KR20110078975A - 이미지 센서 - Google Patents

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KR20110078975A
KR20110078975A KR1020090135912A KR20090135912A KR20110078975A KR 20110078975 A KR20110078975 A KR 20110078975A KR 1020090135912 A KR1020090135912 A KR 1020090135912A KR 20090135912 A KR20090135912 A KR 20090135912A KR 20110078975 A KR20110078975 A KR 20110078975A
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transistor
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전진욱
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주식회사 동부하이텍
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Abstract

이미지 센서가 제공된다. 이미지 센서는 다수의 단위 화소들 및 상기 다수의 단위 화소들을 제어하기 위한 서로 독립된 리셋 제어 신호들을 출력하는 제어부를 포함하며, 상기 다수의 단위 화소들 각각은 입사광량에 따라 전하를 발생하는 포토다이오드, 상기 포토다이오드로부터 발생된 전하를 전달하도록 스위칭(swiching)되는 전송 트랜지스터, 상기 전송 트랜지스터로부터 전달되는 전하를 유지하는 플로팅 확산 영역, 및 상기 서로 독립된 리셋 제어 신호들 중 상응하는 어느 하나의 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 플로팅 확산 영역을 제1 전원 전압으로 리셋시키도록 스위칭하는 리셋 트랜지스터를 포함한다.
이미지 센서, 단위 화소, 리셋 트랜지스터, 다이내믹 범위(dynamic range)

Description

이미지 센서{A image sensor}
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자를 말하며, 그 종류에는 CCD(Charge Coupled Device) 방식의 소자 및 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 방식의 소자가 있다. 이미지 센서는 빛을 감지하는 포토다이오드를 포함하는 수광 영역과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직 영역으로 구성된다. 상기 이미지 센서의 단위 픽셀은 포토 다이오드와 하나 이상의 트랜지스터들로 구성될 수 있다.
도 1은 일반적인 이미지 센서의 단위 화소들(pixels)을 나타내는 회로도이다. 도 1을 참조하면, 단위 화소들(110,120) 각각은 광 감지 수단인 포토다이오드(111, 211)와 전송 트랜지스터(113,213), 리셋 트랜지스터(115,215), 구동 트랜지스터(117,217) 및 선택 트랜지스터(119,219)를 포함한다.
여기서, 전송 트랜지스터(113,213)는 포토다이오드(111,211)에서 생성된 광 전하를 플로팅 확산 영역(floating diffusion region)으로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(115,215)는 신호 검출을 위하여 플로팅 확산 영역(FD)에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 한다. 또한, 구동 트랜지스터(117,217)는 소오스 팔로워(source follower)의 역할을 하며, 선택 트랜지스터(119,219)는 선택을 위한 스위칭 소자의 역할을 한다.
일반적으로 화소에 대한 초기화는 리셋 신호선(RX)에 입력되는 리셋 신호에 의하여 행(row) 단위로 수행된다. 이와 같이 행 단위로 화소를 초기화하는 경우 한 행의 각 열(column)에 해당하는 화소에 대한 집적 시간을 독립적으로 제어할 수 없다. 여기서 화소의 집적 시간(integration time)이란 화소가 초기화된 후 판독 회로에서 화소 정보를 읽을 때까지 경과한 시간을 말한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다이내믹 범위를 넓힐 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 있다.
상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 다수의 단위 화소들 및 상기 다수의 단위 화소들을 제어하기 위한 서로 독립된 리셋 제어 신호들을 출력하는 제어부를 포함하며, 상기 다수의 단위 화소들 각각은 입사광량에 따라 전하를 발생하는 포토다이오드, 상기 포토다이오드로부터 발생된 전하를 전달하도록 스위칭(swiching)되는 전송 트랜지스터, 상기 전송 트랜지스터로부터 전달되는 전하를 유지하는 플로팅 확산 영역, 및 상기 서로 독립된 리셋 제어 신호들 중 상응하는 어느 하나의 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 플로팅 확산 영역을 제1 전원 전압으로 리셋시키도록 스위칭하는 리셋 트랜지스터를 포함한다.
또한 제어부는 상기 리셋 신호들과 독립된 제1 선택 신호를 출력하며, 단위 화소들 각각은 상기 플로팅 확산 영역에 유지되는 전하의 양에 비례하는 전기 신호를 출력하는 구동 트랜지스터, 및 상기 제1 선택 신호에 응답하여 상기 전기 신호를 출력 라인으로 출력하도록 스위칭하는 선택 트랜지스터를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 다수의 단위 화소들 각각은 상기 리셋 트랜지스터와 상기 플로팅 확산 영역 사이에 접속되며, 상기 제1 선택 신호에 응답하여 스위칭하는 선택 스위치를 더 포함할 수 있다.
또한 제어부는 상기 리셋 신호들 및 상기 제1 선택 신호와 독립된 제2 선택 신호를 출력하며, 상기 다수의 단위 화소들 각각은 상기 리셋 트랜지스터와 상기 플로팅 확산 영역 사이에 접속되며, 상기 제2 선택 신호에 응답하여 스위칭하는 선택 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 리셋 트랜지스터들의 게이트들 중 상응하는 어느 하나에 접속하도록 서로 독립적으로 배치되는 리셋 신호 라인들을 더 포함하며, 상기 서로 독립된 리셋 제어 신호들 중 상응하는 어느 하나의 리셋 제어 신호는 상기 서로 독립적으로 배치되는 리셋 신호 라인들 중 상응하는 어느 하나의 리셋 신호 라인으로 출력될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 서로 독립적인 리셋 제어 신호들에 의하여 단위 화소들 각각에 대한 독립적인 초기화가 가능하여 화소의 다이나믹 범위를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 기술적 과제 및 특징들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 본 발명을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 제어부(미도시), 제1 전원 라인, 리셋 신호 라인들, 선택 라인, 출력 라인들 및 다수의 단위 화소들을 포함한다. 제어부는 서로 독립된 리셋 제어 신호들을 열 방향으로 화소마다 서로 독립적으로 배 치되는 리셋 신호 라인들로 출력한다. 또한 제어부는 리셋 제어 신호들과는 서로 독립된 제1 선택 신호를 출력할 수 있다. 또한 제어부는 서로 독립된 전송 제어 신호들을 출력할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 화소들의 구조를 나타낸다. 도 2에는 2개의 단위 화소들만을 도시하였지만, 이미지 센서는 다수의 단위 화소들을 포함하며, 단위 화소들 각각은 동일한 구조로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 단위 화소들 각각은 포토다이오드(252,또는 254), 전송 트랜지스터(262,또는 264), 플로팅 확산 영역(floating diffusion region, FD1 또는 FD2), 리셋 트랜지스터(272,또는 274), 구동 트랜지스터(282, 또는 284), 및 선택 트랜지스터(292, 또는 294)을 포함한다.
제1 전원 라인(201)은 제1 전원 전압(VDD)이 공급된다.
포토다이오드(252, 또는 254)는 그라운드 전원(GND)과 전송 트랜지스터(262,264) 사이에 접속되며, 입사광량에 따라 전하를 발생하여 축적한다.
전송 트랜지스터(262 또는 264)는 포토다이오드(252 또는 254)와 플로팅 확산 영역(FD1, 또는 FD2) 사이에 접속되며, 포토다이오드(252 또는 254)로부터 발생된 전하를 플로팅 확산 영역(FD1 또는 FD2)으로 전달하도록 전송 제어 신호(TX(n) 또는 TX(n+1))에 응답하여 스위칭한다.
플로팅 확산 영역(FD1 또는 FD2)은 상기 전송 트랜지스터(262 또는 264)로부터 전달되는 전하를 유지한다.
리셋 트랜지스터(272,또는 274)는 제1 전원 라인(201)과 플로팅 확산 영 역(FD1 또는 FD2) 사이에 접속되며, 제어부로부터 출력되는 서로 독립된 리셋 제어 신호들(RX(n),RX(n+1)) 중 상응하는 어느 하나의 리셋 제어 신호에 응답하여 플로팅 확산 영역(FD1 또는 FD2)을 제1 전원 전압(VDD)으로 리셋시키도록 스위칭한다.
서로 독립된 리셋 제어 신호들(RX(n),RX(n+1)) 중 상응하는 어느 하나의 리셋 제어 신호는 서로 독립적으로 배치되는 리셋 신호 라인들(L1(n), L2(n+1)) 중 상응하는 어느 하나의 리셋 신호 라인으로 출력된다. 그리고 리셋 신호 라인들(L1(n), L2(n+1))은 상기 리셋 트랜지스터들(272,또는 274)의 게이트들 중 상응하는 게이트에 접속하도록 서로 독립적으로 배치된다.
구동 트랜지스터(282,284)는 제1 전원 라인(201)과 선택 트랜지스터(292,294) 사이에 접속되고, 플로팅 확산 영역(FD1 또는 FD2)에 접속되는 게이트를 포함하며, 플로팅 확산 영역(FD1 또는 FD2)에 유지되는 전하의 양에 비례하는 전기 신호를 출력한다.
선택 트랜지스터(292, 또는 294)는 출력 라인들(205(n), 205(n+1))과 구동 트랜지스터(282,284) 사이에 접속되고, 제1 선택 라인(203(n))에 접속하는 게이트를 포함하며, 제어부로부터 제1 선택 라인(203(n))으로 출력되는 제1 선택 신호(SX2(n))에 응답하여, 구동 트랜지스터(282,284)로부터 출력되는 전기 신호를 출력 라인(205(n),205(n+1))으로 출력하도록 스위칭한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소를 나타낸다. 도 3에 도시된 이미지 센서의 단위 화소는 도 2에 도시된 단위 화소에 선택 스위치(310,또는 320)를 더 포함한다.
선택 스위치(310,또는 320)는 리셋 트랜지스터(272,274)와 플로팅 확산 영역 (FD1, 또는 FD2) 사이에 접속되고, 제1 선택 라인(203(n))에 접속되는 게이트를 포함하며, 제어부로부터 제1 선택 라인(203(n))으로 출력되는 제1 선택 신호(SX1(n))에 응답하여 스위칭한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소를 나타낸다. 도 4에 도시된 이미지 센서의 단위 화소는 도 2에 도시된 단위 화소에 제2 선택 라인(204(n)) 및 선택 스위치(410, 420)를 더 포함한다.
선택 스위치(410,420)는 리셋 트랜지스터(272,274)와 플로팅 확산 영역(FD1 또는 FD2) 사이에 접속되고, 제2 선택 라인(204(n))에 접속되는 게이트를 포함하며, 제어부로부터 제2 선택 라인(204(n))으로 출력되는 제2 선택 신호(SX2(n))에 응답하여 스위칭한다.
도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 화소들에 포함된 리셋 트랜지스터들을 턴 온시켜 플로팅 확산 영역을 초기화한다(S1). 단위 집적 시간(integration time)이 경과한 뒤에 단위 화소들 각각의 정보를 읽는다(S2).
그리고 독립적인 리셋 제어 신호를 통하여 단위 화소들 중 포화 상태에 도달해서 읽어낸 정보가 임계값을 벗어나는 단위 화소에 대하여 개별적으로 초기화할 수 있다(S3). 그리고 S2 및 S3의 동작을 다수 번 반복하여 최종 영상 정보를 얻어낸다(S4). 그래서 이미지 센서의 밝은 부분의 단위 화소와 어두운 부분의 단위 화소에 대하여 개별적으로 초기화가 가능하여 이미지 센서의 다이나믹 레인지를 넓힐 수 있다.
이와 같이 본원 발명의 다수의 단위 화소들을 포함하는 이미지 센서는 서로 독립적인 리셋 제어 신호들에 의하여 단위 화소들 각각에 대한 독립적인 초기화가 가능하여 화소의 다이나믹 범위(dynamic range)를 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
도 1은 일반적인 이미지 센서의 단위 화소들을 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 화소들의 구조를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소를 나타낸다.

Claims (5)

  1. 다수의 단위 화소들; 및
    상기 다수의 단위 화소들을 제어하기 위한 서로 독립된 리셋 제어 신호들을 출력하는 제어부를 포함하며,
    상기 다수의 단위 화소들 각각은,
    입사광량에 따라 전하를 발생하는 포토다이오드;
    상기 포토다이오드로부터 발생된 전하를 전달하도록 스위칭(swiching)되는 전송 트랜지스터;
    상기 전송 트랜지스터로부터 전달되는 전하를 유지하는 플로팅 확산 영역; 및
    상기 서로 독립된 리셋 제어 신호들 중 상응하는 어느 하나의 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 플로팅 확산 영역을 제1 전원 전압으로 리셋시키도록 스위칭하는 리셋 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단위 화소들 각각은,
    상기 제어부는,
    상기 리셋 신호들과 독립된 제1 선택 신호를 출력하며,
    상기 플로팅 확산 영역에 유지되는 전하의 양에 비례하는 전기 신호를 출력하는 구동 트랜지스터; 및
    상기 제1 선택 신호에 응답하여 상기 전기 신호를 출력 라인으로 출력하도록 스위칭하는 선택 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다수의 단위 화소들 각각은,
    상기 리셋 트랜지스터와 상기 플로팅 확산 영역 사이에 접속되며, 상기 제1 선택 신호에 응답하여 스위칭하는 선택 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 리셋 신호들 및 상기 제1 선택 신호와 독립된 제2 선택 신호를 출력하며,
    상기 다수의 단위 화소들 각각은,
    상기 리셋 트랜지스터와 상기 플로팅 확산 영역 사이에 접속되며, 상기 제2 선택 신호에 응답하여 스위칭하는 선택 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 이미지 센서는,
    상기 리셋 트랜지스터들의 게이트들 중 상응하는 어느 하나에 접속하도록 서로 독립적으로 배치되는 리셋 신호 라인들을 더 포함하며,
    상기 서로 독립된 리셋 제어 신호들 중 상응하는 어느 하나의 리셋 제어 신호는 상기 서로 독립적으로 배치되는 리셋 신호 라인들 중 상응하는 어느 하나의 리셋 신호 라인으로 출력되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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