KR20190089694A

KR20190089694A - 이미지 센서

Info

Publication number: KR20190089694A
Application number: KR1020180060446A
Authority: KR
Inventors: 이강선; 신승호; 배형진; 서진호; 신지훈; 임무섭; 장영태; 정영균
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2018-01-23
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2019-07-31
Also published as: KR20190089701A; KR102497658B1

Abstract

본 발명의 실시 형태에 따른 이미지 센서는, 전하를 생성하여 제1 플로팅 디퓨전에 저장하는 제1 포토 다이오드, 상기 제1 포토 다이오드와 같은 픽셀에 포함되는 제2 포토 다이오드, 상기 제1 플로팅 디퓨전, 및 제2 플로팅 디퓨전을 갖는 픽셀 회로, 및 상기 제1 플로팅 디퓨전에 누적된 전하를 상기 제2 플로팅 디퓨전으로 이동시켜 제1 픽셀 전압을 검출한 후, 상기 제2 플로팅 디퓨전을 리셋하여 리셋 전압을 검출하고, 상기 제2 포토 다이오드에서 생성된 전하를 상기 제2 플로팅 디퓨전으로 이동시켜 제2 픽셀 전압을 검출하는 컨트롤러를 포함한다.

Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR}

본 발명은 이미지 센서에 관한 것이다.

이미지 센서는 빛을 받아들여 전기 신호를 생성하는 반도체 기반의 센서로서, 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이와, 픽셀 어레이를 구동하고 이미지를 생성하기 위한 회로 등을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들은, 이미지 센서는 외부의 빛에 반응하여 전하를 생성하는 포토 다이오드 및 포토 다이오드가 생성한 전하를 전기 신호로 변환하는 픽셀 회로 등을 포함할 수 있다. 이미지 센서는 사진이나 동영상을 촬영하기 위한 카메라 이외에, 스마트폰, 태블릿 PC, 랩톱 컴퓨터, 텔레비전, 자동차 등에 폭넓게 적용될 수 있다. 최근에는 이미지 센서의 다이나믹 레인지를 개선하기 위한 연구와 함께, 플리커 현상이 발생하는 광원의 빛을 정확히 감지하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 넓은 다이나믹 레인지(Dynamic Range)를 가지며, 반도체 발광소자(LED) 등과 같이 플리커 현상이 발생하는 외부 광원의 빛을 정확하게 감지하여 이미지를 생성할 수 있는 이미지 센서를 제공하고자 하는 데에 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 전하를 생성하여 제1 플로팅 디퓨전에 저장하는 제1 포토 다이오드, 상기 제1 포토 다이오드와 같은 픽셀에 포함되는 제2 포토 다이오드, 상기 제1 플로팅 디퓨전, 및 제2 플로팅 디퓨전을 갖는 픽셀 회로, 및 상기 제1 플로팅 디퓨전에 누적된 전하를 상기 제2 플로팅 디퓨전으로 이동시켜 제1 픽셀 전압을 검출한 후, 상기 제2 플로팅 디퓨전을 리셋하여 리셋 전압을 검출하고, 상기 제2 포토 다이오드에서 생성된 전하를 상기 제2 플로팅 디퓨전으로 이동시켜 제2 픽셀 전압을 검출하는 컨트롤러를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 제1 포토 다이오드, 상기 제1 포토 다이오드와 같은 픽셀에 포함되는 제2 포토 다이오드, 제1 전송 트랜지스터를 통해 상기 제1 포토 다이오드에 연결되는 제1 플로팅 디퓨전, 제1 리셋 트랜지스터를 통해 상기 제1 플로팅 디퓨전에 연결되는 제2 플로팅 디퓨전, 및 상기 제1 포토 다이오드와 전원 노드 사이에 연결되는 오버플로우 트랜지스터를 갖는 픽셀 회로, 및 상기 오버플로우 트랜지스터와 상기 제1 전송 트랜지스터를 교대로 복수 회 턴-온 및 턴-오프시켜 상기 제1 포토 다이오드가 생성한 전하를 상기 제1 플로팅 디퓨전에 저장하며, 상기 제2 플로팅 디퓨전을 리셋하여 제1 리셋 전압을 검출하고 상기 제1 리셋 트랜지스터를 턴-온시켜 상기 제2 플로팅 디퓨전으로부터 제1 픽셀 전압을 검출하는 컨트롤러를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 제1 포토 다이오드, 상기 제1 포토 다이오드와 같은 픽셀에 포함되는 제2 포토 다이오드, 제1 전송 트랜지스터의 온/오프 동작에 의해 상기 제1 포토 다이오드가 생성하는 전하를 누적하는 제1 플로팅 디퓨전, 제2 전송 트랜지스터의 온/오프 동작에 의해 상기 제2 포토 다이오드가 생성하는 전하를 전달받는 제2 플로팅 디퓨전, 상기 제1 플로팅 디퓨전과 상기 제2 플로팅 디퓨전 사이에 연결되는 제1 리셋 트랜지스터, 전원 전압을 공급하는 전원 노드와 상기 제1 리셋 트랜지스터 사이에 연결되는 제2 리셋 트랜지스터, 및 상기 제1 포토 다이오드와 상기 전원 노드 사이에 연결되며, 상기 제1 포토 다이오드의 포화를 방지하는 오버플로우 트랜지스터를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 이미지 센서의 복수의 픽셀들 각각에 포함되는 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드에서 생성되는 전하를 이용하여, 플리커 현상이 발생하는 외부 광원의 빛을 정확히 검출할 수 있다. 또한, 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드의 노출 시간을 다르게 제어함으로써, 이미지 센서의 다이나믹 레인지를 증가시켜 이미지 센서가 생성하는 이미지의 품질을 개선할 수 있다

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 장치를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 회로를 나타낸 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 회로를 나타낸 회로도이다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 기기를 간단하게 나타낸 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 처리 장치(1)는, 이미지 센서(10), 및 이미지 프로세서(20)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(10)는 픽셀 어레이(11), 로우 드라이버(12), 칼럼 드라이버(13), 리드아웃 회로(14), 및 타이밍 컨트롤러(15) 등을 포함할 수 있다.

이미지 센서(10)는 이미지 프로세서(20)로부터 수신하는 제어 명령에 따라 동작할 수 있으며, 객체(object, 30)로부터 전달되는 빛을 전기 신호로 변환하여 이미지 프로세서(20)로 출력할 수 있다. 이미지 센서(10)에 포함되는 픽셀 어레이(11)는 복수의 픽셀(PX)을 포함할 수 있으며, 복수의 픽셀(PX)은 빛을 받아들여 전하를 생성하는 광전 소자, 예를 들어 포토 다이오드(Photo Diode, PD)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 픽셀(PX) 각각은 둘 이상의 광전 소자를 포함할 수 있으며, 하나의 픽셀(PX)에 포함되는 둘 이상의 광전 소자는 서로 다른 색상의 빛을 받아들여 전하를 생성할 수 있다.

한편 복수의 픽셀(PX) 각각은 광전 소자가 생성하는 전하로부터 전기 신호를 생성하기 위한 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 일 실시예로, 픽셀 회로는 전송 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 및 리셋 트랜지스터 등을 포함할 수 있다. 하나의 픽셀(PX)이 둘 이상의 광전 소자를 갖는 경우, 각 픽셀(PX)은 둘 이상의 광전소자 각각에서 생성된 전하를 처리하기 위한 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 즉, 하나의 픽셀(PX)이 둘 이상의 광전 소자를 갖는 경우, 픽셀 회로는 전송 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 및 리셋 트랜지스터 중 적어도 일부를 2개 이상 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 하나의 픽셀(PX)은 제1 광전 소자 및 제2 광전 소자를 포함할 수 있으며, 제1 광전 소자와 제2 광전 소자는 서로 다른 파장 대역의 빛을 받아들여 전하를 각각 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 광전 소자는 유기 포토 다이오드일 수 있으며, 녹색에 대응하는 파장 대역의 빛으로부터 전하를 생성할 수 있다. 제2 광전 소자는 반도체 포토 다이오드일 수 있으며, 청색 또는 적색에 대응하는 파장 대역의 빛으로부터 전하를 생성할 수 있다. 일 실시예에서 빛의 진행 방향을 기준으로 제1 광전 소자가 제2 광전 소자보다 먼저 빛을 받아들일 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서 하나의 픽셀(PX)은, 제1 광전 소자에서 생성된 전하를 처리하는 제1 회로 및 제2 광전 소자에서 생성된 전하를 처리하는 제2 회로를 포함할 수 있다. 제1 회로는 복수의 제1 반도체 소자들을 포함할 수 있으며, 제2 회로는 복수의 제2 반도체 소자들을 포함할 수 있다. 제1 회로는 제1 광전 소자에서 생성된 전하로부터 제1 전기 신호를 생성하여 제1 칼럼 라인으로 출력하고, 제2 회로는 제2 광전 소자에서 생성된 전하로부터 제2 전기 신호를 생성하여 제2 칼럼 라인으로 출력할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 서로 인접하여 배치되는 둘 이상의 제1 회로들은 하나의 제1 칼럼 라인을 공유할 수 있다. 유사하게, 서로 인접하여 배치되는 둘 이상의 제2 회로들은 하나의 제2 칼럼 라인을 공유할 수 있다. 서로 인접하여 배치되는 제2 회로들은 일부의 제2 반도체 소자를 공유할 수도 있다.

로우 드라이버(12)는 픽셀 어레이(11)를 행(row) 단위로 구동할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(12)는 각 픽셀(PX)의 전송 트랜지스터를 제어하는 전송 제어 신호, 리셋 트랜지스터를 제어하는 리셋 제어 신호, 선택 트랜지스터를 제어하는 선택 제어 신호 등을 생성할 수 있다.

칼럼 드라이버(13)는 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler, CDS), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-to-Digital Converter, ADC) 등을 포함할 수 있다. 상관 이중 샘플러는, 로우 드라이버(12)가 공급하는 행 선택 신호에 의해 선택되는 행에 포함되는 픽셀(PX)들에 연결된 칼럼 라인들을 통해 전기 신호를 수신하여 상관 이중 샘플링을 수행할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터는 상관 이중 샘플러의 출력을 디지털 신호로 변환하여 리드아웃 회로(14)에 전달할 수 있다.

리드아웃 회로(14)는 디지털 신호를 임시로 저장할 수 있는 래치 또는 버퍼 회로와 증폭 회로 등을 포함할 수 있으며, 칼럼 드라이버(13)로부터 수신한 디지털 신호를 임시 저장하거나 증폭하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다. 로우 드라이버(12), 칼럼 드라이버(13) 및 리드아웃 회로(14)의 동작 타이밍은 타이밍 컨트롤러(15)에 의해 결정될 수 있으며, 타이밍 컨트롤러(15)는 이미지 프로세서(20)가 전송하는 제어 명령에 의해 동작할 수 있다. 이미지 프로세서(20)는 리드아웃 회로(14)가 출력하는 이미지 데이터를 신호 처리하여 디스플레이 장치 등에 출력하거나 메모리 등의 저장 장치에 저장할 수 있다. 또는, 이미지 처리 장치(1)가 자율 주행 차량에 탑재되는 경우, 이미지 프로세서(20)는 이미지 데이터를 신호 처리하여 자율 주행 차량을 제어하는 메인 컨트롤러 등에 전송할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 장치를 간단하게 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 처리 장치(2)는 픽셀 어레이 영역(40), 픽셀 어레이 영역(40)의 하부에 마련되는 로직 회로 영역(50) 및 로직 회로 영역(50)의 하부에 마련되는 메모리 영역(60) 등을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이 영역(40)과 로직 회로 영역(50) 및 메모리 영역(60)은 서로 적층될 수 있다. 일 실시예에서, 픽셀 어레이 영역(40)과 로직 회로 영역(50)은 웨이퍼 레벨에서 서로 적층되고, 메모리 영역(60)은 칩 레벨에서 로직 회로 영역(50)의 하부에 부착될 수 있다.

픽셀 어레이 영역(40)은 복수의 픽셀들(PX)이 마련되는 센싱 영역(SA)과, 센싱 영역(SA) 주변에 마련되는 제1 패드 영역(PA1)을 포함할 수 있다. 제1 패드 영역(PA1)에는 복수의 상부 패드들(PAD)이 포함되며, 복수의 상부 패드들(PAD)은 비아(VIA) 등을 통해 로직 회로 영역(50)의 제2 패드 영역(PA2)에 마련된 패드들 및 로직 회로(LC)와 연결될 수 있다.

복수의 픽셀들(PX) 각각은 빛을 받아들여 전하를 생성하는 광전 소자와, 광전 소자가 생성한 전하를 전기 신호로 변환하는 픽셀 회로 등을 포함할 수 있다. 광전 소자는 유기 포토 다이오드 또는 반도체 포토 다이오드 등을 포함할 수 있으며, 일 실시예에서 복수의 반도체 포토 다이오드들이 복수의 픽셀들(PX) 각각에 포함될 수 있다. 픽셀 회로는 광전 소자가 생성한 전하를 전기 신호로 변환하기 위한 복수의 트랜지스터들을 포함할 수 있다.

로직 회로 영역(50)은 로직 회로(LC)에 형성되는 복수의 회로 소자들을 포함할 수 있다. 로직 회로(LC)에 포함되는 복수의 회로 소자들은, 픽셀 어레이 영역(40)에 마련된 픽셀 회로를 구동하기 위한 회로들, 예를 들어 로우 드라이버, 칼럼 드라이버, 및 타이밍 컨트롤러 등을 제공할 수 있다. 로직 회로(LC)에 포함되는 복수의 회로 소자들은 제1 및 제2 패드 영역들(PA1, PA2)을 통해 픽셀 회로와 연결될 수 있다.

로직 회로 영역(50)의 하부에 마련되는 메모리 영역(60)은 메모리 칩(MC)과 더미 칩(DC), 및 메모리 칩(MC)과 더미 칩(DC)을 밀봉하는 보호층(EN)을 포함할 수 있다. 메모리 칩(MC)은 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM) 또는 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM)일 수 있으며, 더미 칩(DC)은 데이터를 실제로 저장하는 기능은 갖지 않을 수 있다. 메모리 칩(MC)은 범프에 의해 로직 회로 영역(50)에 포함된 회로 소자들 중 적어도 일부와 전기적으로 연결될 수 있다. 일 실시예에서 상기 범프는 마이크로 범프일 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 평면도이다.

도 3을 참조하면, 픽셀 어레이(100)는 복수의 픽셀들(110)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(110)은 X-Y 평면 상에서 복수의 행들과 열들을 따라 매트릭스 형태로 배치될 수 있으며, 복수의 픽셀들(110) 사이에는 크로스토크(cross-talk)를 방지하기 위하여 분리 영역(120)이 형성될 수 있다. 분리 영역(120)은 산화물 등의 절연 물질을 포함할 수 있으며, 깊은 소자 분리막(Deep Trench Isolation, DTI)으로 형성될 수 있다. 복수의 픽셀들(110)과 인접하는 분리 영역(120)의 측벽은 반사율이 높은 물질로 형성될 수 있다.

복수의 픽셀들(110) 각각은 빛을 받아들여 전하를 생성하는 포토 다이오드, 및 포토 다이오드에서 생성되는 전하를 전기 신호로 변환하는 복수의 반도체 소자들을 포함할 수 있다. 일례로 복수의 픽셀들(110) 각각은 제1 포토 다이오드(111) 및 제2 포토 다이오드(112)를 포함할 수 있다. 제1 포토 다이오드(111)와 제2 포토 다이오드(112)는 X-Y 평면 상에서 서로 인접하도록 배치될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 포토 다이오드(111)는 제2 포토 다이오드(112)보다 큰 면적을 가질 수 있다. 따라서, 제2 포토 다이오드(112)가 제1 포토 다이오드(111)보다 더 쉽게 포화될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 제1 포토 다이오드(111)를 일반적인 이미지 생성 목적으로 이용하는 한편, 제2 포토 다이오드(112)는 외부 광원에서 발생하는 플리커 현상에 관계없이 외부 광원을 정확히 감지하기 위한 용도 또는 이미지 생성의 보조 목적으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서가 자율 주행 차량 등에 적용될 경우, 플리커 현상이 발생하는 LED를 광원으로 채용한 신호등 또는 주변 차량의 헤드램프 및 테일램프 등을 정확히 감지할 수 있다.

제2 포토 다이오드(112)가 제1 포토 다이오드(111)보다 작은 수광 면적을 가지므로, 쉽게 포화될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 제2 포토 다이오드(112)가 포화되어 LED를 광원으로 채용한 신호등 및/또는 주변 차량의 빛을 잘못 감지하지 않도록, 제2 포토 다이오드(112)의 포화를 방지하기 위한 수단이 마련될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 회로를 나타낸 회로도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 회로(200)는 제1 픽셀 회로(210)와 제2 픽셀 회로(220)를 포함할 수 있다. 제1 픽셀 회로(210)는 제1 포토 다이오드(PD1)가 생성하는 전하를 이용하여 전기 신호를 출력할 수 있으며, 제2 픽셀 회로(220)는 제2 포토 다이오드(PD2)가 생성하는 전하를 이용하여 전기 신호를 출력할 수 있다.

제1 픽셀 회로(210)는 제1 리셋 트랜지스터(RX1), 제1 전송 트랜지스터(TX1), 및 오버플로우 트랜지스터(OX) 등을 포함할 수 있다. 제1 포토 다이오드(PD1)는 제1 픽셀 회로(210)의 오버플로우 트랜지스터(OX) 및 제1 전송 트랜지스터(TX1)에 연결될 수 있다. 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하는, 제1 전송 트랜지스터(TX1)가 턴-온될 때 제1 플로팅 디퓨전(FD1)으로 이동할 수 있다. 제1 포토 다이오드(PD1)는 제1 전송 트랜지스터(TX1)가 턴-오프되어 있는 동안 빛에 반응하여 전하를 생성할 수 있으며, 제1 전송 트랜지스터(TX1)가 턴-온될 때마다 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하가 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적될 수 있다.

일 실시예에서, 오버플로우 트랜지스터(OX)는 제1 포토 다이오드(PD1)의 포화를 막기 위한 목적으로 제공될 수 있다. 오버플로우 트랜지스터(OX)는 주기적으로 턴-온 및 턴-오프를 반복하여 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하의 적어도 일부를 제거함으로써, 제1 포토 다이오드(PD1)가 포화되는 것을 막을 수 있다. 제1 전송 트랜지스터(TX1)는 오버플로우 트랜지스터(OX)가 턴-오프되어 있는 동안 턴-온되어 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하를 제1 플로팅 디퓨전(FD1)으로 옮길 수 있다. 제1 플로팅 디퓨전(FD1)의 의도치 않은 리셋을 방지하기 위해, 제1 전송 트랜지스터(TX1)와 오버플로우 트랜지스터(OX)는 동시에 턴-온되지 않을 수 있다.

제2 픽셀 회로(220)는 4개의 트랜지스터들을 포함하는 4T 회로일 수 있다. 제2 픽셀 회로(220)는 제2 리셋 트랜지스터(RX2), 제2 전송 트랜지스터(TX2), 구동 트랜지스터(DX), 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다. 제2 픽셀 회로(220)와 연결되는 제2 포토 다이오드(PD2)는 제2 전송 트랜지스터(TX2)를 통해 제2 플로팅 디퓨전(FD2)과 연결될 수 있다.

제1 전송 트랜지스터(TX2)는 로우 드라이버로부터 전달되는 제2 전송 제어 신호(TG2)에 기초하여 제2 포토 다이오드(PD2)에 누적된 전하를 제2 플로팅 디퓨전(FD2)으로 전달할 수 있다. 제2 포토 다이오드(PD2)는 전자를 주 전하 캐리어로 생성할 수 있다. 구동 트랜지스터(DX)는 제2 플로팅 디퓨전(FD2)에 누적되는 전하에 의해 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier)로 동작할 수 있다. 구동 트랜지스터(DX)는 제2 플로팅 디퓨전(FD2)에 누적된 전하를 증폭시켜 선택 트랜지스터(SX)로 전달할 수 있다.

선택 트랜지스터(SX)는 로우 드라이버가 입력하는 선택 제어 신호(SEL)에 의해 동작할 수 있으며, 스위칭 및 어드레싱 동작을 수행할 수 있다. 로우 드라이버로부터 선택 제어 신호(SEL)가 인가되면, 선택 트랜지스터(SX)에 연결된 칼럼 라인(Col)으로 전압이 출력될 수 있다. 상기 전압을 칼럼 라인(Col)에 연결된 칼럼 드라이버 및 리드아웃 회로에 의해 검출될 수 있다. 칼럼 드라이버 및 리드아웃 회로는, 제2 플로팅 디퓨전(FD2)에 전하가 누적되지 않은 상태에서 리셋 전압을 검출하고, 제2 플로팅 디퓨전(FD2)에 전하가 누적된 상태에서 픽셀 전압을 검출할 수 있다. 일 실시예에서 이미지 센서는, 상기 리셋 전압과 상기 픽셀 전압의 차이를 계산하여 이미지를 생성할 수 있다.

도 3에 도시한 일 실시예에서, 제1 포토 다이오드(PD1)와 제2 포토 다이오드(PD2)는 칼럼 라인(Col)을 공유할 수 있다. 따라서, 제1 포토 다이오드(PD1)의 전하를 이용하여 생성한 제1 픽셀 전압을 칼럼 라인(Col)으로 출력하는 동안, 제2 포토 다이오드(PD2)는 칼럼 라인(Col)과 분리될 수 있다. 도 3에 도시한 일 실시예에서는, 제1 픽셀 전압이 칼럼 라인(Col)으로 출력되는 동안, 제2 전송 트랜지스터(TX2)를 턴-오프시켜 제2 포토 다이오드(PD2)를 칼럼 라인(Col)과 분리할 수 있다. 한편, 제1 포토 다이오드(PD1)의 전하를 이용하여 제1 픽셀 전압을 생성하고 칼럼 라인(Col)으로 출력하기 위해, 제1 리셋 트랜지스터(RX1)가 턴-온되어 제1 플로팅 디퓨전(FD1)과 제2 플로팅 디퓨전(FD2)이 연결될 수 있다.

유사하게, 제2 포토 다이오드(PD2)의 전하를 이용하여 생성한 제2 픽셀 전압을 칼럼 라인(Col)으로 출력하는 동안, 제1 포토 다이오드(PD1)는 칼럼 라인(Col)과 분리될 수 있다. 도 3에 도시한 일 실시예에서는, 제2 픽셀 전압이 칼럼 라인(Col)으로 출력되는 동안, 제1 전송 트랜지스터(TX1) 및 제1 리셋 트랜지스터(RX1) 중 적어도 하나를 턴-오프시켜 제1 포토 다이오드(PD1)를 칼럼 라인(Col)과 분리할 수 있다. 한편, 제2 포토 다이오드(PD2)의 전하를 이용하여 제2 픽셀 전압을 생성하고 칼럼 라인(Col)으로 출력하기 위해, 제2 전송 트랜지스터(TX2)가 턴-온되어 제2 포토 다이오드(PD2)의 전하를 제2 플로팅 디퓨전(FD2)으로 이동시킬 수 있다.

일 실시예에서, 제1 포토 다이오드(PD1)는 플리커 현상이 나타나는 외부 광원을 감지하는 목적으로 이용되거나, 또는 이미지 센서의 다이내믹 레인지를 개선하고자 하는 목적으로 이용될 수 있다. 이미지 센서의 다이내믹 레인지를 개선하기 위하여, 제1 포토 다이오드(PD1)의 전하로부터 생성된 제1 픽셀 전압이 한 번 출력될 때, 제2 포토 다이오드(PD2)의 전하로부터 생성된 제2 픽셀 전압은 복수 회에 걸쳐서 출력할 수 있다.

제2 포토 다이오드(PD2)는 제1 포토 다이오드(PD1)보다 상대적으로 큰 면적을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성되는 전하를 이용하여 플리커 현상이 나타나는 외부 광원을 정확히 표현하는 이미지를 생성하는 한편, 제2 포토 다이오드(PD2)에서 생성되는 전하는 일반적인 이미지를 생성하는 데에 이용할 수 있다. 또한, 제1 포토 다이오드(PD1)와 제2 포토 다이오드(PD2) 각각이 빛을 받아들이는 노출 시간을 조절함으로써, 이미지 센서의 다이나믹 레인지 및 이미지 품질 등을 개선할 수 있다. 이하, 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다. 일 실시예에서, 도 5는 서로 다른 동작 모드에서 이미지 센서의 동작들을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램일 수 있다.

먼저 도 5에 도시한 일 실시예에 따른 동작 방법에 의해서, 이미지 센서의 다이나믹 레인지를 개선함과 동시에, 플리커 현상이 나타나는 외부 광원을 정확히 표현하는 이미지를 생성할 수 있다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작은, 제1 리셋 트랜지스터(RX1) 및 제2 리셋 트랜지스터(RX2)가 턴-온되어 제1 플로팅 디퓨전(FD1)과 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 전압이 리셋되는 것으로 시작될 수 있다.

플로팅 디퓨전들(FD1, FD2)의 전압이 리셋되면, 제1 전송 트랜지스터(TX1)와 오버플로우 트랜지스터(OX)가 번갈아서 턴-온 및 턴-오프되면서 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하가 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적될 수 있다. 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 쌓이는 전하가 누설되지 않도록 제1 리셋 트랜지스터(RX1)는 턴-오프 상태를 유지할 수 있다. 반면, 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 전압이 충분히 리셋될 수 있도록, 제2 리셋 트랜지스터(RX2)는 턴-온 상태를 유지할 수 있다.

도 5에 도시한 일 실시예에서는 n 번(n은 자연수)에 걸쳐서 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하를 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적할 수 있다. 도 5를 참조하면, 복수의 시간들(d1, d2, ? dn-1, dn) 동안 제1 포토 다이오드(PD1)가 빛에 노출되어 전하를 생성하며, 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하는 복수의 시간들(d1, d2, ? dn-1, dn) 각각이 경과할 때마다 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적될 수 있다. 복수의 시간들(d1, d2, ? dn-1, dn) 각각은 제1 포토 다이오드(PD1)가 포화되지 않는 시간으로 설정될 수 있다. 다만 실시예에 따라, 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하를 한 번에 제1 플로팅 디퓨전(FD1)으로 이동시킬 수도 있다.

복수의 시간들(d1, d2, ? dn-1, dn)의 개수 및 각각의 길이는 상용 LED의 동작 주파수 및 듀티 비 등을 고려하여 결정될 수 있다. 일례로, LED의 동작 주파수가 100Hz 내외이고 듀티 비가 10% 내외인 경우, 복수의 시간들(d1, d2, ? dn-1, dn)의 총합은 10msec 이하를 가지며, 복수의 시간들(d1, d2, ? dn-1, dn) 개수인 n은 10 이상으로 결정될 수 있다. 상기와 같이 복수의 시간들(d1, d2, ? dn-1, dn)을 설정함으로써, 복수의 시간들(d1, d2, ? dn-1, dn) 중 적어도 한 번은 LED의 턴-온 시간과 중첩될 수 있다. 따라서, 제1 포토 다이오드(PD1)가 턴-온된 LED의 빛에 응답하여 전하를 생성할 수 있으며, 펄스-폭-변조 방식으로 동작하는 LED의 빛을 정확히 검출할 수 있다.

마지막인 n 번째 시간 동안 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하가 제1 플로팅 디퓨전(FD1)으로 이동하기 전에, 이미지 센서는 제2 리셋 트랜지스터(RX2)를 턴-오프시키고 선택 트랜지스터(SX)를 턴-온시켜 제1 리셋 전압을 검출할 수 있다. 픽셀 회로의 칼럼 라인(Col)과 연결되는 칼럼 드라이버 및 리드아웃 회로는 칼럼 라인(Col)의 전압을 검출하기 위한 샘플-앤-홀드 회로를 포함할 수 있다. 샘플-앤-홀드 회로는 리셋 전압 검출 신호(SHR)가 하이(HIGH) 논리 값을 갖는 제1 시간(t1) 동안, 제1 리셋 전압을 검출할 수 있다.

일례로, 제1 시간(t1) 동안 샘플-앤-홀드 회로가 검출하는 리셋 전압은, 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 전압일 수 있다. 제1 플로팅 디퓨전(FD1)과 제2 플로팅 디퓨전(FD2)은, 동작 초기에 제1 및 제2 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2)이 동시에 턴-온됨에 따라 함께 리셋될 수 있다. 따라서, 제1 시간(t1) 동안 검출되는 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 전압을 제1 리셋 전압으로 선택할 수 있다.

제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하가 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 n 번째로 누적되면, 이미지 센서는 제1 리셋 트랜지스터(RX1)를 턴-온시켜 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적된 전하를 제2 플로팅 디퓨전(FD2)으로 이동시킬 수 있다. 동시에, 이미지 센서는 선택 트랜지스터(SX)를 턴-온시켜 칼럼 라인(Col)을 통해 제1 포토 다이오드(PD1)의 전하로부터 생성된 제1 픽셀 전압을 검출할 수 있다. 앞서 설명한 바와 유사하게, 샘플-앤-홀드 회로는, 픽셀 전압 검출 신호(SHS)가 하이 논리 값을 갖는 제2 시간(t2) 동안 픽셀 전압을 검출할 수 있다. 이미지 센서는, 제1 시간(t1) 및 제2 시간(t2) 각각에서 검출한 제1 리셋 전압과 제1 픽셀 전압의 차이를 계산하여 이미지를 생성하는 데에 필요한 제1 로우(RAW) 데이터를 생성할 수 있다.

한편, 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하를 복수 회에 걸쳐서 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적하는 동안, 제2 전송 트랜지스터(TX2)는 순서대로 턴-온 및 턴-오프될 수 있다. 일례로, 제2 전송 트랜지스터(TX2)가 턴-온되는 동안 제2 리셋 트랜지스터(RX2)가 함께 턴-온됨으로써 제2 포토 다이오드(PD2)에 존재하는 전하가 제거되고 제2 플로팅 디퓨전(FD2)이 리셋될 수 있다. 이후 제2 전송 트랜지스터(TX2)가 턴-오프되어 제2 포토 다이오드(PD2)와 제2 플로팅 디퓨전(FD2)이 서로 분리될 수 있다. 제2 전송 트랜지스터(TX2)는 제1 포토 다이오드(PD1)의 전하가 복수 회에 걸쳐서 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적되는 시간의 적어도 일부 동안 턴-오프될 수 있다. 제2 전송 트랜지스터(TX2)가 턴-오프되는 동안, 제2 포토 다이오드(PD2)가 빛을 받아들여 전하를 생성할 수 있다.

일례로 제2 포토 다이오드(PD2)는, 제1 노출 시간(de1) 동안 빛을 받아들여 전하를 생성할 수 있다. 제2 포토 다이오드(PD2)는 제1 포토 다이오드(PD1)보다 상대적으로 큰 면적을 가질 수 있으며, 따라서 제1 노출 시간(de1)은 제1 포토 다이오드(PD1)가 빛에 노출되는 복수의 시간들(d1, d2, ? dn-1, dn) 각각보다 길 수 있다. 일례로, 제1 노출 시간(de1)은 복수의 시간들(d1, d2, ? dn-1, dn)의 합보다 긴 시간으로 설정될 수 있다.

제1 노출 시간(de1)이 종료되기 전에, 리셋 전압 검출 신호(SHR)가 하이 논리 값을 갖는 제3 시간(t3) 동안, 이미지 센서는 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 전압을 제2 리셋 전압으로 검출할 수 있다. 도 5를 참조하면, 제3 시간(t3) 이전에 제2 리셋 트랜지스터(RX2)가 턴-온되어 제2 플로팅 디퓨전(FD2)이 리셋될 수 있다. 제3 시간(t3)은 제1 노출 시간(de1) 중의 시간으로 정의될 수 있으며, 제1 노출 시간(de1)이 종료되면 제2 전송 트랜지스터(TX2)를 턴-온시켜 제2 포토 다이오드(PD2)에 누적된 전하를 제2 플로팅 디퓨전(FD2)으로 옮길 수 있다.

이미지 센서는 제2 전송 트랜지스터(TX2)가 턴-오프된 후 제4 시간(t4) 동안 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 전압을 제2 픽셀 전압으로 검출할 수 있다. 이미지 센서는, 제3 시간(t3) 및 제4 시간(t4) 각각에서 검출한 제2 리셋 전압과 제2 픽셀 전압의 차이를 계산하여 이미지를 생성하는 데에 필요한 제2 로우 데이터를 생성할 수 있다. 제4 시간(t4)이 종료되면, 제2 전송 트랜지스터(TX2)를 턴-온시켜 제2 포토 다이오드(PD2)에 존재하는 전하를 제2 플로팅 디퓨전(FD2)으로 이동시킴으로써, 제2 포토 다이오드(PD2)의 전하를 제거할 수 있다. 이후, 제2 리셋 트랜지스터(RX2)를 턴-온시켜 제2 플로팅 디퓨전(FD2)를 리셋할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는, 제1 포토 다이오드(PD1)의 전하로부터 생성된 제1 픽셀 전압을 검출하기 전에, 제2 플로팅 디퓨전(FD2)으로부터 제1 리셋 전압을 검출할 수 있다. 또한, 제2 포토 다이오드(PD2)의 전하로부터 생성된 제2 픽셀 전압을 검출하기 전에, 제2 플로팅 디퓨전(FD2)으로부터 제2 리셋 전압을 검출할 수 있다. 즉, 제1 픽셀 전압과 제2 픽셀 전압을 각각 검출하기 전에, 제1 리셋 전압과 제2 리셋 전압을 검출할 수 있다.

따라서, 제1 픽셀 전압에 포함된 오프셋 및/또는 노이즈 성분 등이 제1 리셋 전압과 제1 픽셀 전압의 차이를 계산하여 제1 로우 데이터를 획득하는 과정에서 자연적으로 제거될 수 있다. 마찬가지로, 제2 픽셀 전압에 포함된 오프셋 및/또는 노이즈 성분 등이 제2 리셋 전압과 제2 픽셀 전압의 차이를 계산하여 제2 로우 데이터를 획득하는 과정에서 자연적으로 제거될 수 있다. 결과적으로, 상관 이중 샘플링을 이용하여 제1 로우 데이터와 제2 로우 데이터를 획득하는 과정에서 각각의 데이터에 포함될 수 있는 오프셋 및/또는 노이즈 성분이 제거될 수 있으므로, 이미지 데이터의 품질을 높이고 신호 대 잡음비 특성을 개선할 수 있다.

한편 이미지 센서는, 제4 시간(t4)이 경과한 후, 제1 노출 시간(de1)보다 짧은 제2 노출 시간(de2) 동안 제2 포토 다이오드(PD2)를 빛에 노출시킬 수 있으며, 제2 노출 시간(de2)에 포함되는 제5 시간(t5) 동안, 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 전압을 제3 리셋 전압으로 검출할 수 있다. 도 5를 참조하면, 제5 시간(t5)이 시작되기 전에, 제2 리셋 트랜지스터(RX2)를 턴-온시켜 제2 플로팅 디퓨전(FD2)을 리셋시킬 수 있다. 일례로, 제2 노출 시간(de2)은 복수의 시간들(d1, d2, ? dn-1, dn)의 합보다 짧은 시간으로 설정될 수 있다.

제2 노출 시간(de2)이 종료되면, 제2 전송 트랜지스터(TX2)를 턴-온시켜 제2 노출 시간(de2) 동안 제2 포토 다이오드(PD2)가 생성한 전하를 제2 플로팅 디퓨전(FD2)으로 옮길 수 있다. 이미지 센서는 제2 전송 트랜지스터(TX2)가 턴-오프된 후 제6 시간(t6) 동안 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 전압을 제3 픽셀 전압으로 검출할 수 있다. 이미지 센서는, 제5 시간(t5) 및 제6 시간(t6) 각각에서 검출한 제3 리셋 전압과 제3 픽셀 전압의 차이를 계산하여 이미지를 생성하는 데에 필요한 제3 로우 데이터를 생성할 수 있다.

일 실시예에서, 이미지 센서는 복수의 픽셀들 각각에서 획득한 제1 내지 제3 로우 데이터들을 조합하여 하나의 이미지를 얻을 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제1 내지 제3 로우 데이터들은 제1 및 제2 포토 다이오드들(PD1, PD2)를 서로 다른 노출 시간만큼 빛에 노출시켜 획득한 데이터들일 수 있다. 따라서, 제1 내지 제3 로우 데이터들을 조합하여 하나의 이미지를 획득함으로써, 이미지의 다이나믹 레인지 특성을 개선할 수 있다.

도 5를 참조하여 설명한 일 실시예에서는, 제1 포토 다이오드(PD1)를 이용하여 중간 노출 시간에 대응하는 제1 로우 데이터를 얻고, 제2 포토 다이오드(PD2)를 이용하여 긴 노출 시간 및 짧은 노출 시간 각각에 대응하는 제2 및 제3 로우 데이터들을 얻는 것을 가정하였으나, 반드시 이와 같은 형태로 한정되는 것은 아니다. 즉, 다양한 변형 실시예들에서, 제1 포토 다이오드(PD1)를 이용하여 긴 노출 시간 또는 짧은 노출 시간에 대응하는 로우 데이터를 획득할 수도 있을 것이다.

또한, 제1 로우 데이터는 플리커 현상이 발생하는 LED 등의 광원을 이미지에 정확히 반영하기 위한 데이터로 이용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 오버플로우 트랜지스터(OX)를 이용하여 제1 포토 다이오드(PD1)가 포화되는 것을 방지할 수 있으므로 주변 조도가 낮은 경우에도 LED 등의 광원의 빛을 정확히 검출할 수 있다. 또한, 하나의 픽셀 내에 제1 포토 다이오드(PD1)와 제2 포토 다이오드(PD2)를 배치하여 LED 등의 광원의 빛을 검출하기 위한 목적으로 제1 포토 다이오드(PD1)를 이용하고, 제2 포토 다이오드(PD2)의 전하를 이용하여 일반적인 이미지를 생성하므로, LED 등의 광원의 빛을 검출하기 위해 이미지의 프레임 레이트를 희생해야 하는 문제를 해결할 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.

도 6은 일반적인 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 일 실시예에서, LED는 펄스-폭-변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방식으로 동작할 수 있다. 따라서 도 6에 도시한 바와 같이, LED는 턴-온 시간(Ton)과 턴-오프 시간(Toff)을 갖는 주기(T)에 따라 동작할 수 있다.

먼저 도 6의 제1 케이스(case1)를 참조하면, 이미지 센서에 포함되는 포토 다이오드가 빛에 노출되는 노출 시간이 LED의 턴-온 시간(Ton)과 중첩되는지 여부에 따라 이미지 센서의 LED 감지 여부가 결정될 수 있다. 일례로 제1 케이스(case1)는 이미지 센서가 촬영하고자 하는 환경의 조도가 높은 경우에 해당할 수 있으며, 따라서 포토 다이오드의 노출 시간이 짧게 설정될 수 있다. 제1 케이스(case1)에서 제1 노출 시간(ex1)은 LED의 턴-온 시간(T1)과 중첩될 수 있으며, 제1 노출 시간(ex1) 동안 포토 다이오드에서 생성된 전하를 이용하여 LED의 빛을 정확히 감지할 수 있다.

반면, 제1 케이스(case1)에서 제2 노출 시간(ex2)은 LED의 턴-온 시간(T1)과 중첩되지 않을 수 있다. LED를 구동하는 PWM 방식에서 전체 주기(T)에 대한 턴-온 시간(Ton)의 비율을 나타내는 듀티 비는 100%가 될 수 없다. 따라서 높은 조도로 인해 노출 시간들(ex1, ex2)이 짧게 설정되는 제1 케이스(case1)에서는 제2 노출 시간(ex2)과 같이 포토 다이오드의 노출 시간이 LED의 턴-온 시간(T1)과 어긋나는 상황이 발생할 수 있다. 따라서, 제2 노출 시간(ex2) 동안 포토 다이오드에서 생성된 전하를 이용한 이미지로는, LED의 빛을 정확히 감지할 수가 없다.

다음으로 도 6의 제2 케이스(case2)는, 이미지 센서가 촬영하고자 하는 환경의 조도가 낮은 경우에 해당할 수 있다. 따라서, 도 6에 도시한 바와 같이 포토 다이오드의 노출 시간이 매우 길게 선택될 수 있다. 제2 케이스(case2)에서는 포토 다이오드가 길게 노출됨에 따라 포토 다이오드가 쉽게 포화될 수 있으며, 결과적으로 LED의 빛이 정확히 감지되지 않을 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 픽셀들을 포함하고, 복수의 픽셀들 각각이 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 제1 포토 다이오드는 제2 포토 다이오드에 비해 상대적으로 작은 면적을 가지며, LED 등과 같이 플리커 현상이 나타나는 광원을 감지하기 위한 목적으로 이용될 수 있다. 한편, 도 6에 도시한 일 실시예와 마찬가지로 LED는 펄스-폭-변조 방식으로 동작할 수 있으며, 하나의 주기(T) 내에서 턴-온 시간(Ton) 및 턴-오프 시간(Toff)을 가질 수 있다.

도 7을 참조하면, 제1 포토 다이오드(PD1)의 노출 시간은 LED의 턴-온 시간(Ton)보다 짧을 수 있다. 앞서 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 포토 다이오드(PD1)는 전송 트랜지스터와 오버플로우 트랜지스터의 온/오프 동작에 의해 포화되지 않을 수 있으며, 복수 회에 걸쳐서 빛에 노출되어 전하를 생성할 수 있다. 제1 포토 다이오드(PD1)가 생성한 전하는, 노출 시간이 끝날 때마다 플로팅 디퓨전에 누적될 수 있다. 따라서, 이미지 센서가 촬영하고자 하는 외부 환경의 조도와 관계없이 제1 포토 다이오드(PD1)의 포화를 방지할 수 있다. 또한, 제1 포토 다이오드(PD1)를 복수 회의 짧은 노출 시간 동안 빛에 노출시킴으로써, LED의 턴-온 시간(Ton)과 제1 포토 다이오드(PD1)의 노출 시간이 어긋나지 않도록 하여 플리커 현상이 발생하는 LED 등의 빛을 정확히 감지할 수 있다.

도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다. 도 8 내지 도 10은, 도 4에 도시한 일 실시예에 따른 픽셀 회로를 갖는 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램들일 수 있다.

먼저 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작은, 제1 리셋 트랜지스터(RX1) 및 제2 리셋 트랜지스터(RX2)가 턴-온되어 제1 플로팅 디퓨전(FD1)과 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 전압이 리셋되는 것으로 시작될 수 있다. 플로팅 디퓨전들(FD1, FD2)의 전압이 리셋되면, 제1 전송 트랜지스터(TX1)와 오버플로우 트랜지스터(OX)가 번갈아서 턴-온 및 턴-오프되면서 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하가 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적될 수 있다. 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 쌓이는 전하가 누설되지 않도록 제1 리셋 트랜지스터(RX1)는 턴-오프 상태를 유지할 수 있다. 반면, 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 전압이 충분히 리셋될 수 있도록, 제2 리셋 트랜지스터(RX2)는 턴-온 상태를 유지할 수 있다.

제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 전하가 누적되는 동안, 제2 전송 트랜지스터(TX2)는 턴-오프되고 제2 포토 다이오드(PD2)가 전하를 생성할 수 있다. 제2 포토 다이오드(PD2)는 제1 노출 시간(de1) 동안 전하를 생성한 후, 제2 전송 트랜지스터(TX2)의 턴-온 동작에 응답하여 전하를 제2 플로팅 디퓨전(FD2)으로 이동시킬 수 있다.

도 8에 도시한 일 실시예에서는, 제1 시간(t1) 동안 컨트롤러가 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적된 전하를 이용하여 제1 픽셀 전압을 획득할 수 있다. 컨트롤러는, 제1 시간(t1) 동안 획득한 제1 픽셀 전압과, 제2 시간(t2) 동안 획득한 리셋 전압의 차이를 이용하여 제1 로우 데이터를 생성할 수 있다. 또한 컨트롤러는, 제2 시간(t2) 동안 획득한 리셋 전압과, 제3 시간(t3) 동안 획득한 제2 픽셀 전압의 차이를 이용하여 제2 로우 데이터를 생성할 수 있다. 제2 시간(t2)과 제3 시간(t3) 사이에 턴-온되는 제2 전송 트랜지스터(TX2)에 의해 제2 포토 다이오드(PD2)의 전하가 제2 플로팅 디퓨전(FD2)으로 이동할 수 있으며, 컨트롤러는 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 전하를 이용하여 제2 픽셀 전압을 획득할 수 있다.

즉, 도 8에 도시한 일 실시예에서는, 제1 로우 데이터를 생성하기 위한 리셋 전압과, 제2 로우 데이터를 생성하기 위한 리셋 전압이 하나일 수 있다. 컨트롤러는 제1 픽셀 전압을 획득하기 전에 따로 리셋 전압을 검출하지 않을 수 있으며, 제1 픽셀 전압을 획득한 이후에 검출한 리셋 전압을 이용하여 제1 로우 데이터를 생성할 수 있다.

한편, 컨트롤러는, 제2 픽셀 전압을 획득하고 제2 포토 다이오드(PD2)를 리셋한 후, 제2 포토 다이오드(PD2)를 제2 노출 시간(de2) 동안 노출시킬 수 있다. 제2 노출 시간(de2) 동안 제2 포토 다이오드(PD2)에서 생성된 전하에 의해 제3 픽셀 전압이 제5 시간(t5) 동안 검출될 수 있다. 컨트롤러는, 제5 시간(t5)에 앞선 제4 시간(t4) 동안 획득한 리셋 전압과 제3 픽셀 전압의 차이를 이용하여 제3 로우 데이터를 생성할 수 있다. 제4 시간(t4) 동안 컨트롤러가 획득한 리셋 전압은, 제2 시간(t2) 동안 컨트롤러가 획득한 리셋 전압과 다를 수 있다. 컨트롤러는, 제1 로우 데이터, 제2 로우 데이터, 및 제3 로우 데이터를 이용하여 하나의 이미지를 생성할 수 있다.

다음으로 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작은, 제1 리셋 트랜지스터(RX1) 및 제2 리셋 트랜지스터(RX2)가 턴-온되어 제1 플로팅 디퓨전(FD1)과 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 전압이 리셋되는 것으로 시작될 수 있다. 도 9에 도시한 일 실시예에서는, 제1 리셋 트랜지스터(RX1)가 턴-오프된 후의 제1 시간(t1) 동안, 컨트롤러가 제1 리셋 전압을 획득할 수 있다. 제1 시간(t1)이 경과하면, 제1 전송 트랜지스터(TX1)와 오버플로우 트랜지스터(OX)가 번갈아서 턴-온 및 턴-오프되면서 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하가 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적될 수 있다.

즉, 도 9에 도시한 일 실시예에서는, 제1 포토 다이오드(PD1)가 빛에 노출되어 전하를 생성하기 이전에, 컨트롤러가 제1 리셋 전압을 획득할 수 있다. 제1 리셋 전압은 이미지 센서에 연결된 메모리에 저장될 수 있으며, 컨트롤러는 제2 시간(t2) 동안 획득한 제1 픽셀 전압과 제1 리셋 전압의 차이를 계산하여 제1 로우 데이터를 획득할 수 있다. 일례로, 제1 리셋 전압은 라인 메모리(line memory)에 저장될 수 있다.

도 10에 도시한 일 실시예는, 이미지의 다이나믹 레인지 개선과 관계없이, 플리커 현상이 나타나는 광원의 빛을 정확히 검출하기 위한 목적으로만 제1 포토 다이오드(PD1)를 활용하는 일 실시예에 대응할 수 있다. 도 10을 참조하면, 도 5를 참조하여 설명한 바와 유사하게, 제1 플로팅 디퓨전(FD1) 및 제2 플로팅 디퓨전(FD2)를 리셋한 후, 제2 포토 다이오드(PD2)에서 생성된 전하를 복수 회에 걸쳐서 제2 플로팅 디퓨전(FD2)에 누적할 수 있다. 이때, 제2 플로팅 디퓨전(FD2)에 전하가 누적되는 동안, 제2 리셋 트랜지스터(RX2)를 턴-오프시켜 제1 플로팅 디퓨전(FD1)과 제2 플로팅 디퓨전(FD2)을 분리시키고, 제1 포토 다이오드(PD1)가 빛에 노출되어 전하를 생성할 수 있다. 일례로 제1 포토 다이오드(PD1)는 소정의 노출 시간(de) 동안 전하를 생성할 수 있다.

제1 시간(t1) 및 제2 시간(t2) 각각에서 제2 플로팅 디퓨전(FD2)으로부터 검출되는 리셋 전압 및 픽셀 전압은, 제1 로우 데이터를 생성하는 데에 이용될 수 있다. 제1 로우 데이터는, 플리커 현상이 나타나는 광원의 빛을 정확히 검출하기 위한 목적으로 이용될 수 있다.

한편 제2 시간(t2)이 종료되면, 제1 리셋 트랜지스터(RX1)를 턴-온시켜 제1 플로팅 디퓨전(FD1)을 리셋하고, 제3 시간(t3) 및 제4 시간(t4) 각각에서 리셋 전압과 픽셀 전압을 검출할 수 있다. 제4 시간(t4)에서 검출되는 픽셀 전압은, 노출 시간(de) 동안 제1 포토 다이오드(PD1)에 누적된 전하의 양에 따른 제1 플로팅 디퓨전(FD1)의 전압일 수 있다. 이미지 센서는, 제3 시간(t3) 및 제4 시간(t4) 각각에서 검출한 리셋 전압과 픽셀 전압의 차이를 계산하여 제2 로우 데이터를 생성할 수 있다. 제2 로우 데이터는, 일반적인 이미지를 생성하는 데에 이용될 수 있다. 일례로, 이미지 센서가 제1 로우 데이터를 한 번 생성할 때, 제2 로우 데이터는 복수 회 생성될 수 있다. 따라서, 제1 로우 데이터 생성에 따른 이미지 프레임 레이트 저하를 최소화할 수 있다.

또한 도 10에 도시한 일 실시예는, 플리커 현상이 나타나는 광원에 대한 고려 없이, 이미지의 다이나믹 레인지를 개선하기 위한 목적으로만 제1 포토 다이오드(PD1)를 활용하는 일 실시예에 대응할 수도 있다. 이때 제1 로우 데이터는 상대적으로 짧은 노출 시간 동안 생성된 이미지 데이터일 수 있으며, 제2 로우 데이터는 상대적으로 긴 노출 시간 동안 생성된 이미지 데이터일 수 있다. 이미지 센서의 컨트롤러는, 제1 로우 데이터와 제2 로우 데이터를 이용하여 하나의 이미지를 생성함으로써, 이미지의 다이나믹 레인지를 개선할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 회로를 나타낸 회로도이다.

도 11에 도시한 일 실시예에 따른 픽셀 회로(300)는, 제1 픽셀 회로(310) 및 제2 픽셀 회로(320)를 포함할 수 있다. 제1 픽셀 회로(310)는 제1 포토 다이오드(PD1)가 생성하는 전하를 이용하여 전기 신호를 출력할 수 있으며, 제2 픽셀 회로(320)는 제2 포토 다이오드(PD2)가 생성하는 전하를 이용하여 전기 신호를 출력할 수 있다. 제1 픽셀 회로(310) 및 제2 픽셀 회로(320) 각각에 포함되는 트랜지스터들의 구성은, 도 4에 도시한 일 실시예와 유사할 수 있다.

다만, 도 4에 도시한 일 실시예와 달리, 도 11에 도시한 일 실시예에서는 제2 리셋 트랜지스터(RX2)가 제1 플로팅 디퓨전(FD1)과 제2 플로팅 디퓨전(FD2) 사이에 연결될 수 있다. 즉, 제2 플로팅 디퓨전(FD2)이 제1 리셋 트랜지스터(RX1)와 제2 리셋 트랜지스터(RX2) 사이에 연결될 수 있다. 이하, 도 12 내지 도 15를 참조하여, 도 11에 도시한 일 실시예에 따른 픽셀 회로(300)의 동작을 설명하기로 한다.

도 12 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.

먼저 도 12 내지 도 14에 도시한 실시예들에 따른 동작 방법에 의해서, 이미지 센서의 다이나믹 레인지를 개선함과 동시에, 플리커 현상이 나타나는 외부 광원을 정확히 표현하는 이미지를 생성할 수 있다. 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작은, 제1 리셋 트랜지스터(RX1) 및 제2 리셋 트랜지스터(RX2)가 턴-온되어 제1 플로팅 디퓨전(FD1)과 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 전압이 리셋되는 것으로 시작될 수 있다.

플로팅 디퓨전들(FD1, FD2)의 전압이 리셋되면, 제2 전송 트랜지스터(TX2)와 오버플로우 트랜지스터(OX)가 번갈아서 턴-온 및 턴-오프되면서 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하가 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적될 수 있다. 제1 플로팅 디퓨전(FD1)이 제1 리셋 트랜지스터(RX1)와 제2 리셋 트랜지스터(RX2) 사이에 배치되므로, 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 전하가 누적되는 동안 제1 리셋 트랜지스터(RX1)와 제2 리셋 트랜지스터(RX2)가 턴-오프 상태를 유지할 수 있다.

제1 포토 다이오드(PD1)에 의해 생성된 전하의 양에 대응하는 제1 로우 데이터를 생성하기 위하여, 이미지 센서는 제1 시간(t1) 및 제2 시간(t2) 각각에서 제1 리셋 전압 및 제1 픽셀 전압을 검출할 수 있다. 제1 시간(t1)과 제2 시간(t2) 각각은, 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하가 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 n 번째로 누적되기 전후에 정의될 수 있다. 또한, 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적된 전하가 제2 플로팅 디퓨전(FD2)을 통해 구동 트랜지스터(DX)에서 전압으로 변환되어야 하므로, 제2 시간(t2) 동안 제1 리셋 트랜지스터(RX1)가 턴-온될 수 있다.

도 11에 도시한 일 실시예에 따른 픽셀 회로(300)에서는, 제1 플로팅 디퓨전(FD1)이 제1 리셋 트랜지스터(RX1)와 제2 리셋 트랜지스터(RX2) 사이의 노드로 정의될 수 있다. 따라서, 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하가 복수 회에 걸쳐서 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적되는 동안, 제1 리셋 트랜지스터(RX1)가 턴-오프 상태를 유지해야 하며, 제2 포토 다이오드(PD2)가 빛에 노출되어 전하를 생성할 수 없다. 위와 같은 문제를 해결하기 위하여, 제2 시간(t2)이 경과한 후에 제2 전송 트랜지스터(TX2)와 제1 리셋 트랜지스터(RX1) 및 제2 리셋 트랜지스터(RX2)를 함께 턴-온시켜 제2 포토 다이오드(PD2) 및 제2 플로팅 디퓨전(FD2)을 리셋할 수 있다.

제2 포토 다이오드(PD2) 및 제2 플로팅 디퓨전(FD2)이 리셋되면, 이미지 센서는 제2 포토 다이오드(PD2)를 빛에 노출시키고 제2 전송 트랜지스터(TX2)를 턴-오프시켜 제2 포토 다이오드(PD2)가 전하를 생성하도록 제어할 수 있다. 제1 노출 시간(de1)이 종료하기 이전에, 이미지 센서는 제1 및 제2 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2)을 턴-오프시키고 제2 플로팅 디퓨전(FD2)으로부터 제2 리셋 전압을 검출할 수 있다. 제2 리셋 전압은, 리셋 전압 검출 신호(SHR)가 하이 논리 값을 갖는 제3 시간(t3) 동안 검출될 수 있다. 일례로, 제1 노출 시간(de1)은 복수의 시간들(d1, d2, ? dn-1, dn)의 합보다 긴 시간으로 설정될 수 있다.

제1 노출 시간(de1)이 종료되면, 이미지 센서는 제2 전송 트랜지스터(TX2)를 턴-온시켜 제2 포토 다이오드(PD2)에 누적된 전하를 제2 플로팅 디퓨전(FD2)으로 옮길 수 있다. 이미지 센서는 제2 전송 트랜지스터(TX2)가 턴-오프된 후 제4 시간(t4) 동안 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 전압을 제2 픽셀 전압으로서 검출할 수 있다. 이미지 센서는, 제3 시간(t3) 및 제4 시간(t4) 각각에서 검출한 제2 리셋 전압과 제2 픽셀 전압의 차이를 계산하여 이미지를 생성하는 데에 필요한 제2 로우 데이터를 생성할 수 있다.

제4 시간(t4)이 종료되면, 이미지 센서는 제2 노출 시간(de2) 동안 제2 포토 다이오드(PD2)를 빛에 노출시키고, 제5 시간(t5) 및 제6 시간(t6) 각각에서 제3 리셋 전압과 제3 픽셀 전압을 검출할 수 있다. 제2 노출 시간(de2)은 복수의 시간들(d1, d2, ? dn-1, dn)의 합보다 짧은 시간으로 설정될 수 있다. 이미지 센서는 제5 시간(t5) 및 제6 시간(t6) 각각에서 검출한 제3 리셋 전압과 제3 픽셀 전압의 차이를 계산하여 이미지를 생성하는 데에 필요한 제3 로우 데이터를 생성할 수 있다.

또한, 제1 로우 데이터는 플리커 현상이 발생하는 LED 등의 광원을 이미지에 정확히 반영하기 위한 데이터로 이용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 오버플로우 트랜지스터(OX)로 인해 제1 포토 다이오드(PD1)가 포화되는 것을 방지할 수 있으므로 주변 조도가 낮은 경우에도 LED 등의 광원의 빛을 정확히 검출할 수 있다. 또한, 하나의 픽셀 내에 LED 등의 광원의 빛을 검출하기 위한 목적으로 제1 포토 다이오드(PD1)를 마련하는 한편, 제2 포토 다이오드(PD2)를 이용하여 일반적인 이미지를 생성하므로, LED 등의 광원의 빛을 검출하기 위해 일반적인 이미지의 프레임 레이트를 희생해야 하는 문제를 해결할 수 있다.

도 13에 도시한 일 실시예에서는, 도 12에 도시한 일 실시예와 달리 제1 포토 다이오드(PD1)의 전하가 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적되는 동안 제1 리셋 전압이 검출되지 않을 수 있다. 컨트롤러는 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하가 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 n 번째로 누적된 후에 제1 시간(t1) 동안 제1 픽셀 전압을 획득할 수 있다. 컨트롤러는 제2 시간(t2) 동안 획득한 리셋 전압과, 제1 픽셀 전압의 차이를 계산하여 제1 로우 데이터를 획득할 수 있다.

또한 컨트롤러는, 제1 노출 시간(de1) 동안 제2 포토 다이오드(PD2)에서 생성된 전하에 의한 제2 픽셀 전압을 제3 시간(t3) 동안 획득할 수 있다. 컨트롤러는 제2 시간(t2) 동안 획득한 리셋 전압과 제2 픽셀 전압의 차이를 계산하여 제2 로우 데이터를 획득할 수 있다. 즉, 도 13에 도시한 일 실시예에서는, 제1 로우 데이터 및 제2 로우 데이터 각각을 획득하는 데에 필요한 리셋 전압이 하나일 수 있다.

도 14에 도시한 일 실시예에서는, 도 12에 도시한 일 실시예와 달리 제1 포토 다이오드(PD1)의 전하가 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적되기 전의 제1 시간(t1) 동안, 컨트롤러가 제1 리셋 전압을 획득할 수 있다. 컨트롤러는 제1 시간(t1) 동안 획득한 제1 리셋 전압을 별도의 메모리에 저장할 수 있으며, 이후 제2 시간(t2) 동안 획득한 제1 픽셀 전압과, 제1 리셋 전압의 차이를 계산하여 제1 로우 데이터를 생성할 수 있다. 제2 로우 데이터 및 제3 로우 데이터를 생성하는 방법은 앞서 도 12 및 도 13을 참조하여 설명한 실시예들과 같을 수 있다.

다음으로 도 15에 도시한 일 실시예는, 이미지의 다이나믹 레인지 개선과 관계없이, 플리커 현상이 나타나는 광원의 빛을 정확히 검출하기 위한 목적으로만 제1 포토 다이오드(PD1)를 활용하는 일 실시예에 대응할 수 있다. 도 15를 참조하면, 제1 플로팅 디퓨전(FD1) 및 제2 플로팅 디퓨전(FD2)를 리셋한 후, 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하를 복수 회에 걸쳐서 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적할 수 있다. 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 누적된 전하는 제1 리셋 트랜지스터(RX1)가 턴-온된 후 제2 플로팅 디퓨전(FD2)으로 이동될 수 있다.

제1 시간(t1) 및 제2 시간(t2) 각각에서 제2 플로팅 디퓨전(FD2)으로부터 검출되는 제1 리셋 전압 및 제1 픽셀 전압은, 제1 로우 데이터를 생성하는 데에 이용될 수 있다. 제1 로우 데이터는, 플리커 현상이 나타나는 광원의 빛을 정확히 검출하기 위한 목적으로 이용될 수 있다.

한편 제2 시간(t2)이 종료되면, 제1 리셋 트랜지스터(RX1) 및 제2 리셋 트랜지스터(RX2)를 턴-온시켜 제2 플로팅 디퓨전(FD2)을 리셋하고, 제3 시간(t3) 및 제4 시간(t4) 각각에서 리셋 전압과 픽셀 전압을 검출할 수 있다. 제4 시간(t4)에서 검출되는 픽셀 전압은, 노출 시간(de) 동안 제2 포토 다이오드(PD2)에 누적된 전하의 양에 따른 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 전압일 수 있다. 이미지 센서는, 제3 시간(t3) 및 제4 시간(t4) 각각에서 검출한 리셋 전압과 픽셀 전압의 차이를 계산하여 제2 로우 데이터를 생성할 수 있다. 제2 로우 데이터는, 일반적인 이미지를 생성하는 데에 이용될 수 있다. 일례로, 이미지 센서가 제1 로우 데이터를 한 번 생성할 때, 제2 로우 데이터는 복수 회 생성될 수 있다. 따라서, 제1 로우 데이터 생성에 따른 이미지 프레임 레이트 저하를 최소화할 수 있다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 기기를 간단하게 나타낸 블록도이다.

도 16에 도시한 실시예에 따른 컴퓨터 장치(1000)는 디스플레이(1010), 이미지 센서(1020), 메모리(1030), 프로세서(1040), 및 포트(1050) 등을 포함할 수 있다. 이외에 컴퓨터 장치(1000)는 유무선 통신 장치, 전원 장치 등을 더 포함할 수 있다. 도 16에 도시된 구성 요소 가운데, 포트(1050)는 컴퓨터 장치(1000)가 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하기 위해 제공되는 장치일 수 있다. 컴퓨터 장치(1000)는 일반적인 데스크톱 컴퓨터나 랩톱 컴퓨터 외에 스마트폰, 태블릿 PC, 스마트 웨어러블 기기 등을 모두 포괄하는 개념일 수 있다.

프로세서(1040)는 특정 연산이나 명령어 및 태스크 등을 수행할 수 있다. 프로세서(1040)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 마이크로프로세서 유닛(MCU)일 수 있으며, 버스(1060)를 통해 디스플레이(1010), 이미지 센서(1020), 메모리 장치(1030)는 물론, 포트(1050)에 연결된 다른 장치들과 통신할 수 있다.

메모리(1030)는 컴퓨터 장치(1000)의 동작에 필요한 데이터, 또는 멀티미디어 데이터 등을 저장하는 저장 매체일 수 있다. 메모리(1030)는 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같은 휘발성 메모리나, 또는 플래시 메모리 등과 같은 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 또한 메모리(1030)는 저장장치로서 솔리드 스테이트 드라이브(SSD), 하드 디스크 드라이브(HDD), 및 광학 드라이브(ODD) 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 입출력 장치(1020)는 사용자에게 제공되는 키보드, 마우스, 터치스크린 등과 같은 입력 장치 및 디스플레이, 오디오 출력부 등과 같은 출력 장치를 포함할 수 있다.

이미지 센서(1010)는 패키지 기판에 실장되어 버스(1060) 또는 다른 통신 수단에 의해 프로세서(1040)와 연결될 수 있다. 이미지 센서(1010)는 도 1 내지 도 15를 참조하여 설명한 다양한 실시예들에 따른 형태로 컴퓨터 장치(1000)에 채용될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

1, 2: 이미지 처리 장치
10: 이미지 센서
100: 픽셀 어레이
110: 픽셀
111, PD1: 제1 포토 다이오드
112, PD2: 제2 포토 다이오드
210, 310: 제1 픽셀 회로
220, 320: 제2 픽셀 회로

Claims

전하를 생성하여 제1 플로팅 디퓨전에 저장하는 제1 포토 다이오드;
상기 제1 포토 다이오드와 같은 픽셀에 포함되는 제2 포토 다이오드;
상기 제1 플로팅 디퓨전, 및 제2 플로팅 디퓨전을 갖는 픽셀 회로; 및
상기 제1 플로팅 디퓨전에 누적된 전하를 상기 제2 플로팅 디퓨전으로 이동시켜 제1 픽셀 전압을 검출한 후, 상기 제2 플로팅 디퓨전을 리셋하여 리셋 전압을 검출하며, 상기 제2 포토 다이오드의 전하를 상기 제2 플로팅 디퓨전으로 이동시켜 제2 픽셀 전압을 검출하는 컨트롤러; 를 포함하는 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 픽셀 회로는, 상기 제1 플로팅 디퓨전과 상기 제2 플로팅 디퓨전 사이에 연결되는 제1 리셋 트랜지스터, 및 상기 제2 플로팅 디퓨전과 전원 노드 사이에 연결되는 제2 리셋 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서.
제2항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 제1 리셋 트랜지스터 및 상기 제2 리셋 트랜지스터를 턴-온시켜 상기 제2 플로팅 디퓨전을 리셋하는 이미지 센서.
제2항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 제1 포토 다이오드가 상기 제1 플로팅 디퓨전에 전하를 저장하는 동안, 상기 제1 리셋 트랜지스터를 턴-오프시키는 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 제1 플로팅 디퓨전에 누적된 전하를 상기 제2 플로팅 디퓨전으로 이동시키기 전에, 상기 제2 플로팅 디퓨전을 리셋하여 제1 리셋 전압을 검출하고,
상기 리셋 전압을 제2 리셋 전압으로 결정하는 이미지 센서.
제5항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 제1 리셋 전압과 상기 제1 픽셀 전압의 차이를 이용하여 제1 로우(raw) 데이터를 생성하고, 상기 제2 리셋 전압과 상기 제2 픽셀 전압의 차이를 이용하여 제2 로우(raw) 데이터를 생성하며,
상기 제1 로우 데이터와 상기 제2 로우 데이터를 이용하여 이미지 데이터를 생성하는 이미지 센서.
제5항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 제1 리셋 전압을 검출한 후 상기 제1 플로팅 디퓨전과 상기 제2 플로팅 디퓨전 사이에 연결된 제1 리셋 트랜지스터를 턴-온시키는 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 리셋 전압과 상기 제1 픽셀 전압의 차이를 이용하여 제1 로우(raw) 데이터를 생성하고, 상기 리셋 전압과 상기 제2 픽셀 전압의 차이를 이용하여 제2 로우(raw) 데이터를 생성하며,
상기 제1 로우 데이터와 상기 제2 로우 데이터를 이용하여 이미지 데이터를 생성하는 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 픽셀 회로는, 상기 제1 포토 다이오드와 상기 제1 플로팅 디퓨전 사이에 연결되는 제1 전송 트랜지스터, 및 전원 전압을 공급하는 전원 노드와 상기 제1 포토 다이오드 사이에 연결되는 오버플로우 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서.
제9항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 제1 포토 다이오드가 상기 제1 플로팅 디퓨전에 전하를 저장하는 동안, 상기 제1 전송 트랜지스터와 상기 오버플로우 트랜지스터를 교대로 턴-온 및 턴-오프시키는 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 제1 포토 다이오드가 상기 제1 플로팅 디퓨전에 전하를 저장하는 동안, 상기 제2 포토 다이오드를 리셋하며, 리셋된 상기 제2 포토 다이오드가 전하를 생성하도록 제어하는 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 제1 픽셀 전압을 검출한 후, 상기 제2 포토 다이오드를 리셋하며, 리셋된 상기 제2 포토 다이오드가 전하를 생성하도록 제어하는 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 포토 다이오드가 빛에 노출되어 전하를 생성하는 시간은, 상기 제2 포토 다이오드가 빛에 노출되어 전하를 생성하는 시간보다 짧은
이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 제2 픽셀 전압을 검출한 후 상기 제2 포토 다이오드를 리셋하여 제3 리셋 전압을 검출하고, 리셋된 상기 제2 포토 다이오드가 생성한 전하를 상기 제2 플로팅 디퓨전으로 이동시켜 제3 픽셀 전압을 검출하는 이미지 센서.
제14항에 있어서,
리셋된 상기 제2 포토 다이오드가 전하를 생성하는 시간은, 상기 제1 포토 다이오드가 생성한 전하를 상기 제1 플로팅 디퓨전에 저장하는 시간보다 짧은 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 포토 다이오드의 수광 면적은 상기 제2 포토 다이오드의 수광 면적보다 작은 이미지 센서.
제1 포토 다이오드;
상기 제1 포토 다이오드와 같은 픽셀에 포함되는 제2 포토 다이오드;
제1 전송 트랜지스터를 통해 상기 제1 포토 다이오드에 연결되는 제1 플로팅 디퓨전, 제1 리셋 트랜지스터를 통해 상기 제1 플로팅 디퓨전에 연결되는 제2 플로팅 디퓨전, 및 상기 제1 포토 다이오드와 전원 노드 사이에 연결되는 오버플로우 트랜지스터를 갖는 픽셀 회로; 및
상기 오버플로우 트랜지스터와 상기 제1 전송 트랜지스터를 교대로 복수 회 턴-온 및 턴-오프시켜 상기 제1 포토 다이오드가 생성한 전하를 상기 제1 플로팅 디퓨전에 저장하며, 상기 제1 리셋 트랜지스터를 턴-온시켜 상기 제1 플로팅 디퓨전의 전하를 상기 제2 플로팅 디퓨전으로 이동시키고, 상기 제2 플로팅 디퓨전으로부터 제1 픽셀 전압을 검출하는 컨트롤러; 를 포함하는 이미지 센서.
제17항에 있어서,
상기 픽셀 회로는, 상기 전원 노드와 상기 제2 플로팅 디퓨전 사이에 연결되는 제2 리셋 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서.
제17항에 있어서,
상기 픽셀 회로는, 상기 전원 노드와 상기 제1 플로팅 디퓨전 사이에 연결되는 제2 리셋 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서.
제1 포토 다이오드;
상기 제1 포토 다이오드와 같은 픽셀에 포함되는 제2 포토 다이오드;
제1 전송 트랜지스터의 온/오프 동작에 의해 상기 제1 포토 다이오드가 생성하는 전하를 누적하는 제1 플로팅 디퓨전;
제2 전송 트랜지스터의 온/오프 동작에 의해 상기 제2 포토 다이오드가 생성하는 전하를 전달받는 제2 플로팅 디퓨전;
상기 제1 플로팅 디퓨전과 상기 제2 플로팅 디퓨전 사이에 연결되는 제1 리셋 트랜지스터;
전원 전압을 공급하는 전원 노드와 상기 제1 리셋 트랜지스터 사이에 연결되는 제2 리셋 트랜지스터; 및
상기 제1 포토 다이오드와 상기 전원 노드 사이에 연결되며, 상기 제1 포토 다이오드의 포화를 방지하는 오버플로우 트랜지스터; 를 포함하는 이미지 센서.