에너지에 따라 전압-전류 특성이 변화하는 광 감지부를 포함하는 이미지 센서의 동작 방법으로서, 상기 복수의 픽셀들의 각각에서, 상기 입사광의 에너지에 의해 결정되는 감지 전류를 생성하는 단계; 및 상기 복수의 픽셀들의 각각에서, 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 리셋하는 리셋 신호에 따라 기준 전류를 생성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 이미지 센서에 포함된 픽셀 어레이의 각 픽셀은 입사광의 광량 또는 파장에 따라 전압-전류 특성이 변화하는 광 감지부를 포함함으로써, 기 존의 CMOS 이미지 센서 또는 CCD 이미지 센서에 비하여 해상도가 향상될 수 있고, 별도의 컬러 필터를 구비하지 않아도 된다.
또한, 각 픽셀은 기준 전류를 출력하는 리셋부를 더 포함함으로써, PVT(process, voltage, temperature) 변화에 따른 광 감지부의 감지 전류의 변화량을 보정하여 픽셀의 출력 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다. 또한, 각 픽셀은 감지 전류 및 기준 전류를 전압으로 변환하는 변환부 및 상기 변환부의 출력을 증폭하는 증폭부를 더 포함함으로써, 감지 전류 및 기준 전류에 대한 증폭 신호를 출력할 수 있고, 이로써 픽셀의 출력 신호의 해상도가 향상될 수 있고, 광 감지부, 리셋부 또는 변환부에서 발생하는 노이즈가 출력 신호에 전달되는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 각 픽셀에 포함된 변환부에 별도의 바이어스 전압을 인가함에 따라, 변환부의 출력 전압을 조절하여 오프셋 노이즈를 줄일 수 있다. 또한, 픽셀 어레이에 포함된 적어도 두 개의 픽셀들은 리셋부, 변환부, 증폭부 및 선택부 중 적어도 하나를 공유함으로써 픽셀 어레이의 면적을 줄일 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(1)는 픽셀 어레이(pixel array)(10), 로우 드라이버(row driver)(20), 광 검출 신호 생성부(30) 및 아날로그-디지털 변환부(40)를 포함할 수 있다. 도 1에서는 편의상 이미지 센서(1)가 네 개의 블록들을 포함하는 것으로 도시되었지만, 이미지 센서(1)는 로우 디코더, 칼럼 디코더, 칼럼 드라이버 및 이미지 처리부 등과 같은 더 많은 블록들을 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(10)은 복수의 픽셀들(미도시)을 포함하고, 복수의 픽셀들의 각각은 광을 수신하고, 수신된 광을 기초로 생성된 신호를 출력한다. 이때, 복수의 픽셀들의 각각은 입사광을 감지하기 위하여 광 감지부(photo sensor)(미도시)를 포함한다. 본 실시예에서, 광 감지부는 입사광의 에너지에 따라 전압-전류 특성이 변화할 수 있는데, 광 감지부에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
로우 드라이버(20)는 복수의 픽셀들 각각을 구동하기 위한 신호를 픽셀 어레이(10)에 제공한다. 광 검출 신호 생성부(30)는 복수의 픽셀들의 각각에서 출력된 신호를 기초로 하여 광 검출 신호를 생성한다. 아날로그-디지털 변환부(40)는 광 검출 신호 생성부(30)에서 생성된 광 검출 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환한다. 아날로그-디지털 변환부(40)에서 출력되는 디지털 신호는 이미지 처리부(미도시)로 제공될 수 있고, 이미지 처리부는 디지털 신호를 처리하여 디지털 이미지를 생성할 수 있다.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이에 포함된 각 픽셀에 포함된 광 감지부의 일 예를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 광 감지부(PS)는 입사광에 따라 전류를 생성함으로써 입사광을 감지할 수 있는데, 본 실시예에서, 광 감지부(PS)는 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)로 구현될 수 있다. 이하에서는, 광 감지부(PS)가 박막 트랜지스터로 구현되는 경우에 대하여 상술하기로 한다. 그러나, 다른 실시예에서, 광 감지부(PS)는 다이오드로 구현될 수도 있다.
광 감지부(PS)는 기판(substrate)(S), 게이트 전극(gate electrode)(G), 게이트 절연층(gate insulating layer)(GI), 활성층(active layer)(AL), 소스 전극(source electrode)(S) 및 드레인 전극(drain electrode)(D)을 포함한다. 여기서, 기판(S)은 유리 기판일 수 있고, 게이트 전극(G)은 기판 상에 형성되어 전도성 물질을 포함하고, 게이트 절연층은 기판(S) 및 게이트 전극(G)의 적어도 일부 상에 형성되어 절연성 물질을 포함한다. 활성층(AL)은 게이트 절연층(GI) 상에 형성되고, 소스 전극(S) 및 드레인 전극(G)은 활성층(AL) 상에 서로 이격되어 형성된다. 게이트 전극(G)에 문턱 전압 이상의 전압이 인가되면, 활성층(AL)에서 소스 전극(S)과 드레인 전극(D) 사이에 채널이 형성되어, 소스 전극(S)과 드레인 전극(D) 사이에 전류가 흐른다.
본 실시예에서 광 감지부(PS)는 입사광의 에너지에 따라 전압-전류 특성이 변화할 수 있다. 예를 들어, 광 감지부(PS)에서 채널이 형성되는 활성층(AL)은, 입사광의 에너지에 따라 전압-전류 특성이 변화하는 물질을 포함할 수 있다. 이러 한 물질은 예를 들어, ZnO, TiO2 등과 같은 금속 산화물일 수 있고, 이에 따라 광 감지부(PS)는 산화물 트랜지스터일 수 있다. 이하에서는 활성층(AL)이 ZnO를 포함하는 광 감지부(PS)를 예로 하여, 입사광의 에너지에 따른 광 감지부(PS)의 전압-전류 특성 변화에 대하여 상술하기로 한다. 여기서, ZnO는 광의 에너지에 따라 전압-전류 특성이 변화하는 물질의 일 예에 불과하고, 다른 실시예에서는 ZnO 이외의 다른 물질로 구현된 광 감지부(PS)를 이용할 수도 있다.
도 3은 입사광의 광량에 따른 도 2의 광 감지부의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, X 축은 게이트 전극(G)과 소스 전극(S) 사이의 전압(VGS)을 V 단위로 나타내고, Y 축은 드레인 전극(D)과 소스 전극(S) 사이에 흐르는 전류(IDS)를 A 단위로 나타낸다. 드레인 전극(D)에 인가되는 드레인 전압(VD)이 10V일 때, 입사광의 광량이 서로 다른 세 가지 경우, 즉, 입사광의 광량이 적은 경우(L0), 광량이 중간인 경우(L1) 및 광량이 많은 경우(L2)에 광 감지부(PS)의 전압-전류 특성 곡선은 서로 다르다. 구체적으로, 동일한 전압(VGS)에서 광량이 많을수록 광 감지부(PS)의 드레인 전극(D)과 소스 전극(S) 사이에는 더 많은 전류(IDS)가 흐른다.
도 4는 입사광의 파장에 따른 도 2의 광 감지부의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, X 축은 게이트 전극(G)과 소스 전극(S) 사이의 전압(VGS)을 V 단위로 나타내고, Y 축은 드레인 전극(D)과 소스 전극(S) 사이에 흐르는 전류(IDS)를 A 단위로 나타낸다. 드레인 전극(D)의 전압(VD)이 5V일 때, 입사광의 파장이 서로 다른 세 가지 경우, 즉, 적색광, 녹색광 및 청색광의 경우에 광 감지부(PS)의 전압-전류 특성 곡선은 서로 다르다. 구체적으로, 동일한 전압(VGS)에서 파장이 짧을수록 광 감지부(PS)의 드레인 전극(D)과 소스 전극(S) 사이에는 더 많은 전류(IDS)가 흐른다. 이와 같이, 파장에 따라 광 감지부(PS)의 전압-전류 특성이 변화할 경우에는, 이미지 센서가 별도의 컬러 필터(color filer)를 포함하지 않아도 이미지 센서는 광 감지부(PS)의 전압-전류 특성을 분석하여 입사광의 파장을 검출할 수 있고, 적색광, 녹색광 및 청색광(RGB)을 하나의 픽셀로 감지할 수도 있다.
종래에 이용된 CMOS 이미지 센서는 입사광을 감지하기 위하여 MOS 트랜지스터를 이용하였는데, 이때 MOS 트랜지스터는 실리콘 기판 상에 순차적으로 적층된 게이트 절연층 및 게이트 전극과, 실리콘 기판에서 게이트 전극의 양 측에 생성된 소스 영역과 드레인 영역을 포함한다. 게이트 전극에 문턱 전압 이상의 전압이 입사되면, 비정질 실리콘이나 폴리 실리콘으로 이루어진 실리콘 기판 상에서 소스 영역과 드레인 영역 사이의 채널이 형성되는데, 실리콘 기판은 입사광에 따라 전압-전류 특성이 변화하지 않는다. 따라서, 종래의 CMOS 이미지 센서는 입사광을 수신한 후 MOS 트랜지스터에서 출력되는 전류에 따른 전자를 커패시터에 저장하고, 커 패시터의 전압에 따라 입사광의 세기를 측정하였다.
그러나, 본 실시예에 따르면 입사광의 에너지, 즉, 입사광의 광량 또는 파장에 따라 광 감지부(PS)의 전압-전류 특성이 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 변하므로, 종래와 같이 커패시터에 저장된 전자에 의한 전압을 측정함으로써 입사광의 세기를 측정하는 방법을 이용하기 어렵다. 따라서, 광 감지부(PS)에서 생성되는 전류를 용이하게 검출할 수 있는 픽셀 구조가 요구된다. 이하에서는, 본 실시예에 따른 광 감지부(PS)를 포함하는 이미지 센서에서 입사광에 결정되는 전류를 검출하기 위한 각 픽셀의 구성에 대하여 상술하기로 한다.
도 5a 내지 도 5c는 도 1의 픽셀 어레이에 포함된 각 픽셀의 구조의 일 실시예들을 나타내는 회로도들이다.
도 5a를 참조하면, 픽셀(100)은 광 감지부(PS), 전달부(101), 리셋부(102), 변환부(103), 증폭부(104) 및 선택부(105)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전달부(101), 리셋부(102), 변환부(103), 증폭부(104) 및 선택부(105)는 모두 단일층에 배치되고, 그 상층에 광 감지부(PS)가 배치될 수 있다. 따라서, 이미지 센서(1)에서 단일 픽셀(100)이 차지하는 면적을 줄일 수 있다.
광 감지부(PS)는 입사광의 에너지에 따라 전압-전류 특성이 변화하고, 입사광의 에너지에 따라 결정되는 감지 전류를 생성할 수 있다. 예를 들어, 광 감지부(PS)는 광 감지 트랜지스터를 포함할 수 있는데, 이하에서는 광 감지부(PS)가 광 감지 트랜지스터로 구현되는 경우를 예로 하여 설명하기로 한다. 구체적으로, 광 감지 트랜지스터(PS)의 드레인은 소정의 전원 전압에 연결될 수 있고, 광 감지 트 랜지스터(PS)의 게이트에 문턱 전압 이상의 전압이 입력되면 드레인과 소스 사이에 채널이 형성되어 감지 전류가 흐를 수 있다. 이때, 드레인과 소스 사이의 채널에 흐르는 감지 전류는 입사광의 파장 또는 광량에 따라 결정될 수 있다.
전달부(101)는 로우 드라이버(20)로부터 수신되는 셋 신호(SET)에 따라 활성화되어, 광 감지부(PS)에서 생성된 감지 전류를 출력할 수 있다. 여기서, 셋 신호(SET)는 픽셀 어레이(10)에 포함된 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀에 포함된 광 감지부(PS)의 출력을 선택하기 위한 신호이다. 광 감지부(PS)에 포함된 광 감지 트랜지스터(PS)의 문턱 전압이 0V보다 작은 경우에 전달부(101)에 입력되는 셋 신호(SET)를 조절함으로써 광 감지부(PS)에서 생성된 전달 전류를 선택적으로 출력할 수 있다.
예를 들어, 전달부(101)는 광 감지 트랜지스터(PS)와 직렬로 연결되는 전달 트랜지스터를 포함할 수 있는데, 이하에서는 전달부(101)가 전달 트랜지스터로 구현되는 경우를 예로 하여 설명하기로 한다. 구체적으로, 셋 신호(SET)가 전달 트랜지스터(101)의 게이트에 입력될 수 있는데, 셋 신호(SET)가 온(ON) 상태인 경우에 전달 트랜지스터(101)는 턴온(turn on)되어, 광 감지부(PS)에서 생성된 감지 전류를 출력한다.
리셋부(102)는 로우 드라이버(20)로부터 수신되는 리셋 신호(RST)에 따라 활성화되어, 기준 전류를 출력할 수 있다. 여기서, 리셋 신호(RST)는 픽셀 어레이(10)에 포함된 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 리셋하기 위한 신호이다. PVT(process, voltage, temperature) 변화에 따른 광 감지부(PS)에서 생성되는 감 지 전류의 크기가 변할 수 있는데, 이러한 PVT 변화에 따라 리셋부(102)에서 출력되는 기준 전류의 크기도 변할 수 있다. 본 실시예에서 픽셀(100)은 리셋부(102)를 포함함으로써, 이러한 PVT 변화에 따른 감지 전류의 변화량을 보정할 수 있고, 이에 따라, 픽셀(100)의 출력에서 잡음을 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 리셋부(102)는 리셋 트랜지스터를 포함할 수 있는데, 이하에서는 리셋부(102)가 리셋 트랜지스터로 구현되는 경우를 예로 하여 설명하기로 한다. 구체적으로, 리셋 트랜지스터(102)의 드레인은 소정의 전원 전압에 연결될 수 있고, 리셋 신호(RST)가 리셋 트랜지스터(102)의 게이트에 입력될 수 있다. 이때, 리셋 신호(RST)가 온 상태인 경우에 리셋 트랜지스터(102)는 턴온되어, 기준 전류를 출력한다.
변환부(103)는 전달부(101)에서 출력되는 감지 전류 및 리셋부(102)에서 출력되는 기준 전류를 전압으로 변환하여 감지 전압 및 기준 전압을 생성할 수 있다. 예를 들어, 변환부(103)는 변환 트랜지스터를 포함할 수 있는데, 이하에서는 변환부(103)가 변환 트랜지스터로 구현되는 경우를 예로 하여 설명하기로 한다. 구체적으로, 변환 트랜지스터(103)의 소스는 접지 전압에 연결될 수 있고, 변환 트랜지스터(103)의 드레인 및 게이트는 전달 트랜지스터(101)의 소스 및 리셋 트랜지스터(102)의 소스에 연결될 수 있다. 이와 같이, 변환 트랜지스터(103)는 드레인과 게이트가 연결된 다이오드 연결(diode-connected) 구조를 가짐으로써, 변환 트랜지스터(103)를 턴온시키기 위한 별도의 제어 신호가 제공되지 않아도 된다.
증폭부(104)는 변환부(103)에서 생성된 감지 전압 및 기준 전압을 기초로 하 여 감지 신호 및 기준 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 증폭부(104)는 증폭 트랜지스터를 포함할 수 있는데, 이하에서는 증폭부(104)가 증폭 트랜지스터로 구현되는 경우를 예로 하여 설명하기로 한다. 구체적으로, 증폭 트랜지스터(104)의 드레인은 소정의 전원 전압에 연결될 수 있고, 변환부(103)에서 생성된 감지 전압 및 기준 전압은 증폭 트랜지스터(104)의 게이트에 입력될 수 있다. 이때, 변환부(103)에서 생성된 감지 전압 및 기준 전압이 증폭 트랜지스터(104)의 게이트의 문턱 전압 이상인 경우에 증폭 트랜지스터(104)는 턴온되어 드레인과 소스 사이에 전류가 흐른다. 이때, 증폭 트랜지스터(104)의 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류는 감지 신호 및 기준 신호로 출력된다.
선택부(105)는 로우 드라이버(20)로부터 수신되는 선택 신호(SEL)에 따라 활성화되어, 증폭부(104)에서 생성된 감지 신호 및 기준 신호를 광 검출 신호 생성부(30)로 제공할 수 있다. 여기서, 선택 신호(SEL)는 픽셀 어레이(10)에 포함된 복수의 픽셀들 중 적어도 하나를 선택하기 위한 신호이다. 예를 들어, 선택부(105)는 선택 트랜지스터를 포함할 수 있는데, 이하에서는 선택부(105)가 선택 트랜지스터로 구현되는 경우를 예로 하여 설명하기로 한다. 구체적으로, 선택 트랜지스터(105)는 증폭 트랜지스터(104)와 직렬 연결될 수 있고, 선택 신호(SEL)가 선택 트랜지스터(105)의 게이트에 입력될 수 있다. 이때, 선택 신호(SEL)가 온 상태인 경우에 선택 트랜지스터(105)는 턴온되어 감지 신호 또는 기준 신호를 광 검출 신호 생성부(30)로 제공한다.
본 실시예에 따르면, 각 픽셀(100)은 광 감지부(PS), 전달부(101), 리셋 부(102), 변환부(103), 증폭부(104) 및 선택부(105)를 포함하여 입사광을 두 단계로 감지하여 출력 신호를 생성하므로, 제1 감지부(S1)와 제2 감지부(S2)를 포함하는 것으로 볼 수 있다. 구체적으로, 제1 감지부(S1)는 광 감지부(PS), 전달부(101), 리셋부(102) 및 변환부(103)를 포함하고, 제2 감지부(S2)는 증폭부(104) 및 선택부(105)를 포함할 수 있다. 제1 감지부(S1)는 입사광을 감지하여 1차 출력 신호를 생성하고, 제2 감지부(S2)는 1차 출력 신호를 증폭하여 2차 출력 신호를 생성할 수 있다. 이로써, 제1 감지부(S1)에서 발생되는 노이즈가 제2 감지부(S2)에 전달되는 것을 예방하여 신호 대 잡음비(signal to noise ration, SNR)을 향상시킬 수 있다. 또한, 1차 출력 신호를 증폭하여 2차 출력 신호를 생성함으로써, 보다 큰 동작 범위를 확보할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 픽셀(100')은 광 감지부(PS), 전달부(101), 리셋부(102), 변환부(103'), 증폭부(104) 및 선택부(105)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 픽셀(100')은 도 5a의 픽셀(100)의 일부 구성을 변형한 것이고, 따라서 중복된 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 변환부(103')는 전달부(101)에서 출력되는 감지 전류 및 리셋부(102)에서 출력되는 기준 전류를 전압으로 변환하여 감지 전압 및 기준 전압을 생성할 수 있다. 예를 들어, 변환부(103')는 변환 트랜지스터를 포함할 수 있는데, 이하에서는 변환부(103')가 변환 트랜지스터로 구현되는 경우를 예로 하여 설명하기로 한다. 변환 트랜지스터(103')의 소스는 접지 전압에 연결될 수 있고, 변환 트랜지스터(103)의 드레인은 전달부(101) 및 리셋부(102)의 출력단자에 연결 될 수 있다. 또한, 변환 트랜지스터(103')의 게이트에는 외부에서 제공되는 바이어스 전압(Vbias)이 입력될 수 있다. 이와 같이, 변환부(103')는 외부에서 제공되는 바이어스 전압(Vbias)에 따라 활성화되는데, 바이어스 전압(Vbias)을 조절함으로써 감지 전압 및 기준 전압의 오프셋을 조절할 수 있다. 구체적으로, 바이어스 전압을 조절함으로써, 증폭부(104)에 제공되는 전압의 크기를 조절할 수 있다.
도 5c를 참조하면, 픽셀(100")은 광 감지부(PS), 리셋부(102), 변환부(103'), 증폭부(104) 및 선택부(105)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 픽셀(100")은 도 5a의 픽셀(100) 또는 도 5b의 픽셀(101')의 일부 구성을 변형한 것이고, 따라서 중복된 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 픽셀(100")은 도 5b의 픽셀(100')과 비교할 때 전달부(101)를 포함하지 않는다. 광 감지부(PS)에 포함된 광 감지 트랜지스터(PS)의 문턱 전압이 0V 보다 큰 경우에는 픽셀(100")은 전달부(101)를 포함하지 않을 수 있다. 이때, 변환부(103')는 광 감지부(PS)에서 생성되는 감지 전류 및 리셋부(102)에서 출력되는 기준 전류를 전압으로 변환하여 감지 전압 및 기준 전압을 생성할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 전달부(101)를 포함하지 않아도 되므로 픽셀(100")의 면적을 감소시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 픽셀(100")은 변환부(103') 대신에 도 5a에 도시된 변환부(103)를 포함할 수도 있다.
도 6은 도 5a의 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서를 나타내는 회로도이다.
도 6을 참조하면, 이미지 센서(1)는 복수의 픽셀들(100)을 포함하는 픽셀 어레이(10), 로우 드라이버(20), 광 검출 신호 생성부(30) 및 아날로그-디지털 변환부(40)를 포함한다.
픽셀 어레이(10)는 로우 드라이버(20)에 연결되는 복수의 구동 신호 라인들 및 광 검출 신호 생성부(30)에 연결되는 복수의 출력 신호 라인들을 포함하고, 구동 신호 라인과 출력 신호 라인이 교차하는 지점에 각 픽셀(100)이 배치된다. 구체적으로, 복수의 구동 신호 라인들은 복수의 행들의 각각에 대한 셋 신호 라인들, 리셋 신호 라인들 및 선택 신호 라인들을 포함할 수 있고, 복수의 출력 신호 라인들은 복수의 열들의 각각에 대한 출력 신호 라인들을 포함할 수 있다.
로우 드라이버(20)는 셋 신호 라인들, 리셋 신호 라인들 및 선택 신호 라인들을 통하여 셋 신호(SET), 리셋 신호(RST) 및 선택 신호(SEL)를 각각 복수의 픽셀들(100)에 제공할 수 있다. 이에 따라, 각 픽셀(100)의 전달부(101), 리셋부(102) 및 선택부(105)는 로우 드라이버(20)로부터 제공받은 셋 신호(SET), 리셋 신호(RST) 및 선택 신호(SEL)에 따라 각각 활성화되고, 동일한 행에 배치되는 픽셀들(100)은 동시에 활성화될 수 있다. 또한, 각 픽셀(100)의 선택부(105)에서 출력되는 출력 신호는 출력 신호 라인을 통하여 광 검출 신호 생성부(30)에 제공될 수 있다.
도 6의 이미지 센서(1)는 도 5a의 픽셀(100)을 포함하는 픽셀 어레이(10)를 포함하지만, 다른 실시예에서 이미지 센서(1)의 픽셀 어레이(10)는 도 5b의 픽셀(100') 또는 도 5c의 픽셀(100")을 포함할 수 있고, 변형된 픽셀들을 포함할 수 도 있다.
도 7은 도 6의 이미지 센서의 일부를 나타내는 상세 회로도이다.
도 7을 참조하면, 픽셀(100), 광 검출 신호 생성부(30) 및 아날로그-디지털 변환부(40)가 도시되어 있는데, 광 검출 신호 생성부(30)는 변환 트랜지스터(31), 샘플링 회로(32), 증폭기(33) 및 래치(latch)(34)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광 검출 신호 생성부(30)는 CDS(correlated double sampling) 회로로 구현될 수 있는데, CDS 회로를 이용할 경우 저주파수 노이즈를 제거할 수 있다. 이하에서는 먼저 광 검출 신호 생성부(30)에 포함된 구성 요소들에 대해 상술하기로 한다.
변환 트랜지스터(31)는 픽셀(100)의 선택부(105)에서 출력되는 감지 신호 및 기준 신호를 전압으로 변환하여 감지 전압 신호 및 기준 전압 신호를 생성할 수 있다. 이때, 변환 트랜지스터(31)의 게이트에는 외부에서 제공되는 바이어스 전압(Vbias')이 입력될 수 있고, 바이어스 전압(Vbias')을 제어하여 감지 전압 신호 및 기준 전압 신호의 오프셋을 조절할 수 있다.
샘플링 회로(32)는 제1 및 제2 스위치(M1, M2)와 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)를 포함할 수 있다. 제1 스위치(M1)는 리셋 샘플링 신호(RS)에 따라 활성화되어 기준 전압 신호에 따라 제1 커패시터(C1)를 충전한다. 제2 스위치(M2)는 셋 샘플링 신호(SS)에 따라 활성화되어 감지 전압 신호에 따라 제2 커패시터(C2)를 충전한다.
증폭기(33)는 인에이블(enable) 신호(EN)에 따라 인에이블되어, 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)의 전압 차이를 증폭하여 광 검출 신호를 출력할 수 있다. 래치(34)는 증폭기(33)에서 출력된 광 검출 신호를 래치한다.
도 8은 도 7의 픽셀, 광 검출 신호 생성부 및 아날로그 디지털 변환부의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
이하에서는, 도 7 및 도 8을 참조하여 이미지 센서(1)의 동작 방법을 상술하기로 한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 먼저 리셋 신호(RST)가 온되면(즉, 논리 하이(high) 레벨을 가지면), 리셋부(102)는 활성화되어 기준 전류를 출력하고 변환부(103)는 리셋부(102)에서 출력된 기준 전류를 전압으로 변환하여, 기준 전압 레벨을 갖는 전압(VT)을 출력한다. 증폭부(104)는 변환부(103)에서 출력된 전압(VT)을 기초로 기준 신호를 생성한다. 이어서, 선택 신호(SEL)가 온되면, 선택부(105)는 증폭부(104)에서 생성된 기준 신호를 변환 트랜지스터(31)로 출력하고, 변환 트랜지스터(31)는 기준 신호를 기준 전압 신호로 변환한다. 이어서, 리셋 샘플링 신호(RS)가 온되면, 기준 전압 신호는 제1 커패시터(C1)에 제공된다.
다음으로, 셋 신호(SET)가 온되면, 전달부(101)는 활성화되어 감지 전류를 출력하고 변환부(103)는 전달부(101)에서 출력된 감지 전류를 전압으로 변환하여, 감지 전압 레벨을 갖는 전압(VT)을 출력한다. 증폭부(104)는 변환부(103)에서 출력된 전압(VT)을 기초로 감지 신호를 생성한다. 이어서, 선택 신호(SEL)가 온되면, 선택부(105)는 증폭부(104)에서 생성된 감지 신호를 변환 트랜지스터(31)로 출력하 고, 변환 트랜지스터(31)는 감지 신호를 감지 전압 신호로 변환한다. 이어서, 셋 샘플링 신호(SS)가 온되면, 감지 전압 신호는 제2 커패시터(C2)에 제공된다.
이어서, 인에이블 신호(EN)가 온되면, 증폭기(33)는 활성화되어 제1 커패시터(C1)의 전압과 제2 커패시터(C2)의 전압 차이를 증폭하여 광 검출 신호를 생성한다.
도 9는 도 6의 이미지 센서의 변형된 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 9를 참조하면, 이미지 센서(1')는 픽셀 어레이(10'), 로우 드라이버(20), 광 검출 신호 생성부(30) 및 아날로그-디지털 변환부(40)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 이미지 센서(1')는 도 6의 이미지 센서(1)의 일부 구성을 변형한 것이고, 따라서 중복된 설명은 생략한다.
픽셀 어레이(10')에 포함된 복수의 픽셀들 중 적어도 두 픽셀들은 리셋부(102), 변환부(103), 증폭부(104) 및 선택부(105) 중 적어도 하나를 공유할 수 있다. 이때, 리셋부(102), 변환부(103), 증폭부(104) 및 선택부(105) 중 적어도 하나를 공유하는 복수의 픽셀들은 각각 입사광을 감지하므로, 개별적인 광 감지부(PS) 및 전달부(101)를 포함한다. 이와 같이, 복수의 픽셀들에 포함된 리셋부(102), 변환부(103), 증폭부(104) 및 선택부(105) 중 적어도 하나를 공유함으로써, 이미지 센서(1')의 면적을 크게 감소시킬 수 있다.
도 10a 내지 도 10c는 도 1의 픽셀 어레이에 포함된 각 픽셀의 구조의 다른 실시예들을 나타내는 회로도들이다.
도 10a를 참조하면, 픽셀(200)은 광 감지부(PS), 전달부(201), 리셋부(202), 변환부(203) 및 선택부(204)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 픽셀(200)은 도 5a의 픽셀(100)의 일부 구성을 변형한 것이고, 따라서 중복된 설명은 생략한다.
광 감지부(PS)는 입사광의 에너지에 따라 전압-전류 특성이 변화하고, 입사광의 에너지에 따라 결정되는 감지 전류를 생성할 수 있다. 전달부(201)는 셋 신호(SET)에 따라 활성화되어, 광 감지부(PS)에서 생성된 감지 전류를 출력할 수 있다. 리셋부(202)는 리셋 신호(RST)에 따라 활성화되어, 기준 전류를 출력할 수 있다. 변환부(203)는 전달부(201)에서 출력되는 감지 전류 및 리셋부(202)에서 출력되는 기준 전류를 전압으로 변환하여 감지 전압 및 기준 전압을 생성할 수 있다. 선택부(204)는 선택 신호(SEL)에 따라 활성화되어, 변환부(203)에서 생성된 감지 전압 및 기준 전압을 광 검출 신호 생성부(30)로 제공할 수 있다.
본 실시예에 따른 픽셀(200)은 도 5a에 도시된 픽셀(100)과 달리 증폭부를 포함하지 않는다. 그러므로, 선택부(204)는 증폭된 신호 또는 전류 신호를 출력하지 않고, 변환부(203)에서 생성된 감지 전압 및 기준 전압 자체를 출력할 수 있다.
도 10b를 참조하면, 픽셀(200')는 광 감지부(PS), 전달부(201), 리셋부(202), 변환부(203') 및 선택부(204)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 픽셀(200')은 도 10a의 픽셀(200)의 일부 구성을 변형한 것이고, 따라서 중복된 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 변환부(203')는 전달부(201)에서 출력되는 감지 전류 및 리셋부(102)에서 출력되는 기준 전류를 전압으로 변환하여 감지 전압 및 기준 전압을 생성할 수 있다. 예를 들어, 변환부(203')는 변환 트랜지스터를 포함할 수 있 는데, 이하에서는 변환부(203')가 변환 트랜지스터로 구현되는 경우를 예로 하여 설명하기로 한다. 변환 트랜지스터(203')의 소스는 접지 전압에 연결될 수 있고, 변환 트랜지스터(203')의 드레인은 전달부(201) 및 리셋부(202)의 출력단자에 연결될 수 있다. 또한, 변환 트랜지스터(203')의 게이트에는 외부에서 제공되는 바이어스 전압(Vbias)이 입력될 수 있다. 이와 같이, 변환부(203')는 외부에서 제공되는 바이어스 전압(Vbias)에 따라 활성화되는데, 바이어스 전압(Vbias)을 조절함으로써 감지 전압 및 기준 전압의 오프셋을 조절할 수 있다. 구체적으로, 바이어스 전압을 조절함으로써, 선택부(204)에 제공되는 전압의 크기를 조절할 수 있다.
도 10c를 참조하면, 픽셀(200")은 광 감지부(PS), 리셋부(202), 변환부(203) 및 선택부(204)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 픽셀(200")은 도 10a의 픽셀(200)의 일부 구성을 변형한 것이고, 따라서 중복된 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 픽셀(200")은 도 10a의 픽셀(200)과 비교할 때 전달부(201)를 포함하지 않는다. 광 감지부(PS)에 포함된 광 감지 트랜지스터(PS)의 문턱 전압이 0V 보다 큰 경우에는 픽셀(200")은 전달부(201)를 포함하지 않을 수 있다. 이때, 변환부(203)는 광 감지부(PS)에서 출력되는 감지 전류 및 리셋부(202)에서 출력되는 기준 전류를 전압으로 변환하여 감지 전압 및 기준 전압을 생성할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 전달부(201)를 포함하지 않아도 되므로 픽셀(200")의 면적을 감소시킬 수 있다.
도 11은 도 10a의 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 일부 구성을 나타내는 상 세 회로도이다.
도 11을 참조하면, 픽셀(200), 광 검출 신호 생성부(30') 및 아날로그-디지털 변환부(40)가 도시되어 있는데, 광 검출 신호 생성부(30')는 샘플링 회로(32), 증폭기(33) 및 래치(34)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 이미지 센서는 도 7의 이미지 센서의 일부 구성을 변형한 것이고, 따라서 중복된 설명은 생략한다.
픽셀(200)의 선택부(204)는 감지 전압 및 기준 전압을 출력하므로, 광 검출 신호 생성부(30')는 픽셀(200)의 출력 신호를 전압으로 변환하기 위한 별도의 변환 트래지스터를 구비하지 않아도 된다. 샘플링 회로(32) 는 제1 및 제2 스위치(M1, M2)와 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)를 포함할 수 있다. 제1 스위치(M1)는 리셋 샘플링 신호(RS)에 따라 활성화되어, 픽셀(200)의 선택부(204)에서 출력되는 기준 전압에 따라 제1 커패시터(C1)를 충전한다. 제2 스위치(M2)는 셋 샘플링 신호(SS)에 따라 활성화되어, 픽셀(200)의 선택부(204)에서 출력되는 감지 전압에 따라 제2 커패시터(C1)를 충전한다. 증폭기(33)는 인에이블 신호(EN)에 따라 인에이블되어, 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)의 전압 차이를 증폭하여 광 검출 신호를 출력할 수 있다. 래치(34)는 증폭기(33)에서 출력된 광 검출 신호를 래치한다.
이하에서는, 이미지 센서의 동작을 상술하기로 한다.
먼저 리셋 신호(RST)가 온되면, 리셋부(202)는 활성화되어 기준 전류를 출력하고 변환부(203)는 리셋부(202)에서 출력된 기준 전류를 전압으로 변환하여, 기준 전압 레벨을 갖는 전압(VT)을 출력한다. 이어서, 선택 신호(SEL)가 온되면, 선택 부(204)는 변환부(203)에서 출력된 기준 전압 레벨을 갖는 전압을 출력하고, 이어서, 리셋 샘플링 신호(RS)가 온되면, 기준 전압 레벨을 갖는 전압은 제1 커패시터(C1)에 제공된다.
다음으로, 셋 신호(SET)가 온되면, 전달부(201)는 활성화되어 감지 전류를 출력하고 변환부(203)는 전달부(201)에서 출력된 감지 전류를 전압으로 변환하여, 감지 전압 레벨을 갖는 전압(VT)을 출력한다. 이어서, 선택 신호(SEL)가 온되면, 선택부(204)는 변환부(203)에서 출력된 감지 전압 레벨을 갖는 전압을 출력하고, 이어서, 셋 샘플링 신호(SS)가 온되면, 감지 전압 레벨을 갖는 전압은 제2 커패시터(C2)에 제공된다.
이어서, 인에이블 신호(EN)가 온되면, 증폭기(33)는 활성화되어 제1 커패시터(C1)의 전압과 제2 커패시터(C2)의 전압 차이를 증폭하여 광 검출 신호를 생성한다.
도 12a 및 12b는 도 1의 픽셀 어레이에 포함된 각 픽셀의 구조의 또 다른 실시예들을 나타내는 회로도들이다.
도 12a를 참조하면, 픽셀(300)은 광 감지부(PS), 전달부(301), 리셋부(302) 및 선택부(303)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 픽셀(300)은 도 5a의 픽셀(100)의 일부 구성을 변형한 것이고, 따라서 중복된 설명은 생략한다.
광 감지부(PS)는 입사광의 에너지에 따라 전압-전류 특성이 변화하고, 입사광의 에너지에 따라 결정되는 감지 전류를 생성할 수 있다. 전달부(301)는 셋 신 호(SET)에 따라 활성화되어, 광 감지부(PS)에서 생성된 감지 전류를 출력할 수 있다. 리셋부(302)는 리셋 신호(RST)에 따라 활성화되어, 기준 전류를 출력할 수 있다. 선택부(303)는 선택 신호(SEL)에 따라 활성화되어, 전달부(301)에서 출력되는 감지 전류 및 리셋부(302)에서 출력되는 기준 전류를 광 검출 신호 생성부(30)로 제공할 수 있다.
본 실시예에 따른 픽셀(300)은 도 5a에 도시된 픽셀(100)과 달리 변환부 및 증폭부를 포함하지 않는다. 그러므로, 선택부(303)는 증폭된 신호 또는 전압 신호를 출력하지 않고, 감지 전류 및 기준 전류 자체를 출력할 수 있다.
도 12b를 참조하면, 픽셀(300')는 광 감지부(PS), 전달부(301), 리셋부(302) 및 선택부(303)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 픽셀(300')은 도 12a의 픽셀(300)의 일부 구성을 변형한 것이고, 따라서 중복된 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 픽셀(300')은 도 12a의 픽셀(300)과 비교할 때 전달부(301)를 포함하지 않는다. 광 감지부(PS)에 포함된 광 감지 트랜지스터(PS)의 문턱 전압이 0V 보다 큰 경우에는 픽셀(300')은 전달부(301)를 포함하지 않을 수 있다. 본 실시예에 따르면, 전달부(301)를 포함하지 않아도 되므로 픽셀(300')의 면적을 감소시킬 수 있다.
도 13은 도 12a의 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 일부 구성을 나타내는 상세 회로도이다.
도 13을 참조하면, 픽셀(300), 광 검출 신호 생성부(30) 및 아날로그-디지털 변환부(40)가 도시되어 있는데, 광 검출 신호 생성부(30)는 변환 트랜지스터(31), 샘플링 회로(32), 증폭기(33) 및 래치(34)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 이미지 센서는 도 7의 이미지 센서의 일부 구성을 변형한 것이고, 따라서 중복된 설명은 생략한다.
변환 트랜지스터(31)는 픽셀(300)의 선택부(303)에서 제공되는 감지 전류 및 기준 전류를 전압으로 변환하여 감지 전압 신호 및 기준 전압 신호를 생성할 수 있다. 샘플링 회로(32)는 제1 및 제2 스위치(M1, M2)와 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)를 포함할 수 있다. 제1 스위치(M1)는 리셋 샘플링 신호(RS)에 따라 활성화되어 기준 전압 신호에 따라 제1 커패시터(C1)를 충전한다. 제2 스위치(M2)는 셋 샘플링 신호(SS)에 따라 활성화되어 감지 전압 신호에 따라 제2 커패시터(C2)를 충전한다. 증폭기(33)는 인에이블 신호(EN)에 따라 인에이블되어, 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)의 전압 차이를 증폭하여 광 검출 신호를 출력할 수 있다. 래치(34)는 증폭기(33)에서 출력된 광 검출 신호를 래치한다.
이하에서는, 이미지 센서의 동작을 상술하기로 한다.
먼저 리셋 신호(RST)가 온되면 리셋부(302)는 활성화되어 기준 전류를 출력하고, 이어서, 선택 신호(SEL)가 온되면 선택부(303)는 리셋부(302)에서 출력된 기준 전류를 출력하고, 변환 트랜지스터(31)는 기준 전류를 전압으로 변환하여 기준 전압 신호를 생성한다. 이어서, 리셋 샘플링 신호(RS)가 온되면, 기준 전압 신호는 제1 커패시터(C1)에 제공된다.
다음으로, 셋 신호(SET)가 온되면, 전달부(301)는 활성화되어 감지 전류를 출력하고, 이어서, 선택 신호(SEL)가 온되면, 선택부(303)는 전달부(301)에서 출력 된 감지 전류를 출력하고, 변환 트랜지스터(31)는 감지 전류를 전압으로 변환하여 감지 전압 신호를 생성한다. 이어서, 셋 샘플링 신호(SS)가 온되면, 감지 전압 신호는 제2 커패시터(C2)에 제공된다.
이어서, 인에이블 신호(EN)가 온되면, 증폭기(33)는 활성화되어 제1 커패시터(C1)의 전압과 제2 커패시터(C2)의 전압 차이를 증폭하여 광 검출 신호를 생성한다.
도 14a 및 도 14b는 도 1의 픽셀 어레이에 포함된 각 픽셀의 구조의 또 다른 실시예들을 나타내는 회로도들이다.
도 14a를 참조하면, 픽셀(400)은 광 감지부(PS)를 포함할 수 있는데, 광 감지부(PS)는 입사광의 에너지에 따라 전압-전류 특성이 변화하고, 입사광의 에너지에 따라 결정되는 감지 전류를 생성할 수 있다. 광 감지부(PS)는 도 5a의 픽셀(100)에 포함된 광 감지부(PS)와 실질적으로 동일하므로 이에 대한 중복된 설명은 생략한다.
광 감지부(PS)의 게이트에 제1 전압(V1)이 입력되는 경우 광 감지부(PS)는 제1 감지 전류를 생성하고, 광 감지부(PS)의 게이트에 제2 전압(V2)이 입력되는 경우에 광 감지부(PS)는 제2 감지 전류를 생성할 수 있다. 본 실시예에 따른 픽셀(400)은 별도의 리셋부를 포함하지 않으므로, 광 감지부(PS)의 게이트에 제1 및 제2 전압(V1, V2)을 각각 인가하고 제1 및 제2 감지 전류의 차이를 이용하여 입사광을 검출할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 따른 픽셀(400)은 광 감지부(PS)만을 포함하므로, 각 픽셀(400)의 면적을 크게 줄일 수 있으므로 핸드폰과 같은 소형 기기에 유용하게 이용될 수 있다.
도 14b를 참조하면, 픽셀(400')는 광 감지부(PS) 및 선택부(401)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 픽셀(400')은 도 14a의 픽셀(400)의 일부 구성을 변형한 것이고, 따라서 중복된 설명은 생략한다. 본 실시예에 따른 픽셀(400')은 도 14a의 픽셀(400)과 비교할 때 선택부(401)를 더 포함한다.
도 15는 도 14a의 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 일부 구성을 나타내는 상세 회로도이다.
도 15를 참조하면, 픽셀(400), 광 검출 신호 생성부(30) 및 아날로그-디지털 변환부(40)가 도시되어 있는데, 광 검출 신호 생성부(30)는 변환 트랜지스터(31), 샘플링 회로(32), 증폭기(33) 및 래치(34)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 이미지 센서는 도 7의 이미지 센서의 일부 구성을 변형한 것이고, 따라서 중복된 설명은 생략한다.
변환 트랜지스터(31)는 픽셀(400)의 광 감지부(PS)에서 출력되는 제1 및 제2 감지 전류를 전압으로 변환하여 제1 및 제2 감지 전압 신호를 생성할 수 있다. 샘플링 회로(32)는 제1 및 제2 스위치(M1, M2)와 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)를 포함할 수 있다. 제1 스위치(M1)는 리셋 샘플링 신호(RS)에 따라 활성화되어 제1 감지 전압 신호에 따라 제1 커패시터(C1)를 충전한다. 제2 스위치(M2)는 셋 샘플링 신호(SS)에 따라 활성화되어 제2 감지 전압 신호에 따라 제2 커패시터(C2)를 충전한다. 증폭기(33)는 인에이블 신호(EN)에 따라 인에이블되어, 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)의 전압 차이를 증폭하여 광 검출 신호를 출력할 수 있다. 래치(34)는 증폭기(33)에서 출력된 광 검출 신호를 래치한다.
이하에서는, 이미지 센서의 동작을 상술하기로 한다.
먼저 광 감지부(PS)의 게이트에 제1 전압(V1)을 인가하여 제1 감지 전류를 출력하고, 변환 트랜지스터(31)는 제1 감지 전류를 제1 감지 전압으로 변환한다. 이어서, 리셋 샘플링 신호(RS)가 온되면, 제1 감지 전압은 제1 커패시터(C1)에 제공된다.
다음으로, 광 감지부(PS)의 게이트에 제2 전압(V2)을 인가하여 제2 감지 전류를 출력하고, 변환 트랜지스터(31)는 제2 감지 전류를 제2 감지 전압으로 변환한다. 이어서, 셋 샘플링 신호(SS)가 온되면, 제2 감지 전압은 제2 커패시터(C2)에 제공된다.
이어서, 인에이블 신호(EN)가 온되면, 증폭기(33)는 활성화되어 제1 커패시터(C1)의 전압과 제2 커패시터(C2)의 전압 차이를 증폭하여 광 검출 신호를 생성한다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 시스템을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 16을 참조하면, 프로세서 기반 시스템(1600)은 프로세서(1610), RAM(1620), 하드 드라이브(1630), 이미지 센서(1640) 및 입출력 장치(1650)을 포함할 수 있고, 이들은 버스(1660)를 통해서 통신할 수 있다. 여기서, 이미지 센서(1640)는 도 1 내지 15의 이미지 센서를 포함할 수 있다. 이미지 센서(1640)는 프로세서(1610) 또는 시스템(1600)의 다른 장치로부터 제어 신호 또는 데이터를 받 을 수 있다. 이미지 센서(1640)는 받은 제어 신호 또는 데이터에 기초하여 이미지를 정의하는 신호를 프로세서(1610)로 제공할 수 있으며, 프로세서(1610)는 이미지 센서(1640)로부터 받은 신호를 처리할 수 있다.
이러한 프로세서 기반 시스템은, 예를 들어 이미지 센서를 포함할 수 있는 디지털 회로, 컴퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 비디오 전화기, 전자감시 시스템(surveillance system), 차량 항법 시스템, 자동 초점 시스템, 별 추적 시스템, 운동 감지 시스템, 이미지 안정 시스템, 데이터 압축 시스템, 그리고 본 발명을 사용할 수 있는 모든 시스템을 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이에 포함된 각 픽셀에 포함된 광 감지부의 일 예를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 입사광의 광량에 따른 도 2의 광 감지부의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 입사광의 파장에 따른 도 2의 광 감지부의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 1의 픽셀 어레이에 포함된 각 픽셀의 구조의 일 실시예들을 나타내는 회로도들이다.
도 6은 도 5a의 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서를 나타내는 회로도이다.
도 7은 도 6의 이미지 센서에서 픽셀, 광 검출 신호 생성부 및 아날로그 디지털 변환부의 연결을 나타내는 상세 회로도이다.
도 8은 도 7의 픽셀, 광 검출 신호 생성부 및 아날로그 디지털 변환부의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 9는 도 6의 이미지 센서의 변형된 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 10a 내지 도 10c는 도 1의 픽셀 어레이에 포함된 각 픽셀의 구조의 다른 실시예들을 나타내는 회로도들이다.
도 11은 도 10a의 픽셀, 광 검출 신호 생성부 및 아날로그 디지털 변환부의 연결을 나타내는 상세 회로도이다.
도 12a 및 12b는 도 1의 픽셀 어레이에 포함된 각 픽셀의 구조의 또 다른 실시예들을 나타내는 회로도들이다.
도 13은 도 12a의 픽셀, 광 검출 신호 생성부 및 아날로그 디지털 변환부의 연결을 나타내는 상세 회로도이다.
도 14a 및 도 14b는 도 1의 픽셀 어레이에 포함된 각 픽셀의 구조의 또 다른 실시예들을 나타내는 회로도들이다.
도 15는 도 14a의 픽셀, 광 검출 신호 생성부 및 아날로그 디지털 변환부의 연결을 나타내는 상세 회로도이다.
도 16은 도 1의 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 시스템을 개략적으로 도시하는 블록도이다.

Claims (29)

  1. 복수의 픽셀(pixel)들을 포함하는 픽셀 어레이(array)를 포함하고,
    상기 복수의 픽셀들의 각각은,
    입사광의 에너지에 따라 전압-전류 특성이 변화하고, 상기 입사광의 에너지에 의해 결정되는 감지 전류를 생성하는 광 감지부;
    상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 리셋(reset)하는 리셋 신호에 따라 활성화되어 기준 전류를 생성하는 리셋부; 및
    상기 감지 전류 및 상기 기준 전류를 전압으로 변환하여 감지 전압 및 기준 전압을 생성하는 변환부를 포함하는 이미지 센서(image sensor).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들의 각각은,
    상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀에 포함된 상기 광 감지부의 출력을 선택하는 셋(set) 신호에 따라 활성화되어 상기 감지 전류를 상기 변환부로 전달하는 전달부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들의 각각은,
    상기 감지 전압 및 상기 기준 전압을 증폭하여 감지 신호 및 기준 신호를 생 성하는 증폭부; 및
    상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 선택하는 선택 신호에 따라 활성화되어 상기 감지 신호 및 상기 기준 신호로 외부에 제공하는 선택부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들 각각에 대하여 상기 셋 신호, 상기 리셋 신호 및 상기 선택 신호를 제공하는 로우 드라이버(row driver);
    상기 복수의 픽셀들 각각에서 출력되는 상기 감지 신호와 상기 기준 신호의 차이를 기초로 광 검출 신호를 생성하는 광 검출 신호 생성부; 및
    상기 생성된 광 검출 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광 검출 신호 생성부는,
    상기 감지 신호 및 상기 기준 신호를 전압으로 변환하여 감지 전압 신호 및 기준 전압 신호를 생성하는 변환 트랜지스터;
    리셋 샘플링 신호가 활성화된 경우에 상기 기준 전압 신호를 샘플링하여 기준 출력 신호를 생성하고, 셋 샘플링 신호가 활성화된 경우에 상기 감지 전압 신호를 샘플링하여 감지 출력 신호를 생성하는 샘플링 회로; 및
    상기 기준 출력 신호와 상기 감지 출력 신호의 차이를 증폭하여 상기 광 검출 신호를 생성하는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광 검출 신호 생성부는,
    상기 증폭부에서 생성된 상기 광 검출 신호를 래치하는 래치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들 중 적어도 두 개의 픽셀들은 상기 리셋부, 상기 변환부, 상기 증폭부 및 상기 선택부 중 적어도 하나를 공유하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들의 각각은,
    상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 선택하는 선택 신호에 따라 활성화되어 상기 감지 전압 및 상기 기준 전압을 각각 감지 신호 및 기준 신호로 외부에 제공하는 선택부를 더 포함하는 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들 각각에 대하여 상기 셋 신호, 상기 리셋 신호 및 상기 선택 신호를 제공하는 로우 드라이버;
    상기 복수의 픽셀들 각각에서 출력되는 상기 감지 신호와 상기 기준 신호의 차이를 기초로 광 검출 신호를 생성하는 광 검출 신호 생성부; 및
    상기 생성된 광 검출 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광 검출 신호 생성부는,
    리셋 샘플링 신호가 활성화된 경우에 상기 기준 신호를 샘플링하여 기준 출력 신호를 생성하고, 셋 샘플링 신호가 활성화된 경우에 상기 감지 신호를 샘플링하여 감지 출력 신호를 생성하는 샘플링 회로; 및
    상기 기준 출력 신호와 상기 감지 출력 신호의 차이를 증폭하여 상기 광 검출 신호를 생성하는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들 중 적어도 두 개의 픽셀들은 상기 리셋부, 상기 변환부 및 상기 선택부 중 적어도 하나를 공유하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 변환부는 상기 전달부 또는 상기 리셋부의 출력에 따라 턴온(turn on)되는 스위치 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 변환부는 외부에서 제공되는 바이어스 전압에 따라 턴온되는 스위치 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 광 감지부는 상기 입사광의 광량 또는 파장에 따라 전압-전류 특성이 변화하는 산화물 트랜지스터 또는 산화물 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 산화물 트랜지스터 또는 상기 산화물 다이오드는 ZnO, TiO2와 같은 금속 산화물을 이용하여 구현되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  16. 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하고,
    상기 복수의 픽셀들의 각각은,
    입사광의 에너지에 따라 전압-전류 특성이 변화하고, 상기 입사광의 에너지 에 따라 결정되는 감지 전류를 생성하는 광 감지부; 및
    상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 선택하는 선택 신호에 따라 활성화되어 상기 감지 전류를 감지 신호로 외부에 제공하는 선택부를 포함하는 이미지 센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들의 각각은,
    상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 리셋하는 리셋 신호에 따라 활성화되어 기준 전류를 생성하는 리셋부를 더 포함하고,
    상기 선택부는 상기 감지 전류 또는 상기 기준 전류를 상기 감지 신호 또는 기준 신호로 외부에 제공하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들의 각각은,
    상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀에 포함된 상기 광 감지부의 출력을 선택하는 셋 신호에 따라 활성화되어 상기 감지 전류를 상기 선택부에 제공하는 전달부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  19. 제16항 내지 제19항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들 각각에 대하여 상기 셋 신호, 상기 리셋 신호 및 상기 선택 신호 중 적어도 하나를 제공하는 로우 드라이버;
    상기 복수의 픽셀들 각각에서 출력되는 상기 감지 신호와 상기 기준 신호의 차이를 기초로 광 검출 신호를 생성하는 광 검출 신호 생성부; 및
    상기 생성된 광 검출 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 광 검출 신호 생성부는,
    상기 감지 신호 및 상기 기준 신호를 전압으로 변환하여 감지 전압 신호 및 기준 전압 신호를 생성하는 변환 트랜지스터;
    리셋 샘플링 신호가 활성화된 경우에 상기 기준 전압 신호를 샘플링하여 기준 출력 신호를 생성하고, 셋 샘플링 신호가 활성화된 경우에 상기 감지 전압 신호를 샘플링하여 감지 출력 신호를 생성하는 샘플링 회로; 및
    상기 기준 출력 신호와 상기 감지 출력 신호의 차이를 증폭하여 상기 광 검출 신호를 생성하는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들 중 적어도 두 개의 픽셀들은 상기 리셋부 및 상기 선택부 중 적어도 하나를 공유하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 광 감지부는 상기 입사광의 광량 또는 파장에 따라 전압-전류 특성이 변화하는 산화물 트랜지스터 또는 산화물 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  23. 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하고, 상기 복수의 픽셀들의 각각은 입사광의 에너지에 따라 전압-전류 특성이 변화하는 광 감지부를 포함하는 이미지 센서의 동작 방법으로서,
    상기 복수의 픽셀들의 각각에서, 상기 입사광의 에너지에 의해 결정되는 감지 전류를 생성하는 단계; 및
    상기 복수의 픽셀들의 각각에서, 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 리셋하는 리셋 신호에 따라 기준 전류를 생성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 동작 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들의 각각에서, 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 선택하는 선택 신호에 따라 상기 감지 전류 및 상기 기준 전류를 외부에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들 각각에서 출력되는 상기 감지 전류와 상기 기준 전류의 차이를 기초로 광 검출 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 광 검출 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작 방법.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들의 각각에서, 상기 감지 전류 및 상기 기준 전류를 전압으로 변환하여 감지 전압 및 기준 전압을 생성하는 단계; 및
    상기 복수의 픽셀들의 각각에서, 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 선택하는 선택 신호에 따라 상기 감지 전압 및 상기 기준 전압을 외부에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들 각각에서 출력되는 상기 감지 전압과 상기 기준 전압의 차이를 기초로 광 검출 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 광 검출 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작 방법.
  28. 제23항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들의 각각에서, 상기 감지 전류 및 상기 기준 전류를 전압 으로 변환하여 감지 전압 및 기준 전압을 생성하는 단계;
    상기 복수의 픽셀들의 각각에서, 상기 감지 전압 및 상기 기준 전압을 증폭하여 감지 신호 및 기준 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 복수의 픽셀들의 각각에서, 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀을 선택하는 선택 신호에 따라 상기 감지 신호 및 상기 기준 신호로 외부에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들 각각에서 출력되는 상기 감지 신호와 상기 기준 신호의 차이를 기초로 광 검출 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 광 검출 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작 방법.
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