KR20150145127A - 이미지 센서와 이를 포함하는 이미지 처리 시스템 - Google Patents
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Abstract
플로팅 디퓨전 노드의 전압을 부스팅할 수 있는 이미지 센서 반도체 기판의 내부에 형성된 플로팅 디퓨전 노드와 저장 다이오드와, 상기 플로팅 디퓨전 노드의 위에 형성된 제1차광 물질과, 상기 제1차광 물질과 서로 분리되고, 상기 저장 다이오드의 위에 형성된 제2차광 물질을 포함한다. 상기 이미지 센서는 상기 제1차광 물질로 제1전압을 공급하기 위한 제1전압 공급라인과 상기 제2차광 물질로 상기 제1전압보다 낮은 제2전압을 공급하기 위한 제2전압 공급라인을 더 포함한다.
Description
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 플로팅 디퓨전 노드의 전압을 부스팅할 수 있는 이미지 센서와 이를 포함하는 이미지 처리 시스템에 관한 것이다.
이미지 센서는 광 이미지(optical image)를 전기적 신호로 변환하는 장치이다. 상기 이미지 센서는 디지털 카메라 또는 다른 이미지 처리 장치에 사용된다.
이미지 센서는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함한다. 상기 복수의 픽셀들 각각은 광전 변환 작동을 수행할 수 있는 광전 변환 소자와, 상기 광전 변환 소자에 의해 생성된 전하들을 플로팅 디퓨전 노드(floating diffusion node)로 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 플로팅 디퓨전 노드를 리셋하기 위한 리셋 트랜지스터, 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송된 전하들에 응답하여 작동하는 소스 팔로워(source follower), 및 상기 소스 팔로워로부터 출력된 신호들을 컬럼 라인으로 전송하는 선택 트랜지스터를 포함한다.
소스 팔로워의 게이트는 플로팅 디퓨전 노드에 접속된다.
상기 플로팅 디퓨전 노드에 저장될 수 있는 전하량을 증가시키는 방법으로서, 픽셀로 공급되는 작동 전압을 증가시키는 방법 또는 상기 플로팅 디퓨전 노드의 커패시턴스를 증가시키는 방법이 사용된다.
그러나, 픽셀들로 공급되는 작동 전압을 증가시키는 방법은 상기 픽셀들을 포함하는 이미지 센서의 전력 소모를 증가시키고, 플로팅 디퓨전 노드의 커패시턴스를 증가시키는 방법은 상기 픽셀들 각각의 크기를 증가시킬 수 있다. 따라서, 고해상도-저전력을 요구하는 이미지 센서에서, 상기 방법들을 적합하지 않다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는, 픽셀로 공급되는 작동 전압을 증가시키지 않고 플로팅 디퓨전 노드의 커패시턴스를 증가시키지 않고도 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압을 부스팅(boosting)할 수 있는 이미지 센서와 이를 포함하는 이미지 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판의 내부에 형성된 플로팅 디퓨전 노드와 저장 다이오드와, 상기 플로팅 디퓨전 노드의 위에 형성된 제1차광 물질과, 상기 제1차광 물질과 서로 분리되고, 상기 저장 다이오드의 위에 형성된 제2차광 물질을 포함한다.
상기 이미지 센서는 상기 제1차광 물질로 제1전압을 공급하기 위한 제1전압 공급라인과 상기 제2차광 물질로 상기 제1전압보다 낮은 제2전압을 공급하기 위한 제2전압 공급라인을 더 포함한다. 상기 제2전압 공급라인은 접지 라인일 수 있다.
상기 제1차광 물질과 상기 제2차광 물질 각각은 텅스텐일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 플로팅 디퓨전 노드와, 상기 플로팅 디퓨전 노드의 위에 형성된 제1차광 물질과, 상기 제1차광 물질로 양의 전압을 공급하는 로우 드라이버를 포함한다.
상기 이미지 센서는 저장 다이오드와, 상기 제1차광 물질과 서로 분리되고 상기 저장 다이오드 위에 형성된 제2차광 물질을 더 포함하고, 상기 제2차광 물질은 접지에 접속된다.
상기 이미지 센서는 광전 변환 소자와, 상기 광전 변환 소자에 의해 축적된 전하들을 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송하는 전송 트랜지스터를 더 포함하고, 상기 로우 드라이버는 상기 전송 트랜지스터의 게이트로 제1펄스 폭을 갖는 전송 제어 신호를 공급하고 제2펄스 폭을 갖는 상기 양의 전압을 상기 제1차광 물질로 공급하고, 상기 제2펄스 폭은 상기 제1펄스 폭보다 같거나 크다.
상기 양의 전압의 공급 시점은 상기 전송 제어 신호의 공급 시점과 같거나 빠르다.
상기 이미지 센서는 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압에 따라 작동하는 소스 팔로워와, 상기 로우 드라이버로부터 출력된 선택 신호에 응답하여, 상기 소스 팔로워의 출력 전압을 컬럼 라인으로 공급하는 선택 트랜지스터를 더 포함하고, 상기 로우 드라이버는, 상기 선택 신호가 활성화되는 구간 동안, 상기 양의 전압을 상기 제1차광 물질로 공급한다.
상기 이미지 센서는 상기 양의 전압이 상기 제1차광 물질로 공급되기 전에 리셋 신호 샘플링 작동을 수행하고 상기 양의 전압이 상기 제1차광 물질로 공급된 후에 이미지 신호 샘플링 작동을 수행한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템은 이미지 센서와, 상기 이미지 센서로부터 출력된 이미지 데이터를 처리하는 프로세서를 포함한다. 상기 이미지 센서는 반도체 기판의 내부에 형성된 플로팅 디퓨전 노드와 저장 다이오드와, 상기 플로팅 디퓨전 노드의 위에 형성된 제1차광 물질과, 상기 제1차광 물질과 서로 분리되고, 상기 저장 다이오드의 위에 형성된 제2차광 물질을 포함한다.
상기 이미지 처리 시스템은 상기 제1차광 물질로 제1전압을 공급하기 위한 제1전압 공급라인과, 상기 제2차광 물질로 상기 제1전압보다 낮은 제2전압을 공급하기 위한 제2전압 공급라인을 더 포함한다.
상기 이미지 처리 시스템은 상기 제1전압 공급라인을 통해 양의 전압인 상기 제1전압을 상기 제1차광 물질로 공급하는 로우 드라이버를 더 포함한다.
상기 이미지 센서는 글로벌 셔터 작동을 수행할 수 있다.
상기 이미지 처리 시스템은 상기 이미지 센서로부터 출력된 상기 이미지 데이터를 상기 프로세서로 전송하는 직렬 카메라 인터페이스(serial camera interface)를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른, 플로팅 디퓨전 노드의 위에 형성된 제1차광 물질과 저장 다이오드의 위에 형성된 제2차광 물질을 포함하는 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 작동 방법은 상기 제2차광 물질로 제2전압을 공급하는 단계와, 상기 제2전압보다 높은 제1전압을 상기 제1차광 물질로 공급하는 단계를 포함한다.
상기 이미지 센서의 작동 방법은 상기 플로팅 디퓨전 노드를 리셋하는 단계와, 상기 제1전압을 상기 제1차광 물질로 공급하기 전에 상기 픽셀로부터 출력된 리셋 신호를 샘플링하는 단계와, 상기 제1전압을 상기 제1차광 물질로 공급한 후에 상기 픽셀로부터 출력된 이미지 신호를 샘플링하는 단계를 더 포함한다.
실시 예에 따라, 상기 제1전압을 상기 제1차광 물질로 공급하는 단계는, 상기 픽셀에 포함된 광전 변환 소자에 의해 생성된 전하들을 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송하는 전에, 상기 제1전압을 상기 제1차광 물질로 공급하다.
다른 실시 예에 따라, 상기 제1전압을 상기 제1차광 물질로 공급하는 단계는, 상기 픽셀에 포함된 광전 변환 소자에 의해 생성된 전하들을 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송할 때, 상기 제1전압을 상기 제1차광 물질로 공급한다.
상기 제1전압은 양의 전압이고, 상기 제2전압은 접지 전압이다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 픽셀로 공급되는 작동 전압을 증가시키지 않고 플로팅 디퓨전 노드의 커패시턴스를 증가시키지 않고도 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압을 부스팅(boosting)할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀로 공급되는 제어 신호들을 나타낸다.
도 3a와 도 3b는 도 1에 도시된 픽셀의 평면도들의 실시 예들을 나타낸다.
도 4는 도 3a 또는 도 3b에 도시된 픽셀을 Ⅳ-Ⅳ 방향으로 절단한 단면도를 나타낸다.
도 5는 도 1에 도시된 픽셀의 회로를 나타낸다.
도 6은 도 2에 도시된 제어 신호들의 타이밍도의 일 실시 예를 나타낸다.
도 7은 도 2에 도시된 제어 신호들의 타이밍도의 다른 실시 예를 나타낸다.
도 8은 도 2에 도시된 제어 신호들의 포텐션 다이어그램(potential diagram)을 나타낸다.
도 9는 도 4에 도시된 플로팅 디퓨전 노드의 부스팅 효과를 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 11은 도 1에 도시된 픽셀의 작동을 설명하는 플로우차트이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀로 공급되는 제어 신호들을 나타낸다.
도 3a와 도 3b는 도 1에 도시된 픽셀의 평면도들의 실시 예들을 나타낸다.
도 4는 도 3a 또는 도 3b에 도시된 픽셀을 Ⅳ-Ⅳ 방향으로 절단한 단면도를 나타낸다.
도 5는 도 1에 도시된 픽셀의 회로를 나타낸다.
도 6은 도 2에 도시된 제어 신호들의 타이밍도의 일 실시 예를 나타낸다.
도 7은 도 2에 도시된 제어 신호들의 타이밍도의 다른 실시 예를 나타낸다.
도 8은 도 2에 도시된 제어 신호들의 포텐션 다이어그램(potential diagram)을 나타낸다.
도 9는 도 4에 도시된 플로팅 디퓨전 노드의 부스팅 효과를 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 11은 도 1에 도시된 픽셀의 작동을 설명하는 플로우차트이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 이미지 처리 시스템(100)은 휴대용 전자 장치로 구현될 수 있다. 상기 휴대용 전자 장치는 랩탑 컴퓨터(laptop computer), 이동 전화기, 스마트 폰(smart phone), 태블릿(tablet) PC, PDA(personal digital assistant), EDA (enterprise digital assistant), 디지털 스틸 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라(digital video camera), PMP(portable multimedia player), 모바일 인터넷 장치(mobile internet device(MID), 웨어러블 컴퓨터, 사물 인터넷 (internet of things(IoT)) 장치, 또는 만물 인터넷(internet of everything(IoE)) 장치로 구현될 수 있다.
이미지 처리 시스템(100)은 광학 렌즈(103), CMOS 이미지 센서(110), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor(DSP); 200), 및 디스플레이(300)를 포함한다. 각 구성 요소(110과 200)는 칩(chip)으로 구현될 수 있다.
CMOS 이미지 센서(110)는 광학 렌즈(103)를 통하여 입력된(또는 캡쳐되) 피사체(101)에 대한 이미지 데이터(IDATA)를 생성할 수 있다.
CMOS 이미지 센서(110)는 픽셀(또는 APS(active pixel sensor)) 어레이 (120), 로우 드라이버(130), 타이밍 생성기(140), 상관 이중 샘플링(correlated double sampling(CDS)) 블록(150), 비교기 블록(152), 및 아날로그-디지털 변환 블록(analog-to-digital conversion(ADC) block; 154), 제어 레지스터 블록(160), 램프 신호 생성기(170), 및 버퍼(180)를 포함한다.
CMOS 이미지 센서(110)는 글로벌 셔터(global shutter) 작동을 수행할 수 있는 구조로 구현될 수 있다.
픽셀 어레이(120)는 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 복수의 픽셀들(10)을 포함한다. 복수의 픽셀들(10) 각각은 작동 전압을 높이지 않고도 플로팅 디퓨전 노드(또는 플로팅 디퓨전 영역)의 커패시턴스를 증가시키지 않고도 상기 플로팅 디퓨전 노드에 저장될 수 있는 전하량을 증가시킬 수 있는 구조를 갖는다. 따라서, 복수의 픽셀들(10) 각각의 구조와 작동은 도 2부터 도 9를 참조하여 상세히 설명될 것이다.
로우 드라이버(130)는, 타이밍 생성기(140)의 제어에 따라, 복수의 픽셀들 (10) 각각의 동작을 제어하기 위한 복수의 제어 신호들을 픽셀 어레이(120)로 전송할 수 있다. 상기 복수의 제어 신호들은 도 2, 및 도 4부터 도 8을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
타이밍 생성기(140)는, 제어 레지스터 블록(160)의 제어에 따라, 로우 드라이버(130), CDS 블록(150), ADC 블록(154), 및 램프 신호 생성기(170)의 작동을 제어한다.
CDS 블록(150)은 픽셀 어레이(120)에 구현된 복수의 컬럼 라인들 각각으로부터 출력된 각 픽셀 신호(P1~Pm; m은 자연수)에 대해 상관 이중 샘플링을 수행한다.
비교기 블록(152)은 CDS 블록(150)으로부터 출력된 복수의 상관 이중 샘플된 픽셀 신호들 각각과 램프 신호 생성기(170)로부터 출력된 램프 신호를 서로 비교하고, 비교의 결과에 따라 복수의 비교 신호들을 출력한다.
ADC 블록(154)은 비교기 블록(152)으로부터 출력된 복수의 비교 신호들 각각을 디지털 신호로 변환하고, 복수의 디지털 신호들을 버퍼(180)로 출력한다.
제어 레지스터 블록(160)은, DSP(200)의 제어에 따라, 타이밍 생성기(140), 램프 신호 생성기(170), 및 버퍼(180)의 작동을 제어한다.
버퍼(180)는 ADC 블록(154)으로부터 출력된 복수의 디지털 신호들에 대응되는 이미지 데이터(IDATA)를 DSP(200)로 전송한다.
DSP(200)는 이미지 신호 프로세서(210), 센서 컨트롤러(220), 및 인터페이스 (230)를 포함한다.
이미지 신호 프로세서(210)는 제어 레지스터 블록(160)을 제어하는 센서 컨트롤러(220)와, 인터페이스(210)를 제어한다. 실시 예에 따라, 이미지 센서(110)와 DSP(200) 각각은 칩으로 구현되고, 하나의 패키지, 예컨대 멀티-칩 패키지(multi-chip package)로 구현될 수 있다. 다른 실시 예에 따라, 이미지 센서(110)와 이미지 신호 프로세서(210) 각각은 칩으로 구현되고 하나의 패키지, 예컨대 멀티-칩 패키지로 구현될 수 있다. 또 다른 실시 예에 따라, 이미지 센서(110)와 이미지 신호 프로세서(210)는 하나의 칩으로 구현될 수도 있다.
이미지 신호 프로세서(210)는 버퍼(180)로부터 전송된 이미지 데이터(IDATA)를 처리하고, 처리된 이미지 데이터를 인터페이스(230)로 전송한다.
센서 컨트롤러(220)는, 이미지 신호 프로세서(210)의 제어에 따라, 제어 레지스터 블록(160)을 제어하기 위한 다양한 제어 신호들을 생성한다.
인터페이스(230)는 이미지 신호 프로세서(210)에서 처리된 이미지 데이터를 디스플레이(300)로 전송한다.
디스플레이(300)는 인터페이스(230)로부터 출력된 이미지 데이터를 디스플레이한다. 예컨대, 디스플레이(300)는 TFT-LCD(thin film transistor-liq0id crystal display), LED(light emitting diode) 디스플레이, OLED(organic LED) 디스플레이, 또는 AMOLED(active-matrix OLED) 디스플레이로 구현될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀로 공급되는 제어 신호들을 나타낸다.
도 1과 도 2를 참조하면, 로우 드라이버(130)로부터 출력된 복수의 제어 신호들(OG, SG, TG, RG, Wshv, 및 SEL) 각각은 복수의 라인들(L11-L16) 각각을 통해 픽셀(10)로 전송될 수 있다. 또한, 제2전압(GND)이 접지 전압일 때, 제2전압(GND)은 접지 라인(L17)을 통해 픽셀(10)로 공급될 수 있다.
특히, 로우 드라이버(130)는 플로팅 디퓨전 노드의 전압을 부스팅(boosting)할 수 있는 제1전압(예컨대, 양의 전압; Wshv)을 라인(L15)을 통해 픽셀(100)로 전송할 수 있다.
도 3a와 도 3b는 도 1에 도시된 픽셀의 평면도들의 실시 예들을 나타내고, 도 4는 도 3a 또는 도 3b에 도시된 픽셀을 Ⅳ-Ⅳ 방향으로 절단한 단면도를 나타낸다.
도 3a와 도 3b를 참조하면, 제1차광 물질(WSH1)과 제2차광 물질(WSH2) 각각이 형성이 영역을 제외하면 도 3에 도시된 픽셀의 평면도와 도 4에 도시된 픽셀의 평면도는 실질적으로 동일하다.
도 1부터 도 4를 참조하면, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 위(on or above)에 제1차광 물질(WSH1)이 형성되고, 저장 다이오드(storage diode(SD))의 위(on or above)에 제2차광 물질(WSH2)이 형성된다. 제1차광 물질(WSH1)과 제2차광 물질 (WSH2)은 서로 전기적으로 분리된다. 예컨대, 제1차광 물질(WSH1)과 제2차광 물질 (WSH2)은 텅스텐(tungsten)으로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1차광 물질(WSH1)로 공급되는 제1전압(Wshv)과 제2차광 물질(WSH2)로 공급되는 제2전압(GND)은 서로 다를 수 있다. 예컨대, 제1전압(Wshv)은 제2전압(GND)보다 높을 수 있고, 제2전압(GND)은 접지 전압일 수 있다. 제1전압(Wshv)이 제1차광 물질(WSH1)로 공급됨에 따라, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압은 부스팅될 수 있다.
즉, 제1전압(Wshv)이 제1차광 물질(WSH1)로 공급됨에 따라, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전하 저장 능력은 증가할 수 있다.
반도체 기판(SUB)과 제2차광 물질(WSH2) 사이에는 전송 트랜지스터(16)의 게이트(TGG)와 저장 다이오드(storage diode(SD))의 게이트(SGG)가 구현될 수 있다.
광전 변화 소자(PD), 저장 다이오드(SD), 전송 트랜지스터(16), 및 플로팅 디퓨전 노드(FD)는 반도체 기판(SUB)의 내부에 구현될 수 있다. 예컨대, 광전 변화 소자(PD)는 포토다이오드, 포토트랜지스터, 포토게이트, 또는 핀드 포토 다이오드로 구현될 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 픽셀의 회로를 개념적으로 나타낸다.
도 4와 도 5를 참조하면, 글로벌 셔터 작동을 수행할 수 있는 픽셀(10)은 광전 변화 소자(PD), 오버플로우(overflow) 트랜지스터(12), 저장 트랜지스터 (storage transistor; 14), 전송 트랜지스터(16), 리셋 트랜지스터(18), 소스 팔로워(20), 및 선택 트랜지스터(22)를 포함한다.
도 5에서는 각 기생 커패시터(14-1, 17-1, 및 17-2)가 함께 도시되고, 각 기생 커패시터(14-1, 17-1, 및 17-2)는 각 기생 커패시턴스(CSG, CFD, 및 CFD_W)를 갖는다.
광전 변화 소자(PD)는 입사 광선(incident light)에 응답하여 전하들을 축적 (또는 수집)한다.
오버플로우 트랜지스터(12)는 작동 전압(Vpix)을 공급하는 제1노드와 광전 변환 소자(PD) 사이에 접속된다. 오버플로우 트랜지스터(12)는 오버플로우 게이트를 포함한다. 상기 오버플로우 게이트는 광전 변환 소자(PD)에 의해 생성된 전하들이 오버플로우 되는 것을 방지하기 위해 사용된다. 오버플로우 트랜지스터(12)는 오버플로우 게이트 신호(OG)에 응답하여 온(on) 또는 오프(off)된다.
예컨대, 픽셀(10)로 입사되는 입사 광의 세기가 클 경우, 또는 태양 또는 전구 등을 촬영할 때(즉, 고조도일 때), 오버플로우 트랜지스터(12)는 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하들(예컨대, 전자들)이 저장 다이오드(SD)로 오버플로우되는 것을 방지하기 위해 사용된다.
저장 트랜지스터(14)는 광전 변환 소자(PD)와 광전 변환 소자(PD) 사이에 접속되고, 광전 변환 소자(PD)로부터 전송된 전하들은 저장 트랜지스터(14)를 통해 기생 커패시터(14-1)에 저장된다. 저장 다이오드(SD)는 저장 트랜지스터(14)와 기생 커패시터(14-1)를 포함한다.
저장 트랜지스터(14)는 게이트(SGG)로 공급되는 저장 트랜지스터 제어 신호 (SG)에 응답하여 온(on) 또는 오프(off)된다.
전송 트랜지스터(16)는 저장 트랜지스터(14)와 플로팅 디퓨전 노드(FD) 사이에 접속된다. 기생 커패시터(14-1)에 저장된 전하들은 전송 트랜지스터(16)를 통해 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장(또는 축적)된다. 전송 트랜지스터(16)는 게이트 (TGG)로 공급되는 전송 제어 신호(TG)에 응답하여 온(on) 또는 오프(off)된다.
리셋 트랜지스터(18)는 작동 전압(Vpix)을 공급하는 제2노드와 플로팅 디퓨전 노드(FD) 사이에 접속되고, 리셋 제어 신호(RG)에 응답하여 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전하들(예컨대, 전자들)을 상기 제2노드로 전송할 수 있다.
소스 팔로워(20)는 작동 전압(Vpix)을 공급하는 제3노드와 선택 트랜지스터(22) 사이에 접속되고, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전하들에 따라 결정된 전압에 기초하여 작동한다.
도 5에서는 설명의 편의를 위해, 작동 전압(Vpix)이 상기 제1노드, 상기 제2노드, 및 상기 제3노드로 공통으로 공급되는 것으로 도시되어 있으나, 실시 예들에 따라 상기 제1노드, 상기 제2노드, 및 상기 제3노드 각각으로 공급되는 작동 전압은 서로 다르게 설계될 수 있다.
선택 트랜지스터(22)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 소스 팔로워(20)의 출력 신호(예컨대, 아날로그 픽셀 신호)를 컬럼 라인으로 출력할 수 있다.
도 6은 도 2에 도시된 제어 신호들의 타이밍도의 일 실시 예를 나타낸다.
도 4부터 도 6을 참조하면, 시점(T1)에서, 전송 제어 신호(TG)는 하이 레벨로 천이(transit)한다. 시점(T1)에서, 리셋 신호(RG)가 하이 레벨이므로, 각 기생 커패시터(14-1, 17-1, 및 17-2)에 저장된 전하들(예컨대, 전자들)은 리셋 트랜지스터(18)를 통해 제2노드로 방전(discharge)된다.
시점(T2)에서, 저장 트랜지스터 제어 신호(SG)는 하이 레벨로 천이한다. 따라서, 광전 변환 소자(PD)에 저장된 전하들은 트랜지스터들(14, 16, 및 18)을 통해 제2노드로 방전된다.
시점(T3)에서, 전송 제어 신호(TG)는 하이 레벨로 천이한다. 따라서, 각 기생 커패시터(14-1, 17-1, 및 17-2)에 저장된 전하들(예컨대, 전자들)은 리셋 트랜지스터(18)를 통해 제2노드로 방전된다.
시점(T2')부터 시점(T4)까지로 정의되는 집적 시간(Tint) 동안, 광전 변환 소자(PD)는 입사광을 이용하여 전하들을 생성한다.
시점(T4)에서, 저장 트랜지스터 제어 신호(SG)는 하이 레벨로 천이한다. 따라서, 광전 변환 소자(PD)에 저장된 전하들은 저장 트랜지스터(14)를 통해 기생 커패시터(14-1)에 저장된다.
시점(T5)에서 선택 신호(SEL)는 하이 레벨로 천이하고, 시점(T6)에서 리셋 신호(RG)는 로우 레벨로 천이한다.
시점(Trs)에서 리셋 신호에 대한 샘플링이 수행된다. 상기 리셋 신호에 대한 샘플링은 CDS 블록(150)과 비교기 블록(152)에 의해 수행될 수 있다.
시점(T7)에서, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압을 부스팅할 수 있는 제1전압 (Wshv), 예컨대 양의 전압이 제1차광 물질(WSH1)로 공급된다.
시점(T8)에서, 전송 제어 신호(TG)는 하이 레벨로 천이한다. 따라서, 기생 커패시터(14-1)에 저장된 전하들은 각 기생 커패시터(17-1과 17-2)에 저장된다.
로우 드라이버(130)는 전송 트랜지스터(12)의 게이트(TGG)로 제1펄스 폭을 갖는 전송 제어 신호(TG)를 공급하고 제2펄스 폭을 갖는 제1전압(Wshv)을 제1차광 물질(WSH1)로 공급한다. 이때, 상기 제2펄스 폭은 상기 제1펄스 폭보다 같거나 클 수 있다.
제1전압(Wshv)의 공급 시점(T7)은 전송 제어 신호(TG)의 공급 시점(T8)과 같거나 빠르다.
여기서, 기생 커패시터(17-1)는 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 의해 생성된 기생 커패시터를 모델링 한 것을 의미할 수 있다. 기생 커패시터(17-2)는 제1전압(Wshv)이 제1차광 물질(WSH1)로 공급됨에 따라 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 의해 생성된 기생 커패시터를 모델링 한 것을 의미할 수 있다. 따라서, 제1전압(Wshv)이 제1차광 물질(WSH1)로 공급됨에 따라 픽셀(10)은 종래의 픽셀에 비해 기생 커패시터(17-2)를 더 생성할 수 있는 효과가 있다.
예컨대, CFD: CFD _W = 4 : 1로 구현될 수 있으나 이는 예시적인 것에 불과하다.
시점(Tss)에서 이미지 신호에 대한 샘플링이 수행된다. 상기 이미지 신호에 대한 샘플링은 CDS 블록(150)과 비교기 블록(152)에 의해 수행될 수 있다.
도 7은 도 2에 도시된 제어 신호들의 타이밍도의 다른 실시 예를 나타낸다.
도 6과 도 7을 참조하면, 시점(T0)까지 하이 레벨을 갖는 오버 플로우 게이트 신호(OG)가 오버플로우 트랜지스터(12)의 게이트로 공급된다. 따라서, 광전 변환 소자(PD)에 저장된 전하들은 오버플로우 트랜지스터(12)를 통해 제1노드로 방전된다.
도 7에 도시된 시점(T1)부터 시점(Tss)까지의 픽셀(10)의 작동은 도 6에 도시된 시점(T1)부터 시점(Tss)까지의 픽셀(10)의 작동과 실질적으로 동일하므로, 각 시점에 대한 상세한 설명은 생략한다.
설명의 편의를 위해 도 5에 도시된 각 트랜지스터(12, 14, 16, 18, 20, 및 22)는 NMOS 트랜지스터로 구현되고, 각 트랜지스터(12, 14, 16, 18, 및 22)는 하이 레벨을 갖는 각 제어 신호(OG, SG, TG, RG, 및 SEL)에 응답하여 턴-온 되다고 가정한다.
도 8은 도 2에 도시된 제어 신호들의 포텐션 다이어그램(potential diagram)을 나타낸다.
도 4부터 도 8을 참조하면, 제1전압(Wshv), 예컨대 양의 전압이 제1차광 물질(WSH1)로 공급됨에 따라, 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장될 수 있는 전하들이 증가한다. 따라서, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압은 부스팅된다.
도 9는 도 4에 도시된 플로팅 디퓨전 노드의 부스팅 효과를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4부터 도 9를 참조하면, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압(VFD _ Boosting)은 수학식 1로 결정될 수 있다.
[수학식 1]
여기서, VW _ swing은 작동 전압(Vpix)의 스윙 폭(swing width or swing range)을 의미할 수 있다. 예컨대, VW _ swing이 4.5V이고, CFD _W/CFD가 0.25일 때, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압(VFD _ Boosting)은 0.9V 부스팅될 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 1부터 도 10을 참조하면, 이미지 처리 시스템(400)은 MIPI®(mobile industry processor interface)를 사용 또는 지원할 수 있는 이미지 처리 시스템으로 구현될 수 있다.
상기 이미지 처리 시스템은 랩탑 컴퓨터, 이동 전화기, 스마트 폰, 태블릿 PC, PDA, EDA, 디지털 스틸 카메라, 디지털 비디오 카메라, PMP, 모바일 인터넷 장치, 웨어러블 컴퓨터, IoT 장치, 또는 IoE 장치로 구현될 수 있다.
이미지 처리 시스템(400)은 애플리케이션 프로세서(application processor(AP); 410), 이미지 센서(110), 및 디스플레이(300)를 포함한다.
AP(410)에 구현된 CSI(camera serial interface) 호스트(412)는 카메라 시리얼 인터페이스(CSI)를 통하여 이미지 센서(110)의 CSI 장치(110-1)와 시리얼 통신할 수 있다. 실시 예에 따라, CSI 호스트(412)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있고, CSI 장치(110-1)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있다.
이미지 센서(110)는, 도 1부터 도 9를 참조하여 설명한 바와 같이, 서로 분리된 제1차광 물질(WSH1)과 제2차광 물질(WSH2)을 포함하고, 플로팅 디퓨전 노드 (FD)의 전압을 부스팅할 수 있는 구조를 갖는 픽셀(10)을 포함한다.
AP(410)에 구현된 DSI(display serial interface(DSI)) 호스트(411)는 디스플레이 시리얼 인터페이스를 통하여 디스플레이(300)의 DSI 장치(300-1)와 시리얼 통신할 수 있다. 실시 예에 따라, DSI 호스트(411)는 시리얼라이저(SER)를 포함하고 DSI 장치(300-11)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다.
예컨대, 이미지 센서(110)로부터 출력된 이미지 데이터(IDATA)는 CSI를 통해 AP(410)로 전송될 수 있다. AP(410)는 이미지 데이터(IDATA)를 처리하고, 처리된 이미지 데이터를 DSI를 통해 디스플레이(300)로 전송할 수 있다.
이미지 처리 시스템(400)은 AP(410)와 통신할 수 있는 RF 칩(440)을 더 포함할 수 있다. 이미지 처리 시스템(400)의 PHY(physical layer; 413)와 RF 칩(440)의 PHY(physical layer; 441)는 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.
CPU(414)는 DSI 호스트(411), CSI 호스트(412), 및 PHY(413) 각각의 작동을 제어할 수 있고, 하나 또는 그 이상의 코어들을 포함할 수 있다.
AP(410)는 집적 회로, 시스템 온 칩(system on chip(SoC))으로 구현될 수 있고, 이미지 센서(110)의 작동을 제어할 수 있는 프로세서 또는 호스트를 의미할 수 있다.
이미지 처리 시스템(400)은 GPS 수신기(450), DRAM(dynamic random access memory)과 같은 휘발성 메모리(452), 플래시-기반 메모리와 같은 불휘발성 메모리로 구현된 데이터 저장 장치(454), 마이크(456), 또는 스피커(458)를 포함할 수 있다. 데이터 저장 장치(454)는 AP(410)에 착탈 가능한 외장 메모리로 구현될 수 있다. 또한, 데이터 저장 장치(454)는 UFS(universal flash storage), MMC (multimedia card), 임베디드 MMC(embedded MMC(eMMC), 또는 메모리 카드로 구현될 수 있다.
또한, 이미지 처리 시스템(400)은 적어도 하나의 통신 프로토콜(또는 통신 표준), 예컨대, UWB(ultra-wideband; 460), WLAN(Wireless LAN; 462), WiMAX (worldwide interoperability for microwave access; 464), 또는 LTETM(long term evolution; 미도시) 등을 이용하여 외부 장치와 통신할 수 있다.
실시 예에 따라 이미지 처리 시스템(400)은 NFC 모듈, WiFi 모듈, 또는 블루투스 모듈을 더 포함할 수 있다.
도 11은 도 1에 도시된 픽셀의 작동을 설명하는 플로우차트이다.
도 1부터 도 11을 참조하면, 제2전압(GND)은 접지 라인을 통해 제2차광 영역(WSH2)으로 공급된다(S105).
시점(T0, T1, T2, 및 T3)에서 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하들, 각 커패시터(14-1, 17-1, 및 17-2)에 축적된 전하들, 및/또는 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 축적된 전하들은 제1노드 및/또는 제2노드를 통해 방전된다(S110).
시점(Trs)에서 리셋 신호 샘플링 작동이 수행된다(S120).
제1전압(Wshv)보다 낮은 제2전압(GND)이 제1차광 물질(WSH1)로 공급되고 있는 동안, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압을 부스팅하기 위해 제1전압(Wshv)이 제1차광 물질(WSH1)로 공급된다(S130).
시점(Tss)에서 이미지 신호 샘플링 작동이 수행된다(S130).
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 및 400; 이미지 처리 시스템
110; CMOS 이미지 센서
130; 로우 드라이버
140; 타이밍 생성기
150; CDS 블록
152; 비교기 블록
154; 아날로그-디지털 변환 블록
160; 컨트롤 레지스터 블록
170; 램프 신호 생성기
180; 버퍼
WSH1; 제1차광 물질
WSH2; 제2차광 물질
110; CMOS 이미지 센서
130; 로우 드라이버
140; 타이밍 생성기
150; CDS 블록
152; 비교기 블록
154; 아날로그-디지털 변환 블록
160; 컨트롤 레지스터 블록
170; 램프 신호 생성기
180; 버퍼
WSH1; 제1차광 물질
WSH2; 제2차광 물질
Claims (20)
- 반도체 기판의 내부에 형성된 플로팅 디퓨전 노드와 저장 다이오드;
상기 플로팅 디퓨전 노드의 위(over)에 형성된 제1차광 물질; 및
상기 제1차광 물질과 서로 분리되고, 상기 저장 다이오드의 위(over)에 형성된 제2차광 물질을 포함하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1차광 물질로 제1전압을 공급하기 위한 제1전압 공급라인; 및
상기 제2차광 물질로 상기 제1전압보다 낮은 제2전압을 공급하기 위한 제2전압 공급라인을 더 포함하는 이미지 센서. - 제2항에 있어서,
상기 제2전압 공급라인은 접지 라인인 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1차광 물질과 상기 제2차광 물질 각각은 텅스텐인 이미지 센서. - 플로팅 디퓨전 노드;
상기 플로팅 디퓨전 노드의 위에 형성된 제1차광 물질; 및
상기 제1차광 물질로 양의 전압을 공급하는 로우 드라이버를 포함하는 이미지 센서. - 제5항에 있어서,
저장 다이오드; 및
상기 제1차광 물질과 서로 분리되고 상기 저장 다이오드 위에 형성된 제2차광 물질을 더 포함하고,
상기 제2차광 물질은 접지에 접속되는 이미지 센서. - 제6항에 있어서,
상기 제1차광 물질과 상기 제2차광 물질 각각은 텅스텐인 이미지 센서. - 제5항에 있어서,
광전 변환 소자; 및
상기 광전 변환 소자에 의해 축적된 전하들을 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송하는 전송 트랜지스터를 더 포함하고,
상기 로우 드라이버는 상기 전송 트랜지스터의 게이트로 제1펄스 폭을 갖는 전송 제어 신호를 공급하고 제2펄스 폭을 갖는 상기 양의 전압을 상기 제1차광 물질로 공급하고,
상기 제2펄스 폭은 상기 제1펄스 폭보다 같거나 큰 이미지 센서. - 제8항에 있어서,
상기 양의 전압의 공급 시점은 상기 전송 제어 신호의 공급 시점과 같거나 빠른 이미지 센서. - 제5항에 있어서,
상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압에 따라 작동하는 소스 팔로워; 및
상기 로우 드라이버로부터 출력된 선택 신호에 응답하여, 상기 소스 팔로워의 출력 전압을 컬럼 라인으로 공급하는 선택 트랜지스터를 더 포함하고,
상기 로우 드라이버는, 상기 선택 신호가 활성화되는 구간 동안, 상기 양의 전압을 상기 제1차광 물질로 공급하는 이미지 센서. - 제5항에 있어서,
상기 이미지 센서는 상기 양의 전압이 상기 제1차광 물질로 공급되기 전에 리셋 신호 샘플링 작동을 수행하고 상기 양의 전압이 상기 제1차광 물질로 공급된 후에 이미지 신호 샘플링 작동을 수행하는 이미지 센서. - 이미지 센서; 및
상기 이미지 센서로부터 출력된 이미지 데이터를 처리하는 프로세서를 포함하고,
상기 이미지 센서는,
반도체 기판의 내부에 형성된 플로팅 디퓨전 노드와 저장 다이오드;
상기 플로팅 디퓨전 노드의 위(over)에 형성된 제1차광 물질; 및
상기 제1차광 물질과 서로 분리되고, 상기 저장 다이오드의 위(over)에 형성된 제2차광 물질을 포함하는 이미지 처리 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 제1차광 물질로 제1전압을 공급하기 위한 제1전압 공급라인; 및
상기 제2차광 물질로 상기 제1전압보다 낮은 제2전압을 공급하기 위한 제2전압 공급라인을 더 포함하는 이미지 처리 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 제1전압 공급라인을 통해 양의 전압인 상기 제1전압을 상기 제1차광 물질로 공급하는 로우 드라이버를 더 포함하는 이미지 처리 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 이미지 센서는 글로벌 셔터 작동을 수행할 수 있는 이미지 처리 시스템. - 제12항에 있어서, 상기 이미지 센서는,
상기 반도체 기판의 내부에 형성된 광전 변환 소자;
상기 광전 변환 소자에 의해 축적된 전하들을 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송하는 전송 트랜지스터; 및
상기 전송 트랜지스터의 게이트로 제1펄스 폭을 갖는 전송 제어 신호를 공급하고, 제2펄스 폭을 갖는 양의 전압을 상기 제1차광 물질로 공급하는 로우 드라이버를 더 포함하고,
상기 제2펄스 폭은 상기 제1펄스 폭보다 같거나 큰 이미지 처리 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 양의 전압의 공급 시점은 상기 전송 제어 신호의 공급 시점과 같거나 빠른 이미지 센서. - 제12항에 있어서, 상기 이미지 센서는,
상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압에 따라 작동하는 소스 팔로워;
선택 신호에 응답하여, 상기 소스 팔로워의 출력 전압을 컬럼 라인으로 공급하는 선택 트랜지스터; 및
활성화된 선택 신호를 생성하고, 상기 선택 신호가 활성화된 구간 동안, 양의 전압을 상기 제1차광 물질로 공급하는 로우 드라이버를 더 포함하는 이미지 처리 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 이미지 센서는 양의 전압이 상기 제1차광 물질로 공급되기 전에 리셋 신호 샘플링 작동을 수행하고 상기 양의 전압이 상기 제1차광 물질로 공급된 후에 이미지 신호 샘플링 작동을 수행하는 이미지 처리 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 이미지 센서로부터 출력된 상기 이미지 데이터를 상기 프로세서로 전송하는 직렬 카메라 인터페이스(serial camera interface(CSI))를 더 포함하는 이미지 처리 시스템.
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