KR20180041028A - 유기 포토 필름을 이용한 이미지 센서 - Google Patents

유기 포토 필름을 이용한 이미지 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 유기 포토 필름을 이용하는 이미지 센서는, 광전변환 기능을 수행하는 유기 포토 필름(Organic photoconductive film : OPF), 상기 유기 포토 필름의 일단에 연결되고, 전기신호를 축적하는 부유확산영역, 상기 유기 포토 필름의 전기신호를 증폭하고, 소스 영역과 기판의 바디 영역이 연결됨으로써 이펙트 현상이 제거된 디텍션 트랜지스터, 전압단으로부터 전압을 인가받아 상기 유기 포토 필름에 전달하고 상기 유기 포토필름을 초기화하는 리셋 트랜지스터, 상기 증폭된 신호를 선택적으로 출력단에 전달하는 셀렉트 트랜지스터, 및 상기 유기 포토 필름의 다른 일단에 연결되어 가변 전원을 공급하는 가변전원단을 포함할 수 있다.

Description

유기 포토 필름을 이용한 이미지 센서{IMAGE SENSOR USING ORGANIC PHOTOCONDUCTIVE FILM}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 3개의 트랜지스터와 하나의 유기 포토 필름(organic photoconductive film)을 이용하여 상관 이중 샘플링(correlated double sampling)을 수행하는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 CCD를 필두로 일반적으로 그 동작방식에 따라 이름을 붙이고 있다. 그런데 CMOS는 반도체 구조 또는 제조 프로세스의 이름으로 정확하게는 일반적인 CMOS 프로세스+α이지만 CCD 이미지 센서보다 적은 공정으로 센서를 구축할 수 있다. 또한, 칩(chip) 내에 CMOS 프로세스의 트랜지스터 등을 집적할 수 있어 구동회로, 신호 처리회로 등의 주변 회로를 구성할 수 있는 것이 특징이다.
X-Y 어드레스(address)방식인 CMOS 이미지 센서의 구동회로를 CMOS 로직회로로 실현하면 구동회로를 내장할 수 있게 되어 외부로부터 단일 클록(clock)을 입력하여 센서를 구동할 수 있다.
CCD 이미지 센서에서도 구동회로를 온칩(on chip)화하는 노력은 과거부터 계속되어 있으나, 아직도 충분한 성과는 거두지 못하고 있다. 또한 CCD 이미지 센서의 경우 기본적으로 외부로부터 공급하는 구동 펄스의 타이밍 조정이 필요하다.
CMOS 이미지 센서는 단일 클록으로 작동할 수 있어 완성된 프린트 기판(PCB; Print Circuit Board)의 차이에 따라 센서의 구동 타이밍 조정이 필요하게 되는 일은 거의 없다. 그런데 CCD 이미지 센서의 경우 타이밍 발생 IC, 타이밍 조정회로, A-D 컨버터(converter), CCD 구동회로 등이 한 개의 칩으로 된 고밀도 집적회로(LSI: Large Scale Integration)가 판매되고 있어 종래에는 시간이 걸리던 타이밍 조정을 무리 없이 할 수 있게 되었다.
CMOS 프로세스에서 아날로그회로를 구성할 수도 있다. 따라서 CCD 이미지 센서가 아날로그 출력인데 대해 CMOS 이미지 센서는 온칩으로 A-D 변환을 하여 디지털신호를 출력할 수 있다. 물론 아날로그비디오신호 처리회로를 내장하면 표준 비디오신호를 출력 할 수 있어 직접 TV에 접속할 수 있다.
CCD나 CMOS 이미지 센서도 원리적으로는 포토다이오드(PD; Photo Diode)에서 광 에너지가 전하(電荷)로 변환되고, 전하가 전압으로 변환되는 플로팅 디퓨전(FD; Floating Defusion) 앰프를 거쳐 출력된다. 양 센서는 다같이 광을 전하로 변환하는 PD라 해도 그 차이는 FD 앰프가 어디에 있는가 하는 것에 따라 달라진다.
CCD 이미지 센서는 FD와 전하 축적부, 전송방식의 차이에 의해 크게 3종류로 나눈다. 이들은 프레임 트랜스퍼 CCD(FT-CCD), 인터라인 CCD(IT-CCD), 그리고 프레임 인터라인 CCD(FIT-CCD)이다.
CMOS 이미지 센서에서는 X-Y 어드레스형 스위치에 의해 각 화소의 신호를 읽어내어 라인에 출력된다. 일본 Hitachi제작소의 최초 MOS형 센서는 PD의 신호를 직접 읽어내어 라인에 출력하고, 특별히 증폭 등의 처리는 하지 않았다.
예전에는 이 형태의 화소를 가진 센서를 패시브 셀(passive cell)이라고 하였는데 CCD 이미지 센서는 모두 패시브 셀 형태이다. 오늘날의 CMOS 이미지 센서는 1화소 내에 PD의 출력을 증폭하는 앰프를 형성할 수 있어 액티브 셀(active cell)이라 불리고 있으며, 앰프를 형성할 수 있는 것이 CMOS 이미지 센서의 큰 특징 중의 하나이다.
FD 앰프를 어디에 두는가에 따라 3가지로 나누어진다. 이들은 첫째, 각 화소마다에 FD 앰프가 있는 4T형, 둘째, 각 컬럼에 하나의 FD 앰프가 있는 컬럼 독출(읽어내기)형, 셋째, 각 라인에 하나의 FD 앰프가 있는 라인 독출형이다. 각 방식의 특징으로는 기본적으로 PD와 FD 앰프가 가까우면 노이즈에 강한 이미지 센서가 만들어지지만 4T형과 같이 집적도가 높아지면 PD의 면적이 작아져서 감도면에서 불리하다. 결국 상대적으로 PD와 FD 사이의 배선의 길이가 긴 컬럼 독출형 쪽이 노이즈가 적고, 화질이 좋을 수도 있다. 글로벌 셔터 동작을 하려면 4T형으로 하고, 화소 사이즈를 크게 하여 감도를 개선한다. 글로벌 셔터를 희생시켜도 좋은 것이라면 컬럼 독출형으로 하여 소형화와 가격에서 메리트를 내는 등 목적, 설계사상으로 구조를 결정한다.
응용 분야로 휴대전화에서는 소형, 가격면이 우선되어 글로벌 셔터가 불필요하므로 컬럼형이 주류이다. 공업 분야에서는 움직이는 피사체에 대해 도형 비틀어짐을 기피할 경우 4T를 채용하지만, 그 때는 어느 정도 화소 사이즈를 크게 하여 감도를 벌 필요가 있다.
고속도 카메라 등의 응용에서는 라인 독출형을 채용하고, 동시에 읽어내는 라인수를 늘리면 그만큼 고속이 된다. 그렇지만 병렬 처리하는 비디오회로는 그 라인 수만큼 필요하게 되므로 양자의 밸런스가 중요하다.
본 발명의 일 과제는, 기존 이미지 센서보다 적은 수의 트랜지스터를 이용하여 CDS 기능을 수행하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는, 기존 이미지 센서보다 고감도의 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는, 기존 이미지 센서보다 더 높은 WDR 값을 갖는 이미지센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는 광전변환 기능을 수행하는 유기 포토 필름(Organic photoconductive film : OPF), 상기 유기 포토 필름의 일단에 연결되고, 전기신호를 축적하는 부유확산영역, 상기 유기 포토 필름의 전기신호를 증폭하고, 소스 영역과 기판의 바디 영역이 연결됨으로써 이펙트 현상이 제거된 디텍션 트랜지스터, 전압단으로부터 전압을 인가받아 상기 유기 포토 필름에 전달하고 상기 유기 포토필름을 초기화하는 리셋 트랜지스터, 상기 증폭된 신호를 선택적으로 출력단에 전달하는 셀렉트 트랜지스터 및 상기 유기 포토 필름의 다른 일단에 연결되어 가변 전원을 공급하는 가변전원단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는 한 주기 내 제1 시간(t1)에서 제2 시간(t2)까지 리셋 전압이 상기 부유 확산 영역에 공급되고, 상기 가변전원단은 상기 제1 시간(t1)에서 제2 시간(t2)까지 상기 리셋 전압과 동일한 크기의 전압을 상기 유기 포토 필름에 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는 상기 제2 시간(t2)에서 상기 리셋 트랜지스터의 스위치를 온에서 오프로 변경하고, 상기 출력단의 제1 신호 크기를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는 상기 제2 시간(t2)부터 상기 가변전원단에서 공급하는 가변 전원을 일정하게 감소시키고, 일정 시간이 지난 뒤의 제3 시간(t3)에서 상기 출력단의 제2 신호 크기를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 출력단의 제1 신호 크기 및 제2 신호 크기를 이용하여 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling : CDS)를 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 유기 포토 필름은 상기 부유확산영역, 상기 디텍션 트랜지스터, 상기 리셋 트랜지스터 및 상기 셀렉트 트랜지스터와 다른 레이어에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 유기 포토 필름의 두께는 0.5㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 WDR(Wide Dynamic Range)는 60 dB인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 효과는 다음과 같다.
본 발명의 다양한 실시 예들 중 일 실시 예에 따르면, 3개의 트랜지스터와 하나의유기 포토 필름을 이용하여 CDS 기능을 수행할 수 있기 때문에, CDS 기능을 구현하는데 있어서 적은 개수의 트랜지스터를 이용하는 기술적 효과가 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들 중 다른 실시 예에 따르면, 실리콘 베이스의 트랜지스터들과 다른 소재를 사용한 유기 포토 필름을 서로 다른 레이어에 배치하고, MIM(Metal-Insulator-Metal) 기술을 적용함으로써, 기존 이미지 센서보다 고감도의 이미지 센서를 제공하는 기술적 효과가 있다.
본 발명의 다양한 실시예들 중 또 다른 실시예에 따르면, 유기 포토 필름을 이용함으로써 WDR 값을 80dB까지 높인 이미지 센서를 제공하는 기술적 효과가 있다.
도1 은 일반적인 CCD 센서의 출력 파형이 도시된 도면이다.
도2 는 종래의 기술에 따른 화상 신호의 리셋 노이즈 제거 장치가 도시된 도면이다.
도3 은 종래의 기술에 따른 화상 신호의 리셋 노이즈 제거 장치의 동작 파형이 도시된 도면이다.
도 4 는 본 발명에 따른 화상 신호의 리셋 노이즈 제거 장치가 도시된 도면이다.
도 5 는 본 발명에 따른 화상 신호의 리셋 노이즈 제거 장치의 동작 파형이 도시된 도면이다.
도 6 은 본 발명에 따른 화상 신호의 리셋 노이즈 제거 방법이 도시된 도면이다.
도 7은 CCD 이미지센서로부터 입력되는 신호를 샘플링하기 위한 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 클럭변환수단의 클럭경로 모델을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 저주파 CCD 이미지센서의 출력신호의 한 주기를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 4T(Transistor) 이미지 센서의 단위 픽셀의 등가회로도이다.
도 11은 다른 일 실시예에 따른 4T 이미지 센서의 단위 픽셀의 등가회로도이다.
도 12는 또 다른 일 실시예에 따른 4T(Transistor) 이미지 센서의 단위 픽셀의 등가회로도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서가 4T 형태로 구현된 경우의 구성을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 14는 3-트랜지스터 구조의 이미지 센서의 단위화소를 도시한 것이다.
도 15는 픽셀리셋에 기인한 노이즈 제거장치(CDS)를 블록도로 도시한 것이다.
도 16은 n번째 로우에 저장된 신호를 아날로그-디지털 변환하는데 까지 걸리는 시간과 n+1번째 로우에 저장된 신호를 아날로그-디지털 변환하는데 걸리는 시간을 도시한 타이밍이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 의한 OPF 이미지 센서의 블록도이다.
도 18은 DS-Pixel 및 그것의 구조를 도시한 단면도이다.
도 19는 고감도 셀을 위한 네 개의 트랜지스터와 두 개의 커패시터를 갖는 CCNC의 구조를 도시한 도면이다.
도 20은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 OPF 이미지 센서의 회로도를 도시한 도면이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 OPF 이미지 센서의 회로도를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명과 관련된 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
도1 은 일반적인 CCD 센서의 출력 파형이 도시된 도면이다.
일반적으로, CCD(charge coupled device) 센서는 화상을 얻기 위하여 디지털 카메라 등에 많이 사용되고 있는 촬상소자이다. 이러한 상기 CCD 센서는 일종의 반도체 기억 소자로써, 실리콘 웨이퍼 상에 초소형 금속 전극을 여러개 배치한 구조를 가지고 있으며, 상기 금속 전극은 광 다이오드로 이루어져 상기 금속 전극에 빛이 가해지면 광학적 에너지가 전기에너지로 변환되는 소자이다. 즉, 상기 광다이오드에 빛이 가해지면 그 부분의 반도체에 잠시 동안 전하가 저장되며, 전압의 파형을 적절히 조정하면 마치 시프트 레지스터와 같이 전하가 인접한 반도체 부분을 순환하게 된다.
여기서, 상기 각각의 반도체는 하나의 픽셀(pixel)을 의미하며 상기 반도체 에 저장된 전하는 그에 따른 픽셀 정보를 의미한다.
이때, 상기 CCD 센서의 출력 신호(OS)를 살펴보면 도 1 에 도시된 바와 같이, 설정된 메인 클럭(CLK)에 따라 리셋 클럭(RST)이 생성되는데, 상기 리셋 클럭(RST)은 상기 CCD 센서의 출력단에 형성된 반도체에 저장된 전하를 전압으로 변환후 다음 픽셀 정보에 따른 전하가 상기 CCD 센서의 출력단에 형성된 반도체에 저장될 수 있도록 기저장된 전하를 제거하는 역할을 수행하게 된다.
따라서, 상기 CCD 센서의 출력 신호(OS)는 상기 리셋 신호(RST)가 하이인 경우 전하가 전압으로 변환된 후 상기 변환된 전압에 따른 전하가 제거되어 출력 신호(OS)가 리셋 레벨(C 1 )로 낮아지게 되며 다음 픽셀 정보에 따른 전하가 저장되면서 상기 출력 신호(OS)는 화상 레벨(C 2 )로 변화하게 된다. 여기서, 상기 리셋 레벨(C 1 )과 화상 레벨(C 2)의 차는 픽셀의 밝기를 나타내며 상기 리셋 레벨(C 1 )과 화상 레벨(C 2 )의 차가 클수록 픽셀이 밝은 것을 의미하게 된다.
이때, 상기 리셋 클럭(RST)에 의한 리셋 노이즈가 상기 출력 신호(OS)에 섞이게 되는데, 상기 리셋 노이즈를 제거하기 위하여 일반적으로 CDS(correlated double sampling) 회로가 사용하게 된다.
도 2 는 종래의 기술에 따른 화상 신호의 리셋 노이즈 제거 장치가 도시된 도면으로써, CCD 센서(10)의 출력 신호(OS) 중 리셋 레벨의 출력 신호를 샘플링/홀딩(sampling and holding)하는 리셋 홀드부(20)와, 상기 CCD 센서(10)의 출력 신호(OS) 중 화상 레벨의 출력 신호를 샘플링/홀딩하는 화상 홀드부(30)와, 상기 리셋 홀드부(20) 및 화상 홀드부(30)에서 샘플링된 신호가 각각 입력되는 차동 증폭기(40)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 리셋 홀드부(20) 및 화상 홀드부(30)에서 샘플링된 신호에 포함된 리셋 노이즈는 같은 위상을 가지게 되므로 상기 리셋 홀드부(20) 및 화상 홀드부(30)에서 샘플링된 신호가 상기 차동 증폭기(40)에 입력되면 각각 샘플링된 신호에 포함된 리셋 노이즈가 제거되는 것이다.
또한, 상기와 같이 구성되는 종래의 화상 신호의 리셋 노이즈 장치의 동작 파형을 살펴보면 도 3 에 도시된 바와 같다.
도시된 바와 같이, 설정된 메인 클럭(CLK)에 따라 리셋 신호(RST)가 하이가 되면 상기 CCD 센서(10)의 전하가 전압으로 변환되어 출력되고, 상기 리셋 신호(RST)가 로우로 변환되면 상기 리셋 홀드 클럭(RST_HOLD)가 하이에서 로우로 변환되어 상기 CCD 센서(10)의 출력 신호(OS) 중 리셋 레벨의 출력 신호를 상기 리셋 홀드부(20)에서 샘플링/홀딩하게 된다.
또한, 상기 리셋 홀드 클럭(RST_HOLD)가 하이로 다시 변환된 후 상기 화상 홀드 클럭(VIDEO_HOLD)가 하이에서 로우로 변환되어 상기 출력 신호(OS) 중 화상 레벨의 출력 신호를 상기 화상 홀드부(30)에서 샘플링/홀딩하게 된다.
이때, 상기 리셋 홀드부(20)와 화상 홀드부(30)에서 샘플링된 신호가 상기 차동 증폭기(40)에 전달되어 동상의 리셋 노이즈가 제거된다.
한편, 상기 리셋 홀드부(20)와 화상 홀드부(30)에서 출력 신호를 샘플링한 후 안정화 시간(settling time)이 필요한데, 상기 안정화 시간은 고품질의 신호를 얻기 위해 상기 안정화 시간이 많이 확보될수록 유리하다.
도 4 는 본 발명에 따른 화상 신호의 리셋 노이즈 제거 장치가 도시된 도면이다.
본 발명에 따른 화상 신호의 리셋 노이즈 제거 장치는 도 4 에 도시된 바와 같이, 대상물을 촬상하고, 상기 촬상된 영상에 대한 픽셀 정보에 따른 전하가 저장 되는 CCD 센서(50)와, 상기 CCD 센서(50)에 저장된 전하를 전압으로 변환시키는 동시에 다음 픽셀 정보에 따른 전하가 저장될 수 있도록 리셋시키는 리셋부(51)와, 상기 CCD 센서(50)의 출력 신호(OS) 중 상기 리셋부(51)에 의해 리셋된 리셋 레벨의 출력 신호를 샘플링/홀딩하는 리셋 홀드부(60)와, 상기 CCD 센서(50)의 출력 신호(OS) 중 기출력된 픽셀 정보에 따른 전하 리셋 후 다음 픽셀 정보에 따른 전하가 저장된 경우의 화상 레벨의 출력 신호를 샘플링/홀딩하는 화상 홀드부(70)와, 상기 리셋 홀드부(60) 및 화상 홀드부(70)에서 샘플링된 신호가 입력되어 같은 위상을 가지는 리셋 노이즈가 제거되도록 하는 차동 증폭기(80)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 CCD 센서(50)는 촬상된 영상에 포함된 다수개의 픽셀에 대한 픽셀 정보에 따른 전하가 각각 저장되고, 상기 저장된 전하가 시프트 레지스터와 같이 순환하게 되어 순차적으로 상기 다수개의 픽셀에 대한 픽셀 정보에 대한 전하가 상기 CCD 센서(50)의 출력단에 저장된다.
따라서, 상기 리셋부(51)는 상기 CCD 센서(50)의 출력단에 저장된 전하가 전압으로 변환되도록 하는 동시에 다음 픽셀 정보에 따른 전하가 저장될 수 있도록 기출력된 전압에 따른 전하를 리셋시키는 것이다.
상기 리셋 홀드부(60)는 상기 CCD 센서(50)의 출력 신호 중 상기 리셋부(51)에 의해 리셋된 리셋 레벨의 출력 신호를 샘플링/홀딩하고, 상기 화상 홀드부(70)는 상기 CCD 센서(50)의 출력 신호 중 상기 리셋부(50)에 의해 기출력된 전압에 해당하는 전하가 리셋되고 다음 픽셀 정보에 따라 저장되는 전하의 화상 레벨의 출력 신호를 샘플링/홀딩 한다.
특히, 상기 리셋 홀드부(60)는 상기 리셋 레벨의 출력 신호를 1 차 샘플링/홀딩하는 제 1 홀드부(61)와 상기 제 1 홀드부(61)에 샘플링된 출력 신호를 2 차 샘플링/홀딩하는 제 2 홀드부(62)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 화상 신호의 리셋 노이즈 제거 장치의 동작 파형을 살펴보면 도 5 에 도시된 바와 같이, 설정된 메인 클럭(CLK)에 발생되는 리셋 클럭(RST)에 따라 상기 리셋부(51)에서 리셋 신호가 생성된다.
상기 리셋 클럭(RST)이 하이에서 로우로 변환되면 상기 제 1 리셋 홀드 클럭(RST_HOLD1)이 하이에서 로우로 변환되면 상기 CCD 센서(50)의 출력 신호(OS) 중 리셋 레벨의 출력 신호를 샘플링/홀딩하게 되고, 이후 상기 제 2 리셋 홀드 클럭(RST_HOLD2) 및 화상 홀드 클럭(VIDEO_HOLD)이 하이에서 로우로 변환되어 상기 제 2 홀드부(62)에서 상기 제 1 홀드부(61)에서 샘플링된 신호를 다시 샘플링/홀딩하게 되고, 상기 화상 홀드부(70)에서 상기 CCD 센서(50)의 출력 신호 중 화상 레벨의 출력 신호를 샘플링/홀딩한다.
이때, 상기 제 2 홀드부(62)와 화상 홀드부(70)에서 샘플링된 리셋 레벨 및 화상 레벨의 출력 신호가 차동 증폭기(80)를 통과하여 리셋 노이즈가 제거된 실제 화상 신호가 디지털 신호로 변환되도록 하는 아날로그/디지털 컨버팅 클럭(ADCLK)가 상승 에지가 상기 제 2 리셋 홀드 클럭(RST_HOLD2)의 하강 에지와 얼라인되어 안정화 시간(t2)이 상기 제2 리셋 홀드 클럭(RST_HOLD2) 및 화상 홀드 클럭(VIDEO_HOLD)의 상승 에지에서 하강 에지 사이의 구간(t2)으로 확보된다.
따라서, 상기 리셋 클럭(RST)의 상승 에지가 상기 메인 클럭(CLK)의 상승 에 지에 얼라인되고, 상기 메인 클럭(CLK)의 주기가 40ns 라 하고, 리셋 클럭(RST)의 하이 구간이 5ns 라 하면, 상기 안정화 시간(t2)는 리셋 클럭(RST)의 하이 구간과 제 1 리셋 홀드 클럭(RST_HOLD1)의 로우 구간이 더해진 시간으로써 20ns 가 확보될 수 있는 것이다.
즉, 상기 리셋 홀드부(60)를 제 1 홀드부(61) 및 제 2 홀드부(62)로 구성함으로써, 기존의 안정화 시간(t1)에 비하여 안정화 시간이 만큼 증가하게 되어 부품 선택의 폭을 넓히는 동시에 상기 촬상 소자의 고속 동작이 가능하게 되는 것이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 화상 신호의 리셋 노이즈 제거 장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에 따른 화상 신호의 리셋 노이즈 제거 방법은 도 5 에 도시된 바와 같이, 먼저 제 1 단계에서 상기 CCD 센서(50)를 포함한 카메라 등을 통해 대상물을 촬상하고, 상기 촬상된 영상의 픽셀 정보에 따른 전하가 상기 CCD 센서(50)에 저장된다.(S1 참조)
제 2 단계는 상기 제 1 단계에서 저장된 전하에 따른 픽셀 정보가 순차적으로 출력될 수 있도록 상기 리셋부(51)에서 리셋 신호가 상기 CCD 센서(50)로 입력되면 상기 CCD 센서(50)에 저장된 전하가 전압으로 변환되어 출력되는 동시에 다음 픽셀 정보에 따른 전하가 상기 CCD 센서(50)의 출력단에 저장될 수 있도록 상기 CCD 센서(50)의 출력 신호를 리셋시킨다.(S2 및 S3 참조)
제 3 단계는 상기 제 2 단계에서 출력 신호가 리셋되면 상기 출력 신호는 리 셋 레벨을 가지게 되고, 이때 상기 리셋 레벨의 출력 신호를 상기 리셋 홀드부(60)에서 샘플링/홀딩하게 된다.(S4 참조) 이때, 상기 리셋 레벨의 출력 신호는 상기 제 1 홀드부(61)에서 1 차 샘플링되고, 상기 제 2 홀드부(62)에서 2 차 샘플링된다.
제 4 단계는 상기 제 3 단계에서 리셋 레벨의 출력 신호가 샘플링/홀딩되면 상기 CCD 센서(50)의 출력 신호는 다음 픽셀 정보에 따른 전하가 저장되어 화상 레벨을 가지게 되고, 상기 화상 레벨의 출력 신호를 상기 화상 홀드부(70)에서 샘플링/홀딩하게 된다.(S5 참조)
제 5 단계는 상기 리셋 홀드부(60)에서 샘플링된 리셋 레벨의 출력 신호와 상기 화상 홀드부(70)에서 샘플링된 화상 레벨의 출력 신호가 상기 차동 증폭기(80)에 입력되어 각각 같은 위상을 가지는 리셋 노이즈가 제거되는 동시에 상기 리셋 레벨의 출력 신호와 화상 레벨의 출력 신호의 차에 따른 실제 화상 신호는 증폭되어 출력된다.(S6 및 S7 참조)
도 7은 CCD 이미지센서로부터 입력되는 신호를 샘플링하기 위한 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 8은 클럭변환수단의 클럭경로 모델을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 9는 저주파 CCD 이미지센서의 출력신호의 한 주기를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 클럭A로는 기준신호에 해당하는 사전충전 값을 샘플링하고, 클럭B로는 아날로그 이미지 신호를 샘플링하며, 이 두 번의 연속 샘플링을 통해 그 차이에 해당하는 값으로 CCD이미지신호가 형성되는 상관이중샘플링을 수행한다.
상관이중샘플링이란 상기 기준신호와 아날로그 이미지 신호의 차이를 이용하여 잡음을 제거하는데, 일반적으로 아날로그 신호를 증폭 또는 감쇄시키고 디지털로 변환하는 회로를 하나의 칩 상에 집적화시킨 아날로그 프론트 엔드칩에 포함되어 구성되어 있다.
일반적으로 CCD 이미지센서로부터 입력되는 신호를 샘플링하기 위한 아날로그 프론트 앤드 회로의 구성을 도 7을 통해 살펴본다.
아날로그 프론트 앤드 회로(700)는 외부로부터 입력되는 클럭을 레벨변환 및 버퍼링하여 출력하는 클럭변환수단(710)과; 상기 클럭변환수단(710)에서 제공되는 클럭으로 CCD 이미지센서로부터 출력되는 기준신호와 아날로그 이미지 신호를 샘플링하고, 샘플링된 기준신호와 아날로그 이미지 신호의 차를 구하는 상관이중샘플링수단 (720)과; 상기 상관이중샘플링수단(720)에서 제공되는 신호를 증폭하는 가변이득수단(730); 및 상기 가변이득수단(730)으로부터 제공되는 신호를 디지털 데이터 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환수단(740)으로 이루어진다.
상기와 같이 구성된 아날로그 프론트 앤드 회로(700)에서 CCD 이미지센서로부터 출력되는 기준신호와 아날로그 이미지신호를 샘플링하기 위해서는 기준신호를 샘플링하기 위한 클럭1과 아날로그 이미지를 샘플링하기 위한 클럭2가 필요한데, 클럭1이나 클럭2는 상기 아날로그 프론트 앤드(700) 칩 밖에서 공급되기 때문에 상기 클럭변환수단(710)은 클럭1과 클럭2를 레벨변환 및 버퍼링을 하여 클럭A와 클럭B로 각각 변환하는 것이다.
그러나, 상관이중샘플링을 위한 두 개의 입력 클럭1과 클럭2를 도 9에서와 같이 레벨변환 및 버퍼링하는 경우 출력되는 클럭A 및 클럭B에는 일정한 크기의 지연시간 d를 발생하게 되고, 이 지연시간 d는 공정, 공급전압 및 온도변화에 대해서 일정하지 않고 흔들림이 발생하므로 샘플링의 불확실 구간을 갖게 된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 4T(Transistor) 이미지 센서의 단위 픽셀의 등가회로도이고, 도 11은 다른 일 실시예에 따른 4T 이미지 센서의 단위 픽셀의 등가회로도이다.
도 10에서와 같이, 4T 이미지 센서의 단위 픽셀은 4개의 트랜지스터(TX, RX, DX, SX)와 1개의 포토다이오드(PD)를 포함할 수 있다.
포토다이오드(PD)는 광전변환 기능을 수행하고, 부유확산영역(FD; Floating Diffusion)은 포토다이오드(PD)의 전기신호를 축적하는 기능을 수행하며, 트랜스퍼(transfer) 트랜지스터(TX)는 부유확산영역(FD)의 전압을 전달하여 포토다이오드(PD)를 리셋하거나 포토다이오드(PD)의 전기신호를 부유확산영역(FD)으로 전달하는 스위칭 기능을 한다.
디텍션(detcetion) 트랜지스터(DX)는 부유확산영역(FD)의 전기신호를 증폭하며, 셀렉트(select) 트랜지스터(SX)는 증폭된 신호를 선택적으로 출력단(Vout)에 전달한다. 리셋(reset) 트랜지스터(RX)는 전압단(PVDD)으로부터 전압을 인가받아 부유확산영역(FD)를 통하여 포토다이오드(PD)에 전달하고 포토다이오드(PD)를 초기화한다.
도 11을 참조하면, 다른 일 실시예에 따른 4T 이미지 센서는 단위 픽셀을 도시한 것으로서, 5개의 트랜지스터(TX1, TX2, RX, DX, SX), 2개의 포토다이오드(PD1, PD2) 및 부유확산영역(FD)을 포함할 수 있다.
제1 포토다이오드(PD1)와 제2 포토다이오드(PD2)는 외부로부터 입사된 광을 전기신호로 변환하는 광전변환 기능을 수행하고, 제1 트랜스퍼(transfer) 트랜지스터(TX1)와 제2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)는 인가전압의 조합을 통하여 상기 제1 포토다이오드(PD1)와 상기 제2 포토다이오드(PD2)를 스위칭시키고, 상기 부유확산영역(FD)과 선택적으로 연결시킨다.
상기 부유확산영역(FD)은 상기 제1 포토다이오드(PD1) 또는 상기 제2 포토다이오드(PD2)의 전기신호를 축적하며, 상기 리셋 트랜지스터(RX) 및 상기 디텍션 트랜지스터(DX)와 연결된다. 소스-팔로워(source- follower) 구조의 디텍션(detection) 트랜지스터(DX)는 상기 부유확산영역(FD)을 통하여 전달된 상기 제1 포토다이오드(PD1) 또는 상기 제2 포토다이오드(PD2)의 전기신호를 증폭한다.
셀렉트(select) 트랜지스터(SX)는 증폭된 신호를 선택적으로 출력단(Vout)에 전달한다.
상기 리셋(reset) 트랜지스터(RX)는 전압단(PVDD)으로부터 전압을 인가받아 상기 부유확산영역(FD)을 통하여 제1 포토다이오드(PD1) 또는 상기 제2 포토다이오드(PD2)에 전달하고 상기 포토다이오드들(PD1, PD2)을 초기화한다.
이때, 상기 리셋 트랜지스터(RX), 상기 제1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)와 상기 제2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)의 게이트에 전압이 동시에 인가되어 상기 포토다이오드들(PD1, PD2)가 초기화되고, 이후 상기 리셋 트랜지스터(RX), 상기 제1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)와 상기 제2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)의 게이트의 전압이 단절된다.
상기 포토다이오드들(PD1, PD2)의 전기신호를 읽는 경우, 첫째, 상기 리셋 트랜지스터(RX)의 게이트에 전압을 차단하고 상기 제1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)의 게이트에 전압을 인가하여 상기 제1 포토다이오드(PD1)의 전기신호가 상기 디텍션 트랜지스터(DX)로 전달되도록 한다.
둘째, 상기 리셋 트랜지스터(RX)의 게이트에 전압을 인가하여 상기 부유확산영역(FD)과 상기 제1 포토다이오드(PD1)를 초기화한 후 상기 리셋 트랜지스터(RX)의 게이트의 전압을 다시 차단한다.
셋째, 상기 제1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)의 게이트 전압을 차단하고 상기 제2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)의 게이트에 전압을 인가하여 상기 제2 포토다이오드(PD2)의 전기신호가 상기 제1 포토다이오드(PD1)로 전달되도록 한다.
넷째, 상기 제2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)의 게이트 전압을 차단하고 상기 제1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)의 게이트에 전압을 인가하여 상기 제1 포토다이오드(PD1)로 이동된 전기신호가 상기 부유확산영역(FD)을 경유하여 상기 디텍션 트랜지스터(DX)로 전달되도록 한다.
이때, 상기 제2 포토다이오드(PD2)의 동작 전압은 상기 제1 포토다이오드(PD1)[0038] 의 동작 전압보다 작은 것이 바람직하다.
이와 같은 구성의 제1실시예에 따른 4T 이미지 센서는 두개의 상기 포토다이오드들(PD1, PD2)이 스위칭 기능을 수행하는 상기 제1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1) 및 상기 제2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)에 의하여 나머지 트랜지스터(RX, DX, SX)를 공유하는 분리 구조(2 pixel shared 4T Pixel 구조)이다.
즉, 제1실시예에 따른 4T 이미지 센서는 2개의 트랜스퍼 트랜지스터들(TX1, TX2)이 조합적으로 동작되어 상기 2개의 포토다이오드들(PD1, PD2)의 신호를 연속적으로 읽고, 2개의 픽셀에 해당하는 상기 포토다이오드들(PD1, PD2)이 1개의 픽셀에 해당하는 나머지 트랜지스터들(RX, DX, SX)을 공유함으로써 3T 동작이 아닌 4T 동작이 가능함과 동시에 전체 트랜지스터의 개수를 현저하게 감소시킬 수 있다.
도 12는 또 다른 일 실시예에 따른 4T(Transistor) 이미지 센서의 단위 픽셀의 등가회로도이고, 도 13은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서가 4T 형태로 구현된 경우의 구성을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 12에서와 같이, 4T 이미지 센서의 단위 픽셀은 4개의 트랜지스터(TX, RX, DX, SX)와 1개의 포토다이오드(PD)를 포함할 수 있다.
포토다이오드(PD)는 광전변환 기능을 수행하고, 부유확산영역(FD; Floating Diffusion)은 포토다이오드(FD)의 전기신호를 축적하는 기능을 수행하며, 트랜스퍼(transfer) 트랜지스터(TX)는 부유확산영역(FD)의 전압을 전달하여 포토다이오드(PD)를 리셋하거나 포토다이오드(PD)의 전기신호를 부유확산영역(FD)으로 전달하는 스위칭 기능을 한다.
소스-팔로워(soruce-follower) 구조의 디텍션(detcetion) 트랜지스터(DX)는 부유확산영역(FD)의 전기신호를 증폭하며, 셀렉트(select) 트랜지스터(SX)는 증폭된 신호를 선택적으로 출력단(Vout)에 전달한다. 리셋(reset) 트랜지스터(RX)는 전압단(PVDD)으로부터 전압을 인가받아 부유확산영역(FD)를 통하여 포토다이오드(PD)에 전달하고 포토다이오드(PD)를 초기화한다.
이와 같은 4T 이미지 센서의 디텍션 트랜지스터(DX)는 일반적인 구조 또는 매립 채널형([0006] buried channel type) 구조의 MOSFET((Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 사용하는 것이 일반적이다.
이미지 센서의 핵심 요소(factor) 중의 하나인 순간 노이즈(temporal noise)의 대부분은 디텍션 트랜지스터(DX)가 가지고 있는 1/f(RTS) 노이즈 또는 RTS(Random Temporal Signal) 노이즈로 이루어지는데, 이러한 노이즈를 개선하기 위해서는 디텍션 트랜지스터(DX)의 게이트 사이즈를 크게 하는 등의 방법이 요구된다.
또한, 노이즈를 개선하기 위하여, 디텍션 트랜지스터(DX)의 문턱 전압(Threshold voltage)을 낮추는 시도를 하게 되는데, 이 경우 역시 도 12와 같이 디텍션 트랜지스터(DX)의 바디(body)가 접지되어 있는 반면 소스는 높은 전압이 유지되므로 바디 이펙트(body effect) 현상이 초래된다.
바디 이펙트 현상이란, 바디에 걸리는 전압 값에 의해서 문턱 전압이 변경되는 현상을 의미한다. 일반적으로, 바디에 전압을 가하지 않을 경우에는 게이트에 걸린 + 전압에 의해 전하가 표면에 정전기적 인력으로 끌려가게 되어 채널을 형성할 수 있다. 그러나, 이러한 상태에서 바디 전극에 + 전압이 걸리면, 표면에 몰려서 채널을 만들던 전하중 일부가 정전기적 인력에 의해 바디로 끌려오게 되며, 이것을 일반적으로 바디 이펙트 현상이라 한다.
바디 이펙트 현상이 발생되면, 디텍션 트랜지스터(DX)의 문턱 전압이 일정 수치 상승되고 이득 전압이 낮게 유지되므로, 순간 노이즈가 쉽게 발생되고 출력신호가 불안정해지는 문제점이 있다.
도 13을 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 4개의 트랜지스터(TX, RX, DX, SX), 1개의 포토 다이오드(PD) 및 부유확산영역(FD)을 포함할 수 있다.
상기 포토 다이오드(PD)는 외부로부터 입사된 광을 전기신호로 변환하는 광전변환 기능을 수행하고, 상기 트랜스퍼(transfer) 트랜지스터(TX)는 상기 포토 다이오드(PD)를 스위칭시켜 상기 부유확산영역(FD)과 선택적으로 연결시킨다.
상기 부유확산영역(FD)은 상기 포토 다이오드(PD)의 전기신호를 축적하며, 상기 리셋 트랜지스터(RX) 및 상기 디텍션(detection) 트랜지스터(DX)와 연결된다.
소스-팔로워(source- follower) 구조의 상기 디텍션 트랜지스터(DX)는 상기 부유확산영역(FD)을 통하여 전달된 상기 포토 다이오드(PD)의 전기신호를 증폭한다.
셀렉트(select) 트랜지스터(SX)는 상기 디텍션 트랜지스터(DX)에서 증폭된 신호를 선택적으로 출력단(Vout)에 전달한다.
상기 리셋(reset) 트랜지스터(RX)는 전압단(PVDD)으로부터 전압을 인가받아 상기 부유확산영역(FD)을 통하여 상기 포토 다이오드(PD)에 전달함으로써 상기 포토 다이오드(PD)가 초기화되도록 한다.
이때, 상기 리셋 트랜지스터(RX), 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)의 게이트에 전압이 동시에 인가되어 상기 포토 다이오드(PD)가 초기화되고, 이후 상기 리셋 트랜지스터(RX), 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)의 게이트의 전압이 차단된다.
상기 포토 다이오드(PD)의 전기신호를 읽는 경우, 첫째, 상기 리셋 트랜지스터(RX)의 게이트에 전압을 차단하고 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)의 게이트에 전압을 인가하여 상기 포토 다이오드(PD)의 전기신호가 상기 디텍션 트랜지스터(DX)로 전달되도록 한다.
둘째, 상기 리셋 트랜지스터(RX)의 게이트에 전압을 인가하여 상기 부유확산영역(FD)과 상기 포토 다이오드(PD)를 초기화한 후 상기 리셋 트랜지스터(RX)의 게이트의 전압을 다시 차단한다.
이와 같은 구조의 실시예에 따른 이미지 센서는 도 2에 도시된 것과 같이, 상기 디텍션 트랜지스터(DX)의 소스 영역과 바디가 연결됨으로써(A) 소스 영역과 바디 사이의 전압이 0V가 되고 바디 이펙트 현상을 제거할 수 있다.
따라서, 상기 디텍션 트랜지스터(DX) 상에 기생하는 BJT(Bipolar Junction Transistor)에 의하여 발생되는 바디 이펙트 컨덕턴스(body effect conductance)가 제거됨으로써 상기 디텍션 트랜지스터(DX)의 이득 전압(gain)을 증가시킬 수 있다.
이는 상기 디텍션 트랜지스터(DX)의 문턱 전압을 낮추는 효과를 가지므로 노이즈 특성 역시 개선될 수 있다.
도 14는 3-트랜지스터 구조의 이미지 센서의 단위화소를 도시한 것이고, 도 15는 픽셀리셋에 기인한 노이즈 제거장치(CDS)를 블록도로 도시한 것이고, 도 16은 n번째 로우에 저장된 신호를 아날로그-디지털 변환하는데 까지 걸리는 시간과 n+1번째 로우에 저장된 신호를 아날로그-디지털 변환하는데 걸리는 시간을 도시한 타이밍을 설명하기 위한 도면이다.
단위 픽셀은 1개의 포토다이오드(1401)와 3개의 트랜지스터로 구성된다. 상기 3개의 트랜지스터는 리셋트랜지스터(1403), 소스팔로워 드라이브트랜지스터(1404) 및 로우 선택트랜지스터(1405)로 이루어진다.
상기 단위 픽셀에 저장된 신호전하를 읽어내는 방법은 다음과 같다.
포토다이오드(1401)를 초기화하기 위해서 리셋트랜지스터(1403)를 리셋신호로 초기화한다. 리셋 신호가 오프(off)되면 입사된 빛에 따라 신호전하가 포토다이오드(1401)에 축적된다.
화소를 선택하기 위해서 로우 선택신호(1406)가 인가되어 로우 선택트랜지스터(1405)를 온(ON)시킨다. 축적된 신호전하는 소스팔로워 드라이브트랜지스터(1404)와 소스팔로워 바이어스트랜지스터(1408)의 이득에 비례하게 화소출력(1409)으로 출력된다.
화소출력(1409)은 픽셀에서 발생하는 리셋노이즈를 제거하기 위해 리셋노이즈 제거회로(1410)를 통과하게 된다. 이때, 리셋노이즈 제거회로(1410)를 구동하기 위해서 여러 구동신호들(1411)이 사용된다.
상기 리셋노이즈 제거회로(1410)로부터 픽셀리셋 노이즈가 제거된 신호(1412)는 아날로그신호이며, 이 신호는 이미지 프로세싱을 위해서 일반적으로 아날로그/디지털 변환회로(1413)를 통해서 디지털신호(1414)로 출력된다.
이러한 일련의 변환 과정은 한 개의 로우 단위로 진행이 되며, 디지털 신호로 변환된 신호는 이후에 이미지 프로세싱을 거치게 된다.
도 16에서 볼 수 있듯이 이미지 프로세싱을 수행하는 디지털 신호들은 변환전의 아날로그 신호와 최소 한 개의 로우 만큼시간적인 차이가 발생한다.
여기서 '화소출력 ~ 아날로그-디지털 변환'까지 필요한 시간(1415, 1417)은 픽셀 리셋노이즈 제거회로를 구동하기 위해 사용되는 신호에 필요한 시간(이하 CDS 타이밍이라 함)과 한 라인(또는 로우)의 픽셀 데이터를 아날로그-디지털 변환하는데 필요한 시간(이하 ADC 타이밍이라 함) 및 변환된 데이터를 이미지 프로세싱 블록으로 넘겨주는 시간의 합으로 주어진다.
결과적으로, 그림 16에서 볼 수 있듯이 아날로그-디지털 변환된 N 번째 로우 데이터를 이미지 프로세싱 시간(1416)과 M 번째 로우 데이터에 대해서 아날로그-디지털 변환까지 필요한 시간(1417)이 겹치게 된다. 즉, 위와 같이 M 번째 로우 데이터를 아날로그-디지털 변환까지 필요한 시간과 N 번째 로우 데이터에 대해서 이미지 프로세싱을 수행하는 시간이 겹치게 되면서 라인방향(로우 방향) 노이즈가 발생할 수 있게 된다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 의한 OPF(organic-photoconductive-film) 이미지 센서의 블록도이다.
각각의 픽셀의 모든 열은 노이즈 제거 및 A/D 컨버터들을 위한 피드백 증폭기(feedback amplifiers : FBAMP)가 구비되어 있다. A/D 컨버터들에서 모든 밝기 레벨들에서 S/N 특성을 유지하기 위하여 복수의 아날로그 이득들이 세팅될 수 있다. 60fps에서 변환되는 디지털 신호들은 Sub-LVDS 인터페이스를 이용하여 리드될 수 있다.
도 18은 DS-Pixel(Dual-Sensitivity-Pixel) 및 그것의 구조를 도시한 단면도이다.
도 18의 각 픽셀은 "Cell 1" 및 "Cell 2"를 포함한다. Cell 1은 어두운 물체를 위한 고감도(High-Sensitivity) 셀이고, Cell 1은 노이즈 제거를 위한 두 개의 커피시터들과 네 개의 트랜지스터들을 포함하고, 고감도 픽셀 전극(PE1)을 포함할 수 있다. Cell 2는 매우 밝은 사물들을 위한 고채도(High-Saturation) 셀이고, Cell 2는 저감도 픽셀 전극(PE2)와 함께 높은 전하 충전량을 갖는 커패시터 및 세개의 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 상기 두 개의 셀들 사이의 전하 충전 커패시턴스 비는 10:1일 수 있고, 두 개의 셀들 사이의 감도 비는 1/10:1일 수 있다. 노출 주기들은 동시에 진행되도록 설정될 수 있고, 동일한 실리콘 센서들과 비교했을 때 DS-Pixel에 의해 100배 더 넓은 SCWDR이 달성될 수 있다. 도 18에는 픽셀 전극이 표시되어 있다. PE1은 고감도를 위한 넓은 영역이고, PE2는 PE1의 감도의 1/10의 감도를 달성하기 위한 작은 영역이다. 게다가 컬러 혼합을 저지하기 위해 두 개의 셀들 사이에는 쉴드 전극이 삽입될 수 있다.
OPF 이미지 센서에서, 고성능(High-performance) 디바이스들은 OPF와 COMS 회로들 사이에 수직으로 배치될 수 있다. MIM(Metal-Insulator-Metal)은 Cell 1에서 노이즈 제거를 위한 커피시터 Cs1으로, Cell 2에서는 전하 충전 커패시터 Cs2으로 배치될 수 있다. 결과적으로, 도 18과 같은 회로배치는 DMOS 커패시터들을 이용할때와 비교햇을 때 75% 이상 픽셀 사이즈를 줄일 수 있다. 만약 동일한 픽셀 사이즈의 ㉿실리콘 사이즈를 설계하는 경우에는 PD 영역을 줄여야하고, 그 결과 감도와 채도 전하에서 손해를 감수해야 한다. 그러므로 본 발명의 OPF 이미지 센서는 작은 픽셀 사이즈와 더 넓은 SCWDR(simultaneous-capture wide dynamic rage)를 가능하게 한다.
도 19는 고감도 셀을 위한 네 개의 트랜지스터와 두 개의 커패시터를 갖는 CCNC의 구조를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 셀은 네 개의 트랜지스터(SF : amplifier Tr, SEL : select Tr, RST: reset Tr, FB : feedback Rr) 및 두 개의 트랜지스터(Cs: stabilized capacitor, Cc:coupled capacitor)를 포함할 수 있다.
우선, RST 및 FB는 동시에 턴-온 될 수 있고, FD 노드는 리셋 전압으로 세팅될 수 있다. RST와 FB는 순서대로 턴오프될 수 있다. 이 시간 동안, Vfb를 이용하여 대역-제어되는 FB를 포함하는 네거티브 피드백 루프의 사용에 따라 RST 및 FB로부터의 리셋 노이즈가 억제될 수 있다.
네거티브 피드백 루프의 이득이 A로 설정되는 경우, RST 및 FB의 리셋 노이즈는 각각 1/(AxCc/Cfd)와 1/√(AxCs/Cc)에 비례하여 억제될 수 있다. 그 결과, A와 Cc/Cs를 최대값까지 설정함으로써, 리셋 노이즈는 5㎲ 내로 감소될 수 있다.
도 20은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 OPF 이미지 센서의 회로도를 도시한 도면이다.
도 20의 OPF 이미지 센서는 TTx를 포함하지 않을 수 있다. TTx가 포함되더라도 CDS 동작이 수행되지 않기 때문이다. 이 때 포토다이오드는 Vpinning으로 리셋될 수 있고, 리셋 노이즈가 빌트인(built-in) 전압에 영향을 주지 않는다. OPF는 반도체가 아니기 때문에, OPF 픽셀에는 빌트인 전압이 존재하지 않는다. 그러므로,
Figure pat00001
이 TRST을 통하여 OPF를 리셋시키기 위해 적용될 수 있다. 전류가 TRST을 통해 흐를때, TRST 은 써멀 노이즈
Figure pat00002
를 드러낼 수 있다. 만약, TTX가 OPF와 TRST 사이에 위치하는 경우, 전류는 TTX를 통해 흐르고, TTX는 써멀 노이즈
Figure pat00003
를 발생시킬 수 있다. 일단, TRST과 TTX이 턴오프 되면, 상기 노이즈들은 분리되어 갇힐 수 있다. 갇힌(trapped) 리셋 노이즈 레벨들이 서로 상이하기 때문에, 리셋은 CDS에 의해 제거될 수 없다. 그러므로, TTX가 OPF 픽셀 내에 위치하지 않을 수 있다.
도 21은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 OPF 이미지 센서의 회로도를 도시한 도면이다.
OPF는 Organic Photoconductive Film으로서, 유기 포토 필름, 유기 포토 다이오드, 유기 포토 디텍터로 명명될 수 있다.
도 20의 회로와 달리, 도 21의 회로는 픽셀 내에서 TTX 역할을 수행하는 신호 STP 가 동작할 수 있다. 도 21의 회로에서는 TTX의해 생성되는 써멀 노이즈가 완전히 제거될 수 있다.
나아가, 도 21의 각 신호 및 전압 값의 변화에 도시된 바와 같이, 본 발명의를 또 다른 일 실시예에 의한 OPF 이미지 센서는 CDS 기능을 효과적으로 구현할 수 있다. 예를 들어, 우선 OPF 리셋을 위한 VRST 전압을 걸어줄 수 있다. 그리고, VRST 전압 값과 동일한 크기의 전압을 STP로 걸어줄 수 있다. 그 결과, OPF 내에서는 전자(electron)와 정공(hole)이 분리된 채 결합된 익사이톤(exiton) 상태로 존재할 수 있다. 그리고 나서, 스위치 SRST을 온(on)에서 오프(off)로 변경시킨다. 이 과정에서 먼저 t2에서 Vo 신호값을 측정한다. (pixel reset read) 그리고, STP를 낮추어서 익사이톤을 분리시킨 뒤, 일정 시간이 지난 후 t3에서 Vo 신호값을 측정한다. (pixel signal read) 이러한 과정을 통해 TTX가 없는 경우에도, OPF 이미지 센서에서 CDS 기능을 효과적으로 구현시킬 수 있다.
또한, 도 20 및 도 21과 같이 실리콘 기반이 아닌 OPF 이미지 센서는 실리콘이 아닌 다른 물질을 사용하여 층(layer)을 구분하여 설계함으로써, sensitivity가 증가되는 기술적 효과도 구현할 수 있다.
상기와 같이 설명된 유기 포토 필름을 사용하는 이미지 센서는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (8)

  1. 유기 포토 필름을 이용하는 이미지 센서에 있어서,
    광전변환 기능을 수행하는 유기 포토 필름(Organic photoconductive film : OPF);
    상기 유기 포토 필름의 일단에 연결되고, 전기신호를 축적하는 부유확산영역;
    상기 유기 포토 필름의 전기신호를 증폭하고, 소스 영역과 기판의 바디 영역이 연결됨으로써 바디 이펙트 현상이 제거된 디텍션 트랜지스터;
    전압단으로부터 전압을 인가받아 상기 유기 포토 필름에 전달하고 상기 유기 포토필름을 초기화하는 리셋 트랜지스터;
    상기 증폭된 신호를 선택적으로 출력단에 전달하는 셀렉트 트랜지스터; 및
    상기 유기 포토 필름의 다른 일단에 연결되어 가변 전원을 공급하는 가변전원단을 포함하는,
    이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    한 주기 내 제1 시간(t1)에서 제2 시간(t2)까지 리셋 전압이 상기 부유 확산 영역에 공급되고,
    상기 가변전원단은 상기 제1 시간(t1)에서 제2 시간(t2)까지 상기 리셋 전압과 동일한 크기의 전압을 상기 유기 포토 필름에 공급하는,
    이미지 센서.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 시간(t2)에서 상기 리셋 트랜지스터의 스위치를 온에서 오프로 변경하고, 상기 출력단의 제1 신호 크기를 측정하는,
    이미지 센서.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 시간(t2)부터 상기 가변전원단에서 공급하는 가변 전원을 일정하게 감소시키고,
    일정 시간이 지난 뒤의 제3 시간(t3)에서 상기 출력단의 제2 신호 크기를 측정하는,
    이미지 센서.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 출력단의 제1 신호 크기 및 제2 신호 크기를 이용하여 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling : CDS)를 수행하는,
    이미지 센서.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 유기 포토 필름은 상기 부유확산영역, 상기 디텍션 트랜지스터, 상기 리셋 트랜지스터 및 상기 셀렉트 트랜지스터와 다른 레이어에 배치되는,
    이미지 센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 유기 포토 필름의 두께는 0.5㎛인,
    이미지 센서.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서의 WDR(Wide Dynamic Range)는 60 dB인,
    이미지 센서.
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