KR20200033318A - 광 센서에서 높은 세기의 광을 검출 - Google Patents

광 센서에서 높은 세기의 광을 검출 Download PDF

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Abstract

2개의 별개의 구성들이 낮은 광 조건들과 높은 광 조건들에서 광의 세기를 검출하기 위해 이용된다. 높은 광 조건들에서, 2개의 문턱 전압들이 설정되고, 2개의 문턱전압들에서의 센서 전압의 교차 사이의 시간이 높은 광 조건들에서의 광의 세기를 결정하기 위해 측정된다. 낮은 광 조건들에서, 비교기는, 시간이 지나면서 증가하는 기준 전압에 대해 센서 전압의 전압 레벨을 비교하는데 이용된다. 기준 전압이 센서 전압 레벨에 도달할 때의 시간은 낮은 광 조건들에서 광의 세기를 결정하기 위해 검출된다.

Description

광 센서에서 높은 세기의 광을 검출
본 개시내용은 일반적으로 광 센서들에 관한 것이며, 특히, 적층 어셈블리에서의 후면 조명 광 센서들에 관한 것이다.
광학 센서들은 광을 전자 신호로 변한하는 전자 검출기들이다. 사진 촬영에서, 셔터는, 장면의 영상을 포착하기 위해 광학 센서들을 광에 노출시키면서, 소정 기간의 시간동안 광이 통과하는 것을 허용하는 장치이다. 롤링 셔터(rolling shutter)는, 비디오의 각 프레임 또는 정지 화상이 수평 또는 수직 방향으로 빠르게 장면에 걸쳐 스캐닝함으로써 포착되는, 영상 포착의 방법이다. 즉, 모든 픽셀(pixel)은 동시에 포착되지 않으며, 상이한 로우들(rows)로부터의 픽셀들은 상이한 시간들에 포착된다. 롤링 셔터는 휴대폰 센서들에서 주로 사용된다. 머신 비전(machine vision)은, 그에 반해서, 모든 픽셀이 동시에 포착되는 글로벌 셔터(global shutter)를 사용한다.
대부분의 광학 센서들은 후면 조명(backside illumination)을 이용한다. 후면 조명된 센서는, 포착되는 광량을 증가시켜 낮은 광 성능을 개선하도록, 영상 요소들의 특정 배열을 이용하는 디지털 광학 센서의 한 종류이다. 전통적인 전면 조명된 디지털 카메라는, 렌즈가 앞에 있고 광검출기들이 뒤에 있어, 인간의 눈과 유사하게 구성된다. 센서의 이러한 배향(orientation)은, 디지털 카메라 센서의 능동(active) 매트릭스인, 개별 화상 요소들의 매트릭스를 그 전면에 배치하고, 제조를 단순화한다. 그러나, 매트릭스와 그 배선은 광의 일부를 반사하며, 포착되어 이용가능하게 되는 신호를 감소시킨다. 후면 조명된 센서는 동일한 요소들을 포함하지만, 제조시에 실리콘 웨이퍼를 뒤집고 그 다음에 그 반대면을 얇게 함(thinning)으로써, 광음극(photocathode) 층 뒤에 배선을 배열하여, 광은 배선층을 통과하지 않고서 광음극 층에 부딪칠수 있고, 그에 의해 입력 광자가 포착되는 기회를 개선한다.
그러나, 종래의 후면 조명된 센서들은, 광에 노출되었을 때, 더 높은 누설 전류를 가지는 경향이 있다. 또한, 광다이오드 충전 인자(fill factor) 또는 픽셀의 감광 면적 대 총 픽셀 면적의 비는 상대적으로 낮다. 큰 충전 인자가 이로운데, 픽셀 면적의 더 많은 부분이 광 수집에 이용되어, 신호 대 잡음비(SNR)와 동적 범위(dynamic range)를 동시에 개선하기 때문이다. 영상 센서의 동적 범위는 센서가 정확하게 포착할 수 있는 조명의 범위의 폭이 얼마나 되는지를 측정한다. 영상 센서의 동적 범위가 더 넓을수록, 낮은 광 조건들 하에서 더 많은 상세부분들이 보여질 수 있고, 따라서 영상 시스템이 더 다목적으로 된다. 영상 센서의 SNR은 신호와 그 연관된 잡음간의 비를 측정한다. 낮은 SNR을 가진 영상센서는 포착된 영상에 나타나는 더 많은 양의 잡음을 가질 것이다. 높은 SNR을 가진 영상 센서는 낮은 광 조건들에서 사용될 수 있다.
실시예들은 광 다이오드, 부유확산점(floating diffusion point), 및 광다이오드와 부유확산점간의 트랜지스터를 포함하는 광센서내의 픽셀에 관한 것이다. 트랜지스터의 게이트(gate)는, 문턱값 세기(threshold intensity)를 초과하는 노출 페이즈(exposure phase) 동안 광 다이오드 상에 입사하는 광의 세기에 응답하여, 광 다이오드로부터 부유확산점으로 전하를 전달하기 위해, 트랜지스터의 턴오프 전압과 트랜지스터의 턴온 전압 사이의 중간 전압으로 인가된다. 트랜지스터의 게이트는, 광 다이오드에서 부유확산점으로 전하를 전달하기 위해, 노출 페이즈에 후속하는 감지 페이즈(sensing phase)에서 턴온 전압으로 인가된다.
본 발명에 따른 실시예들은 특히, 광센서 내의 픽셀, 방법, 저장매체, 시스템, 및 컴퓨터 프로그램 제품을 겨냥한, 첨부된 청구항들에 개시되어 있고, 하나의 청구항 카테고리, 예를들어, 광센서내의 픽셀에서 언급된 임의의 특징은 다른 청구항 카테고리, 예를 들어, 방법에서도 청구될 수 있다. 첨부된 청구항들에서 뒤쪽의 종속항들 또는 인용항들은 형식적인 이유들로만 선택된다. 그러나, 임의의 이전 청구항들(특히, 다중 종속항들) 뒤쪽의 의도적인 인용항으로부터 발생되는 어떠한 주제도 또한 청구될 수 있어서, 청구항들과 그 특징들의 어떠한 조합도 개시되며, 첨부된 청구항들에서 선택된 종속항들과 상관없이 청구될 수 있다. 청구될 수 있는 주제는 첨부된 청구항들에서 제시된 특징들의 조합들 뿐 아니라, 청구항들에서의 특징들의 임의의 다른 조합을 포함할 수 있으며, 청구항들에서 언급된 각각의 특징은 청구항들에서의 임의의 다른 특징 또는 다른 특징들의 조합과 결합될 수 있다. 또한, 여기서 묘사되거나 서술된 특징들 및 실시예들중 어느 것도, 별개의 청구항에서 청구될 수 있거나/있고, 여기서 묘사되거나 서술된 임의의 실시예들 또는 특징과도 임의의 조합을 하거나 첨부된 청구항들의 특징들중 어느 것과도 임의의 조합을 하여 청구될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 광센서 내의 픽셀은, 광 다이오드, 부유확산점(floating diffusion point), 및 광다이오드와 부유확산점 간의 트랜지스터를 포함하고, 상기 트랜지스터의 게이트(gate)는, 문턱값 세기를 초과하는 노출 페이즈(exposure phase) 동안 광 다이오드 상에 입사하는 광의 세기에 응답하여, 광 다이오드로부터 부유확산점으로 전하를 전달하기 위해, 트랜지스터의 턴오프 전압과 트랜지스터의 턴온 전압 사이의 중간 전압으로 인가되고, 상기 트랜지스터의 게이트는, 광 다이오드에서 부유확산점으로 전하를 전달하기 위해, 노출 페이즈에 후속하는 감지 페이즈(sensing phase)에서 턴온 전압으로 인가된다.
광다이오드, 부유확산점, 및 트랜지스터는 제 1 기판의 일부분에 포함될 수 있다.
픽셀은, 도전성 라인에 연결된 회로를 포함하는 제 2 기판의 일부분으로서, 상기 회로는 부유확산점에서의 전압의 증폭된 버전을 나타내는 신호 전압이 제 1 문턱값에 도달할 때의 제 1 시간과, 신호 전압이 제 1 문턱값과는 상이한 제 2 문턱값에 도달할 때의 제 2 시간 사이의 시간차를 검출하고, 시간이 지나면서 증가하는 기준 전압(reference voltage)이 감지 페이즈 동안 신호 전압에 도달하는 시간을 검출하도록 구성된, 상기 제 2 기판의 일부분과; 신호 전압을 전송할 도전성 라인과 부유확산점 간의 픽셀 레벨 상호접속부(pixel level interconnect)를 더 포함할 수 있다.
제 1 기판은, 노출 페이즈 이후에 제 1 리셋 트랜지스터를 턴온하는 것에 응답하여 부유확산점에서의 전압을 리셋하도록 구성된 제 1 리셋 트랜지스터와; 부유확산점에 접속된 입력단자와 픽셀 레벨 상호접속부에 접속된 출력단자를 가지는 증폭기를 더 포함할 수 있다.
증폭기는 소스 폴로어 트랜지스터(source follower transistor)이다.
제 2 기판은, 픽셀 레벨 접속부에 접속된 입력 단자를 가지는 아날로그-디지털 컨버터(ADC); 및 픽셀 레벨 상호접속부에 연결된 전류 소스(current source)를 더 포함할 수 있다.
ADC는 제 1 기준 전압에 신호 전압이 대응되는 제 1 시간에서의 제 1 출력과, 제 1 기준 전압보다 낮은 제 2 기준 전압에 신호 전압이 대응되는 제 2 시간에서의 제 2 출력을 발생시키도록 구성된 비교기(comparator); 및 제 1 출력과 제 2 출력을 수신하도록 비교기에 연결된 카운터(counter)로서, 제 1 시간과 제 2 시간 사이의 클록 펄스들의 수를 계수하도록 구성된 상기 카운터를 포함할 수 있다.
전류 소스는 감지 페이즈(sensing phase)의 부분 동안에 바이어스 전압으로 인가된 게이트를 가지는 다른 트랜지스터를 포함할 수 있다.
부유확산점은 감지 페이즈 이후에 리셋 전압으로 리셋하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서, 픽셀을 작동시키는 방법은: 제 1 트랜지스터의 턴오프 전압과 트랜지스터의 턴온 전압 사이의 중간 전압을 노출 페이즈에서 제 1 트랜지스터의 게이트에 인가하는 단계; 노출 페이즈에 후속하는 감지 페이즈에서 제 1 트랜지스터의 게이트에 턴온 전압을 인가하는 단계; 및 문턱값 세기를 초과하는 노출 페이즈 동안 광다이오드 상에 입사하는 광의 세기에 응답하여 광다이오드로부터 제 1 기판 내의 부유확산점으로 전하를 전달하는 단계를 포함한다.
본 발명의 방법은 부유확산점에서의 전압의 증폭된 버전을 나타내는 신호전압을 픽셀 레벨 상호접속부에 의해서 제 1 기판으로부터 제 2 기판으로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 노출 페이즈 동안 제 2 기판 내의 회로에 의해 신호 전압에서 증가 또는 감소의 속도를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
회로는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함할 수 있다.
신호 전압에서 증가 또는 감소의 속도는, 제 1 문턱값에 신호 전압이 도달하는 제 1 시간과, 제 1 문턱값과 상이한 제 2 문턱값에 신호 전압이 도달하는 제 2 시간 사이의 시간차를 결정함으로써 검출될 수 있다.
시간차는, 제 1 기준 전압에 신호 전압이 대응되는 제 1 시간에서의 제 1 출력을 제 2 기판내의 비교기에 의해서 발생시키는 단계; 제 1 시간에서 비교기로부터 카운터로 제 1 출력을 전송하는 단계; 제 1 기준 전압보다 높은 제 2 기준 전압에 신호 전압이 대응되는 제 2 시간에 제 2 출력을 비교기에 의해 발생시키는 단계; 제 2 시간에 비교기로부터 카운터로 제 2 출력을 전송하는 단계; 및 제 1 시간과 제 2 시간 사이의 클록 펄스들의 수를 카운터에 의해 계수하는 단계에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 방법은 노출 페이즈 이후에 제 1 리셋 트랜지스터를 턴온하는 것에 응답하여 부유확산점에서의 전압을 리셋하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 감지 페이즈의 부분 동안에 전류 소스의 게이트에 바이어스 전압을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 감지 페이즈 이후에 부유확산점을 리셋하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 변화하는 기준 전압의 전압 레벨이, 감지 페이즈 동안에, 신호 전압의 전압 레벨과 일치하는 시간을 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 컴퓨터-판독가능 비-일시적 저장매체는 본 발명에 따른 시스템 또는 상기에 언급된 실시예들 중 임의의 실시예에서 수행하도록 실행될 때 작동가능한 소프트웨어를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 컴퓨터-수행된 방법은 본 발명에 따른 시스템 또는 상기에 언급된 실시예들중 임의의 실시예를 이용한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 바람직하게는 컴퓨터-판독가능 비-일시적 저장매체를 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품이 본 발명에 따른 시스템 또는 상기에 언급된 실시예들중 임의의 실시예에서 이용된다.
하나 또는 그 이상의 컴퓨터-판독가능 비-일시적 저장 매체는, 상기의 본 발명에 따른 시스템을 수행하도록 실행될 때 작동가능한, 소프트웨어를 포함한다.
컴퓨터-수행된 방법에서는, 상기의 본 발명에 따른 시스템이 이용된다.
컴퓨터-수행된 방법에서는, 상기의 본 발명에 따른 저장 매체가 이용된다.
도 1은, 일실시예에 따른, 광센서를 포함하는 전자 장치를 예시한 하이-레벨 블록도이다.
도 2는, 일실시예에 따른, 도 1의 광센서를 예시하는 개략도이다.
도 3은, 일실시예에 따른, 적층 구조에서의 광센서의 단면도이다.
도 4는, 일실시예에 따른, 광센서의 픽셀을 예시하는 회로도이다.
도 5 및 도 6은, 일실시예에 따른, 높은 세기의 광에 픽셀이 노출되는 노출 페이즈 동안의 전압 신호에서의 변화를 예시하는 그래프들이다.
도 7은, 일실시예에 따른, 감지 페이즈에서 전압 신호에서의 변화를 예시하는 그래프이다.
도 8은, 일실시예에 따른, 낮은 광 조건들과 높은 광 조건들에서 광의 세기를 검출하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
바람직한 실시예에 참조번호가 이제 상세히 붙여지는데, 그 예가 첨부된 도면들에서 예시된다. 가능할 때마다, 동일하거나 유사한 부분들을 언급하기 위해 도면들에 걸쳐 동일한 참조 번호들이 사용될 것이다.
실시예들은 2개의 기판들이 수직으로 적층되는 적층 광센서 어셈블리에 관한 것이다. 제 1 기판에서의 광 다이오드로부터 제 2 기판상의 회로로 신호를 제공하기 위해, 2개의 기판들이 픽셀 레벨에서 상호접속부들을 통해 접속된다. 제 1 기판내의 전하의 양에 대응되는 전압 신호가 제 2 기판에서 발생되고 처리된다. 2개의 별개의 구성들이 낮은 광 조건들 및 높은 광 조건들에서 광의 세기를 검출하는데 사용된다. 높은 광 조건들에서, 2개의 문턱 전압들이 설정되고, 2개의 문턱 전압들에서의 센서 전압의 교차 사이의 시간이 높은 광 조건들에서 광의 세기를 결정하기 위해 측정된다. 낮은 광 조건들에서, 비교기가 시간이 지남에 따라 증가하는 기준 전압에 대해 센서 전압의 전압 레벨을 비교하는데 이용된다. 기준 전압이 센서 전압 레벨에 도달하는 시간이, 낮은 광 조건들에서 광의 세기를 결정하기 위해, 검출된다.
시스템 아키텍처 예
도 1은 일실시예에 따른, 전자 장치(100)를 예시하는 하이-레벨 블록도이다. 일실시예에서, 전자 장치(100)는, 다른 구성요소들 중에서, 통신이 되게 연결된 광 센서(104)와 프로세서(102)를 포함한다. 전자 장치(100)는, 메모리와 다양한 다른 센서들과 같은, 도 1에 예시되지 않은 다른 구성요소들을 포함할 수 있다.
프로세서(102)는, 다른 것들 중에서, 영상들을 제공하는 데이터 소스(data source)상의 작동들(operations)을 수행하는 전자 회로이다. 데이터 소스는 센서 데이터(108)를 제공하는 광센서(104)를 포함할 수 있다. 프로세서(102)는 또한, 광센서(104)가 어떤 작동들을 수행하게 하도록 광센서(104)에 송신되는, 작동 지시들(106)을 발생시킨다. 프로세서(102)에 의해 수행되는 처리(processing)는 영상들의 품질을 개선하거나 영상들을 편집하기 위해 다양한 디지털 신호 처리를 포함할 수 있다.
광센서(104)는 광변환을 이용하여 픽셀 단위(pixel by pixel)에 기초해서 광센서(104)에 부딪치는 광의 세기를 측정하는 회로이다. 광의 세기를 측정하는 것은 픽셀 내의 광다이오드에 의해 광을 검출하는 것을 포함할 수 있다. 이에 응답하여, 픽셀은 검출된 광을 전압 또는 전류 신호로 광변환하는 것을 수행한다. 각각의 픽셀에서 검출된 광의 세기를 나타내는 전압 또는 전류 신호는 센서 데이터(108)로 디지털화되고, 프로세서(102)로 보내질 수 있다.
도 1에 예시되지는 않았지만, 전자 장치(100)는 센서 데이터(108)가 저장되는 메모리를 포함할 수 있다. 전자 장치(100)는 또한, 디스플레이 장치(예를 들어, 액정 디스플레이(LCD) 또는 유기발광다이오드(OLED) 디스플레이)상의 디스플레이를 위해 센서 데이터(108)를 송신하는 디스플레이 인터페이스를 포함할 수 있다.
도 2는, 일실시예에 따른, 광센서(104)를 예시하는 개략도이다. 광센서(104)는, 다른 구성요소들 중에서, 디지털 블록(202), 글로벌 카운터(203), 로우(row) 드라이버 및 글로벌 신호 드라이버 모듈(204), 모바일 인더스트리 프로세서 인터페이스(MIPI)(205), 카운터 버퍼들(206), 디지털 픽셀 어레이(207), 감지 증폭기들(sense amplifiers)(208), 라인 메모리(209), 파워 컨디셔너(210), 램프(ramp) 발생 및 버퍼 모듈(211), 그리고 감지 증폭 바이어싱 모듈(212)을 포함한다.
디지털 블록(202)은 광센서(104)의 작동과 연관된 디지털 신호들을 처리하는 회로이다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 디지털 블록(202)의 적어도 일부가, 디지털 픽셀 어레이(207)로부터 분리된 회로 대신에, 디지털 픽셀 어레이(207)의 일부로서 제공될 수 있다.
글로벌 카운터(203)는 캐스케이딩 플립-플롭(cascading flip-flop)들로 구성된 디지털 순차 논리 회로(digital sequential logic circuit)이고, 광센서(104)의 다양한 구성요소들에 카운터 신호들을 제공한다.
로우 드라이버 및 글로벌 신호 드라이버 모듈(204)은 스캔 라인들(도시되지 않음)을 통해 픽셀들의 로우(row)들에 신호들을 제공하는 회로이다. 픽셀들의 각각의 로우에 제공된 신호는 픽셀들의 각각의 로우에서의 작동들을 리셋하고/하거나 영상 신호의 감지를 표시한다.
MPIP(205)는 광센서(104)로부터의 센서 데이터(108)를 프로세서(102)에 전송하는 직렬 인터페이스이다. MIPI 인터페이스는 직렬 데이터를 전달하는 2개의 데이터 레인(data lane)들(도시되지 않음)과 단일 클록 레인(single clock lane)을 가진다. 이들 3개의 레인들은 신호들이 종종 차분(differential)인 배선들의 쌍들 상에서 신호들을 전달한다.
카운터 버퍼들(206)은 글로벌 카운터(203)로부터 카운터 신호들을 수신하고, 감지 및 리셋 작동들을 조정하기 위해 신호들을 디지털 픽셀 어레이(207)내의 픽셀들의 컬럼들에 송신하는 회로이다.
디지털 픽셀 어레이(207)는 복수의 픽셀들을 포함한다. 일실시예에서, 디지털 픽셀 어레이는, 로우 및 컬럼에 의해 어드레싱 가능한, 2차원으로 배열된다. 각각의 픽셀은 광을 감지하고 입력광의 세기에 대응되는 신호를 출력하도록 구성된다. 각각의 픽셀은 도 3을 참조하여 하기에 서술된 구성요소들을 포함할 수 있다.
감지 증폭기들(208)은 디지털 픽셀 어레이(207)로부터의 디지털 신호들을 판독하는데 사용되는 판독회로 내의 요소들이다. 감지 증폭기들(208)은 디지털 픽셀 어레이(207)내의 픽셀들에 의해 포착된 광의 세기를 나타내는 비트 라인(bit line)으로부터의 낮은 전력 신호들을 감지한다. 감지 증폭기들(208)은 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 이용하여 디지털 출력신호를 발생시킬 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 감지 증폭기들(208)의 적어도 일부가 디지털 픽셀 어레이(207)에 포함될 수 있다.
라인 메모리(209)는, 센서 데이터(108)와 같이 MIPI(205)를 통해 프로세서(102)에 디지털 값들을 송신하기 전에 감지 증폭기들(208)에 의해 감지되고 디지털 블록(202)에 의해 처리되는, 디지털 픽셀 어레이(207)에서 검출된 광의 세기의 감지된 디지털 값들을 일시적으로 저장한다.
파워 컨디셔너(210)는 광센서(104)의 구성요소들에 전달되는 전력의 품질을 개선하는 회로이다. 파워 컨디셔너(210)는 광센서(104)의 구성요소들이 적절하게 기능하게 허용하는 일정한 전압을 유지하고 전달할 수 있다. 일실시예에서, 파워 컨디셔너(210)는 사인 곡선인 AC 파형을 매끈하게 하는 AC 파워 컨디셔너이다. 대안의 실시예들에서, 파워 컨디셔너(210)는 전력선 컨디셔너에 접속된 구성요소들의 필요조건에 기초하여 전력을 받아들이고 수정하는 전력선 컨디셔너이다.
램프 발생기(ramp generator) 및 버퍼 모듈(buffers module)(211)은 램프 발생기와 버퍼들을 포함한다. 램프 발생기는 그 전압을 특정값으로 증가시키는 함수 발생기이다. 램프 발생기는 부하(load)를 변경할 때 충격(jolts)을 피하기 위해 사용될 수 있다. 버퍼들은 램프 발생기가 부하에 의해 영향받는 것을 방지하기 위해 하나의 회로에서 다른 회로로 전기적 임피던스 변환을 제공한다.
감지 증폭 바이어싱 모듈(212)은 감지 증폭기들(208)에 바이어싱 전압 신호를 제공한다. 바이어싱 전압 신호는 변동없는 DC 전압과 같은 감지 증폭기들(208)의 적절한 작동 조건들을 설정하기 위한 소정의 전압이다.
적층 광센서 어셈블리 예
도 3은 일실시예에 따른, 적층 광센서 어셈블리(300)를 예시하는 단면도이다. 일실시예에서, 적층 광 어셈블리는 제 2 기판(340)에 연결된 제 1 기판(310)을 포함한다. 제 1 기판(310)은, 다른 구성요소들 중에서, 제 1 의 n+ 확산 웰(312), 광 다이오드(314), 트랜지스터 AB(313), 트랜지스터 TX(316), 및 제 2 의 n+ 확산 웰(320)을 포함하고, 뒤집혀진, 후면 조명(302) 센서일 수 있다.
트랜지스터 AB(313)과 트랜지스터 TX(316) 각각은 활성층, 활성층에 연결된 드레인 전극, 트랜지스터 AB와 트랜지스터 TX 모두의 소스로서 작용하는 광다이오드(314), 활성층 위의 절연층, 및 게이트 전극(도시되지 않음)을 포함한다. 트랜지스터들 AB(313)와 트랜지스터 TX(316)의 게이트들에서의 전압 레벨을 제어함으로써, 트랜지스터들 AB(313)과 트랜지스터 TX(316)는 턴온 또는 턴오프될 수 있다. 이들 트랜지스터들의 게이트들은 디지털 픽셀 어레이(207) 외부의 회로들로부터 신호들을 수신한다.
제 1 의 n+ 확산 웰(312)은 제 1 기판(310)에 형성된 N 도핑된 임플란트 영역이다. 제 1 의 n+ 확산 웰(312)은, 트랜지스터 AB(313)가 비-노출시간들 동안 턴온될 때, 광다이오드(314)로부터 전달된 광전자들을 수용한다. 이것은 전통적인 필름 카메라에서의 닫혀진 셔터 모드와 동등한 것이다. 비-노출 시간들이 어떤 신호도 발생되지 않는 기간들이므로, 광다이오드(314)로부터 제 1 의 n+ 확산 웰(312)로의 광전자들의 전달은 어떤 광전자들도 광다이오드(314)상에 축적되지 않음을 보장한다. 제 1 의 n+ 확산 웰(312)은 통상적으로, 양의 전압 소스(positive voltage source), 예를 들어 VDD에 접속되어서, 광전자들이 빠져나간다. 필름 카메라에서 셔터 개방 모드와 동등한, 노출 시간 동안, 트랜지스터 AB(313)과 트랜지스터 TX(316) 모두는 턴오프되고, 광전자들은 초기에 광다이오드(314)내에 저장된다. 노출의 종료시에, 트랜지스터 TX(316)는 턴온된다. 그 결과로서, 광다이오드(314)에 저장된 전하는 제 2 의 n+ 확산 웰(320)로 전달된다.
광다이오드(314)는 광을 전기 전류로 변환하는 반도체 장치이다. 전류는 광자들이 광다이오드(314)에 흡수될 때 발생된다. 광다이오드(314)는 p-n 접합 또는 PIN 구조일 수 있다. 후면 조명(302)을 통한 광의 세기가 더 높을 때, 광다이오드(314)상에 축적된 전하의 양은 높다. 유사하게, 후면 조명(302)을 통한 광의 세기가 더 낮을 때, 광다이오드(314)상에 축적된 전하의 양은 낮다.
상호접속부(350)는 제 2 의 n+ 확산 웰(320)로부터 제 2 기판(340)내의 회로(342)로의 픽셀 레벨 직접 상호접속부(pixel level direct interconnect)일 수 있다. 몇가지 실시예들에서, 상호접속부(350)는 제 1 기판(310)내의 증폭기(도 3에 도시되지 않음)의 출력으로부터 제 2 기판(340)내의 회로(342)로의 픽셀 레벨 직접 상호접속부일 수 있다. 증폭기는 버퍼로서 작용하며 상호접속부(350)로부터 부유확산점을 격리(isolate)시키는데, 상호접속부(350)와 연관된 기생 캐패시턴스(parasitic capacitance)와 높은 누설전류가 있기 때문이다. 증폭기와 부유확산점은 상세히 도 4를 참조하여 하기에 서술되어 있다. 일실시예에서, 상호접속부(350)는 광다이오드(314)로부터 제 2 의 n+ 확산 웰(320)로 전달되는 전하의 양을 반영하는 전압 신호를 전송한다. 대안의 실시예들에서, 상호접속부(350)는 광다이오드(314)로부터 제 2 의 n+ 확산 웰(320)로 전달되는 전하의 양을 반영하는 전류 신호를 전송한다. 상호접속부(350)는 샘플링 및 아날로그-디지털 변환과 같은 추가 처리를 위해 회로(342)에 전압 신호를 전달한다. 또다른 실시예들에서, 적층 광센서 어셈블리(stacked photo sensor assembly)(300)는 제 2 기판(340)의 회로(342)에서 제 1 기판(310)으로 신호들을 또한 전송하는 부가적인 상호접속부들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터 AB(313)와 트랜지스터 TX(316)을 제어하기 위한 신호들은 이들 부가적인 상호접속부들을 통해 회로(342)로부터 전송될 수 있다.
실시예들은 종래의 광센서들 내의 제 1 기판(310)상에 제공된 다양한 회로 구성요소들을 제 2 기판(340)으로 이동시키고, 제 2 기판(340)의 회로들을 픽셀 레벨 상호접속부(350)를 통해서 제 1 기판(310)내의 구성요소들에 접속시킨다. 제 2 기판(340)으로 이동된 다양한 회로 구성요소들은, 다른 것들중에서, 스위치들, 증폭기들, 및 전류 소스를 포함할 수 있다. 이런 방식으로, 제 1 기판(310)내의 구성요소들에 의해 점유된 영역은 유리하게 감소될 수 있고, 충진 인자는 증가될 수 있다.
광센서의 픽셀의 회로 예
도 4는 일실시예에 따른 광센서(104)의 픽셀(400)을 예시하는 회로도이다. 도 4의 실시예에서, 제 1 기판(310)은, 다른 구성요소들 중에서, 광다이오드(314), 트랜지스터 TX, 제 1 리셋 트랜지스터 TRST1, 및 증폭기 TS를 포함한다. 기생 캐패시턴스는 트랜지스터 TX와 제 1 리셋 트랜지스터 TRST1 사이의 제 1 기판(310)내의 제 1 캐패시터 Cs1에 존재한다. 광다이오드(314)와 트랜지스터 TX의 작동은 도 3을 참조하여 상기에 서술되어 있다.
작동의 노출 페이즈 동안에, 트랜지스터 TX의 게이트 전압은, 트랜지스터 TX를 턴온하지도 턴오프하지도 않는, 중간 전압에서 유지된다. 구체적으로 말하면, 본 명세서에서 중간 전압은 0.3 V ~ 0.7 V를 언급하는 것이다. 이러한 범위에서, 광다이오드(314)에 축적된 전하는 부유확산점 FD로 이동할 수 있다. 중간전압은 트랜지스터 TX의 비활성전압과 활성전압 사이에 있는 전압을 언급하는 것이다. 트랜지스터 TX 게이트 아래의 전위(potential)는 광다이오드(314)와 부유확산점 FD사이의 장벽으로 작용한다. 트랜지스터 TX 게이트가 제로 또는 음의 전압에 접속된다면, 장벽은 높고, 더많은 전하가 광다이오드(314)내에 축적된다. 트랜지스터 TX 게이트가 전적인(very) 양의 전압(예를 들어, 2.5 V ~ 3.3 V)에 접속된다면, 트랜지스터 TX 게이트는 완전히 턴온되고 장벽은 없게 된다. 중간전압은 낮은 레벨 광에 의해 발생된 모든 전하가 광다이오드(314)내에 축적되는 중간장벽을 발생시키고, 반면에 밝은 광에 대해서는, 광다이오드(314)가 채워지면, 부유확산점 FD상에 축적되기 위해, 전하가 장벽을 넘어서 흐른다.
중간전압에 게이트 전압을 위치시킴으로써, 후면 조명(302)의 광의 세기가 어떤 문턱값을 초과할 때, 전하는 광다이오드(314)에서 제 2 의 n+ 확산 웰(320)로 이동한다. 후면 조명(302)의 광의 세기가 문턱값을 초과하지 않는다면, 전하는 제 2 의 n+ 확산 웰(320)로 전달되지 않고서 광다이오드(314)내에 축적된다. 반대로, 노출 페이즈 이후의 감지 페이즈에서, 광다이오드(314)내에 축적된 전하를 제 2 의 n+ 확산 웰(320)로 전달하기 위해서 트랜지스터 TX는 완전히 턴온된다.
부유확산점 FD에서의 전압 레벨은, 노출 페이즈동안 광다이오드(314)의 광 노출의 세기 및/또는 지속시간을 표시하는, 프록시(proxy)로서 작용을 한다. 부유확산점 FD는 제 2 의 n+ 확산 웰(well)(320)에 접속된다. 전하가 광다이오드(314)에서 트랜지스터 TX를 통해서 부유확산점 FD로 전달됨에 따라, 부유확산점 FD에서의 전압 레벨은 감소된다. 노출 페이즈 동안의 광다이오드(314)의 광 노출의 세기 및/또는 지속시간이 증가될 때, 부유확산점 FD에서의 전압 레벨은 또한 감소된다. 광다이오드(314)의 광 노출의 세기 및/또는 지속시간이, 트랜지스터 TX 게이트 중간 전압에 의해서 설정되는, 어떤 레벨 아래에 있는 경우, 부유확산점 FD에서의 전압 레벨은 광다이오드(314)에서 부유확산점 FD로 전달되는 전하가 없기 때문에 변하지 않을 것이다.
제 1 리셋 트랜지스터 TRST1이 턴온되었을 때, 제 1 리셋 트랜지스터 TRST1은 부유확산점 FD에서의 전압을 리셋하도록 기능한다. 제 1 리셋 트랜지스터 TRST1은, 노출과 감지의 각각의 싸이클 이후에, 리셋 신호 RST1이 제 1 리셋 트랜지스터 TRST1의 게이트에서 수신될 때, 턴온된다. 제 1 리셋 트랜지스터 TRST1의 드레인이 전압 소스(source) VDD에 접속된다. 제 1 리셋 트랜지스터 TRST1의 소스는 부유확산점 FD에 접속된다.
증폭기 TS는, 회로(342)에 전송되는 전압 신호 VSIG를 발생시키도록 그 게이트 신호를 증폭시키는, 소스 폴로워 증폭기(source follower amplifier)이다. 증폭기 TS의 게이트는 부유확산점 FD에 접속된다. 증폭기 TS의 드레인은 전압 소스 VDD에 접속된다. 증폭기 TS의 소스는 상호접속부(350)에 접속된다. 전압 신호 VSIG는, 부유확산점 FD에서의 전압레벨에 의해 정의된, 증폭기 TS의 소스 단자에서의 전압 레벨에 대응된다.
회로(342)는 제 2 기판(340)에서 제공된다. 회로는 상호접속부(350)을 통해서 전압 신호 VSIG를 수신하고, 전압 신호 VSIG를 처리하고, 광다이오드(314)이 노출되는 광의 지속시간 및/또는 세기를 표시하는 디지털 출력(432)을 발생시킨다.
회로(342)는, 다른 구성요소들 중에서, 트랜지스터 TCS, 비교기(410), 및 카운터(418)을 포함할 수 있다. 트랜지스터 TCS는 턴온될 때 전류 소스로서 작동한다. 일실시예에서, 전류 소스 TCS의 게이트는 픽셀 작동의 감지 페이즈들과 노출 페이즈들을 통해서 바이어스 전압 VBIAS의 펄스로 인가된다. 전류 소스 TCS의 드레인은 상호접속부(305)에 접속되고, 전류 소스 TCS의 소스는 접지된다. 기생 캐패시턴스는 전류 소스 TCS와 비교기(410) 사이의 제 2 기판(340)내의 제 2 캐패시터 Cs2에 존재한다.
광다이오드(314)에서 수신된 광의 세기가 문턱값 위에 있을 때, 트랜지스터 TX가 중간 전압에 위치하므로, 전하는 노출 페이즈 동안에 부유확산점 FD로 전달된다. 그 결과로서, 상호접속부(305)에서의 전압 신호 VSIG가 점진적으로 떨어지게 하면서, 증폭기 TS에서의 게이트 전압은 점진적으로 떨어진다(drop).
비교기(410)와 카운터(418)는 조합되어서, 전압 신호 VSIG에서 감소율을 나타내는 디지털 출력(432)을 생성하는, 싱글 슬로프(single-slope) 아날로그 디지털 컨버터(ADC)로서 작용을 하며, 이것은 결국 도 5 및 도 6을 참조하여 상세히 하기에 설명되어 있는 바와같이 광다이오드(314)상에 입사되는 광의 지속시간 및/또는 세기를 표시한다. 그 작동 이후에 비교기(410)은 리셋 신호 RST2를 카운터(418)에 제공함으로써 리셋될 수 있다. 리셋 신호 RST2를 카운터(418)에 제공하는 것은 카운터(418)에서의 계수된 값을 제로로 되돌려 리셋하게 된다.
비교기(410)은 전압신호 VSIG가 2개의 기준전압들에 도달하는 시간들을 검출한다. 이런 목적으로, 비교기(410)는 상호접속부(350)를 통해 제 1 단자에서 전압 신호 VSIG를 수신하고, 제 2 단자에서 제 1 기준전압 VREF1을 수신하고, 제 3 단자에서 제 2 기준전압 VREF2를 수신한다. 비교기(410)가 전압 신호 VSIG가 VREF1 또는 VREF2에 도달했음을 검출한 이후에 비교기(410)는 라인(428)에 대한 트리거링 신호(triggering signal)를 카운터(418)에 송신한다.
카운터(418)는 전압 신호 VSIG가 제 1 기준전압 VREF1으로부터 시작하여 제 2 기준전압 VREF2에 도달하기 위한 클록 사이클들의 수를 계수한다. 카운터(418)는 라인(428)에 의해 비교기(410)에 통신이 되게 연결되고, 클록 신호(434)와 리셋 신호 RST2를 수신하고, 디지털 출력(432)을 출력한다. 일실시예에서, 카운터(418)는 제 1 트리거링 신호를 수신하는 것에 응답하여 계수를 시작하고 제 2 트리거링 신호를 수신하는 것에 응답하여 계수를 중단한다. 카운터(418)에 의해 제공된 디지털 출력은 2진수 값일 수 있다. 디지털 출력은 VSIG의 기울기를 계산하는데 이용될 수 있고, 이것은 광다이오드 상에 입사하는 광의 세기에 직접 대응되는 것이다.
픽셀 작동 예
본 개시내용의 픽셀구조는 상이한 페이즈들(즉, 노출 페이즈 및 감지 페이즈)동안에 상이한 메커니즘들을 이용하여 높은 세기의 광과 낮은 세기의 광을 측정하도록 구성된다. 노출 페이즈 동안에, 픽셀 구조가 높은 세기의 광을 측정하고, 반면에 동일한 픽셀구조가 더 낮은 세기의 광을 측정한다.
도 5 및 도 6은 일실시예에 따라, 노출 페이즈 동안에 높은 광의 세기의 측정을 예시하는 그래프들이다. 노출 페이즈에서, 전압 신호 VSIG가 떨어짐에 따라서, 비교기(410)는 제 1 기준전압 VREF1과 제 2 기준전압 VREF2인 2개의 기준전압들에 대해서 전압 신호 VSIG를 비교한다. 전압 VSIG가 제 1 기준전압 VREF1에 도달할 때에, 비교기(410)는 시작하는 트리거 신호를 카운터(418)에 라인(428)을 통해서 송신하여서, 카운터(418)는 카운터(418)에서 수신된 클록 신호(434)에 기초하여 계수를 시작할 수 있다. 반대로, 전압 신호 VSIG가 제 2 기준전압 VREF2에 도달할 때, 비교기(410)는 계수를 중단시키기 위해서 중지 신호를 카운터(418)에 라인(428)을 통해서 송신한다. (카운터(418)에서의 계수된 값에 의해 표시되는) 비교기(410)에 의해 송신된 2개의 신호들간의 클록 사이클들의 수에 기초하여, 전압 신호 VSIG 라인의 기울기는 결정될 수 있다.
도 5의 예를 취하여, 전압 신호 VSIG는 점진적으로 떨어지고, 시간 T1에서 제 1 기준전압 VREF1에 도달하고, 그때 시간 T2에서 제 2 기준전압 VREF2에 도달한다. 후속하여, 전압신호 VSIG는 시간 T3에서, 부유확산점 FD에서의 제 1 캐패시터 Cs1이 완전히 포화됨과, 전압신호 VSIG가 너무 낮아서 증폭기 Ts에 의해서 판독될 수 없음을 표시하는, 포화전압 VSAT로 더 떨어진다. 기간 Tp는 T1과 T2사이의 시간차를 표시한다.
전압 신호 VSIG 라인의 기울기가 도 6에 도시된 바와같이 더 가파르다면(즉, 광다이오드 상에 입사되는 광의 세기가 더 크다면), 각각 시간 T1'과 T2'에서 전압신호 VSIG는 제1 기준전압 VREF1과 제2 기준전압 VREF2에 도달한다. T1'과 T2'은 도 5의 T1과 T2 보다 더 빠르다. 또한, T1'과 T2' 사이의 시간 기간 TP'은 도 5의 T1과 T2 사이의 시간 기간 TP보다 더 짧다.
전압신호 VSIG가 제 1 기준전압 VREF1으로 떨어지는 시간과 전압신호 VSIG가 제 2 기준전압 VREF2로 떨어지는 시간 사이의 시간차를 측정함으로써, 광다이오드(314)가 노출 페이즈의 종료전에 포화된다고 하더라도 광다이오드(314)에 입사되는 광의 세기는 결정될 수 있다.
실시예들은 주로 비교기(410)와 카운터(418)를 이용하는 것을 참조하여 상기에 주로 서술되었지만, 다양한 다른 종류의 회로들이 전압신호 VSIG의 기울기를 결정하는데 이용될 수 있다.
광다이오드(314)상에 입사되는 광의 세기가 문턱값을 초과하지 않을 때, 축적된 광은 광다이오드(314)에 남고, 노출 페이즈 동안 제 2 의 n+ 확산 웰(320)에 전달되지 않는다. 그러므로, 부유확산점 FD에서 전압에 남아있는 변화는 없고, 전압신호 VSIG에서의 어떠한 감소도 노출 페이즈 동안에 검출되지 않는다. 이 경우에, 노출 페이즈에 후속하는 감지 페이즈에서 트랜지스터 TX가 완전히 턴온된 이후에만, 전압신호 VSIG는 변화한다. 트랜지스터 TX가 턴온될 때 부유확산점 FD에서의 전압은 초기 리셋 전압 레벨로부터 어떤 레벨로 감소하고, 증폭기 Ts의 게이트 전압을 어떤 전압으로 설정을 한다. 그에 응답하여, 증폭기 Ts의 소스 단자는 어떤 전압 레벨에 도달한다.
도 7은 일실시예에 따라 증폭기 Ts가 감지 페이즈에서 턴온된 이후의 전압 신호 VSIG 레벨의 측정을 예시하는 그래프이다. 도 5 및 도 6과 대조하여, 상호접속부(350)에서의 전압신호 VSIG는 노출 페이즈에 후속하는 감지 페이즈에 걸쳐 상대적으로 안정되게 남아있다.
감지 페이즈에서, 비교기(410)에는 제 1 단자에서의 신호전압 VSIG와 제 2 단자에서의 제 3 기준전압 VREF3가 제공된다. 도 7의 실시예에서 VREF3는 최소인 예상되는 VSIG 값에서 최대인 VSIG 값으로 몰아가는 램프(ramp) 신호이다. 비교기(410)의 제 3 단자는 사용되지 않으며, 고 임피던스 상태에 위치되지 않는다. 감지 페이즈의 시작에서 카운터(418)는 턴온된다. 카운터(418)는 클록 신호(434)에 기초하여 구동하지만, 제 3 기준 전압 VREF3 신호는 점진적으로 증가된다. 제 3 기준 전압 VREF3 신호가 시간 T4에서 전압 신호 VSIG 에 도달할 때, 카운터(418)는 카운터(418)를 정지시키는 라인(428)을 통해 정지 신호를 생성한다. 카운터(418)의 카운터 값은 감지 페이즈의 시작 시간과 제 3 기준 전압 VREF3 신호가 전압 신호 VSIG 전압레벨에 도달하는 시간 사이의 시간 기간 TPU를 나타낸다. 전압 신호 VSIG가 더 높다면, 카운터 값도 더 높아질 것이다. 따라서, 감지 페이즈에서 카운터 값을 검출함으로써, 전압 신호 VSIG의 전압레벨이 결정될 수 있고, 이것은 결국 문턱값 레벨 아래의 광의 세기의 측정을 인에이블한다.
기준전압 VREF3는 신호 발생기(도시되지 않음)에 의해서 제공될 수 있다. 도 7의 실시예는 선형적으로 증가하는 기준전압 VREF3를 이용하지만, 기준전압 VREF3는 다른 실시예들에서 비선형적 방식으로 증가할 수 있다.
도 8은 일실시예에 따라 낮은 광 조건들과 높은 광 조건들에서 광의 세기를 검출하는 방법을 예시하는 도면이다. 중간전압은 트랜지스터 TX를 턴온하지도 않고 턴오프하지도 않는 노출 페이즈에서 트랜지스터 TX의 게이트에 인가된다(800).
게이트 전압을 중간 전압에 위치시킴으로써, 후면 조명의 광의 세기가 어떤 문턱값을 초과할 때에, 전하는 광다이오드로부터 제 2 의 n+ 확산 웰로 이동한다. 높은 광 조건들에서, 광다이오드에서 수신된 광의 세기는 문턱값 이상에 있다. 그 결과로서, 광다이오드로부터의 전하는 제 1 기판 내의 부유확산점 FD로 전달된다(812).
픽셀 레벨 상호접속부는 제 1 기판에서 제 2 기판으로 전압 신호 VSIG를 전송한다(816). 전압 신호 VSIG는 부유확산점 FD에서의 전압의 증폭된 버전을 나타낸다. 회로는 픽셀 레벨 상호접속부를 통해 전압신호 VSIG를 수신하고, 전압신호 VSIG를 처리하고, 광의 지속시간 및/또는 세기를 표시하는 디지털 출력을 발생시키며, 광다이오드는 그 광에 하기에 상세히 서술된 바와같이 노출된다.
제 2 기판내의 회로는 전압신호 VSIG가 제 1 문턱값에 도달하는 제 1 시간 T1과 전압신호 VSIG가 제 1 문턱값과 상이한 제 2 문턱값에 도달하는 제 2 시간 T2사이의 시간차 Tp를 검출한다(820). 제 2 기판 내의 비교기는 전압신호 VSIG가 제 1 기준전압 VREF1에 대응되는 제 1 시간 T1에서 제 1 출력을 발생시키고, 제 1 출력을 제 1 시간 T1에서 카운터에 전송한다. 비교기는 또한 전압신호 VSIG가 제 1 기준전압 VREF1 보다 높은 제 2 기준전압 VREF2에 대응되는 제 2 시간 T2에서 제 2 출력을 또한 발생시키고, 제 2 출력을 제 2 시간 T2에서 카운터에 전송한다. 카운터는 제 1 시간 T1과 제 2 시간 T2 사이의 클록 펄스들의 수를 계수한다.
노출 페이즈에 후속하는 감지 페이즈에서 턴온 전압은, 트랜지스터 TX를 포화상태로 위치시키기 위해서, 트랜지스터 TX의 게이트에 인가된다(824).
노출 페이즈 동안 광다이오드에 입사하는 광의 세기가 문턱값 세기를 초과할 때, 광다이오드로부터의 전하는 제 1 기판내의 부유확산점 FD에 전달된다(828). 광의 세기가 문턱값 세기를 초과하지 않는다면, 전하는 부유확산점 FD로 전달되지 않고 광다이오드내에 축적된다.
픽셀 레벨 상호접속부는 제 1 기판에서 제 2 기판으로 전압신호 VSIG를 전송한다(830). 회로는 시간이 지남에 따라 증가하는 기준전압 VREF1이 감지 페이즈동안 전압 신호 VSIG에 도달하는 시간을 검출한다(850). 전압신호 VSIG는 노출 페이즈에 후속하는 감지 페이즈에서 상대적으로 안정하게 남게 된다. 비교기에는 전압신호 VSIG와 제 1 기준전압 VREF1이 제공된다. 감지 페이즈의 시작에서, 카운터는 턴온된다. 카운터는 클록 신호에 기초하여 구동하지만, 제 1 기준전압 VREF1은 점진적으로 증가된다. 제 1 기준전압 VREF1이 시간 T4에서 전압신호 VSIG에 도달할 때, 카운터는 카운터를 정지시키는 라인을 통해서 래치(latch) 신호를 생성한다
본 명세서에서 사용된 언어는 읽기 쉬우며 교육용인 목적들로 주로 선택되었고, 발명의 주제를 상세히 묘사하거나 제한하기 위해서는 선택되지 않았을 수 있다. 그러므로, 본 특허권리들의 범위는 이러한 상세한 서술에 의해 한정되지 않으며, 그에 기초하여 출원에서 발표되는 임의의 청구항들에 의해 한정되는 것이다. 따라서, 실시예들의 본 개시내용은 예시적인 것으로 의도되며, 이것은 다음의 청구항들에서 제시된 본 특허권리들의 범위를 한정하는 것은 아니다.

Claims (33)

  1. 광센서 내의 픽셀로서,
    광다이오드와,
    부유확산점(floating diffusion point)과,
    상기 광다이오드와 상기 부유확산점 간의 트랜지스터를 포함하고, 상기 트랜지스터의 게이트(gate)는, 문턱값 세기를 초과하는 노출 페이즈(exposure phase) 동안 상기 광 다이오드 상에 입사하는 광의 세기에 응답하여, 상기 광 다이오드로부터 상기 부유확산점으로 전하를 전달하기 위해, 상기 트랜지스터의 턴오프 전압과 상기 트랜지스터의 턴온 전압 사이의 중간 전압으로 인가되고, 상기 트랜지스터의 게이트는, 상기 광 다이오드에서 상기 부유확산점으로 전하를 전달하기 위해, 상기 노출 페이즈에 후속하는 감지 페이즈(sensing phase)에서 턴온 전압으로 인가되는, 광센서 내의 픽셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광다이오드, 상기 부유확산점, 및 상기 트랜지스터는 제 1 기판의 일부분에 포함되는, 광센서 내의 픽셀.
  3. 제 2 항에 있어서,
    도전성 라인에 연결된 회로를 포함하는 제 2 기판의 일부분으로서,
    상기 회로는 부유확산점에서의 전압의 증폭된 버전을 나타내는 신호 전압이 제 1 문턱값에 도달할 때의 제 1 시간과, 상기 신호 전압이 제 1 문턱값과는 상이한 제 2 문턱값에 도달할 때의 제 2 시간 사이의 시간차를 검출하고,
    시간이 지나면서 증가하는 기준 전압(reference voltage)이 감지 페이즈 동안 상기 신호 전압에 도달하는 시간을 검출하도록 구성된, 상기 제 2 기판의 일부분과;
    상기 신호 전압을 전송할 도전성 라인과 부유확산점 간의 픽셀 레벨 상호접속부(pixel level interconnect)를 더 포함하는, 광센서 내의 픽셀.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 기판은,
    상기 노출 페이즈 이후에 상기 제 1 리셋 트랜지스터를 턴온하는 것에 응답하여 상기 부유확산점에서의 전압을 리셋하도록 구성된 제 1 리셋 트랜지스터와;
    상기 부유확산점에 접속된 입력단자와 상기 픽셀 레벨 상호접속부에 접속된 출력단자를 가지는 증폭기를 더 포함하는, 광센서 내의 픽셀.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 증폭기는 소스 폴로어 트랜지스터(source follower transistor)인, 광센서 내의 픽셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 기판은,
    상기 픽셀 레벨 접속부에 접속된 입력 단자를 가지는 아날로그-디지털 컨버터(ADC); 및
    상기 픽셀 레벨 상호접속부에 연결된 전류 소스(current source)를 더 포함하는, 광센서 내의 픽셀.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 ADC는,
    비교기(comparator)로서, 제 1 기준 전압에 상기 신호 전압이 대응되는 제 1 시간에서의 제 1 출력과, 상기 제 1 기준 전압보다 낮은 제 2 기준 전압에 상기 신호 전압이 대응되는 제 2 시간에서의 제 2 출력을 발생시키도록 구성된, 상기 비교기; 및
    상기 제 1 출력과 상기 제 2 출력을 수신하도록 상기 비교기에 연결된 카운터(counter)로서, 상기 제 1 시간과 상기 제 2 시간 사이의 클록 펄스들의 수를 계수하도록 구성된, 상기 카운터를 포함하는, 광센서 내의 픽셀.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 전류 소스는 상기 감지 페이즈의 부분 동안에 바이어스 전압으로 인가된 게이트를 가지는 다른 트랜지스터를 포함하는, 광센서 내의 픽셀.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 부유확산점은 상기 감지 페이즈 이후에 리셋 전압으로 리셋하도록 구성되는, 광센서 내의 픽셀.
  10. 픽셀을 작동시키는 방법으로서:
    제 1 트랜지스터의 턴오프 전압과 트랜지스터의 턴온 전압 사이의 중간 전압을 노출 페이즈에서 제 1 트랜지스터의 게이트에 인가하는 단계;
    노출 페이즈에 후속하는 감지 페이즈에서 제 1 트랜지스터의 게이트에 턴온 전압을 인가하는 단계; 및
    문턱값 세기를 초과하는 노출 페이즈 동안 광다이오드 상에 입사하는 광의 세기에 응답하여 광다이오드로부터 제 1 기판 내의 부유확산점으로 전하를 전달하는 단계를 포함하는, 픽셀 작동 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    부유확산점에서의 전압의 증폭된 버전을 나타내는 신호 전압을 픽셀 레벨 상호접속부에 의해서 상기 제 1 기판으로부터 상기 제 2 기판으로 전송하는 단계를 더 포함하는, 픽셀 작동 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 노출 페이즈 동안 상기 제 2 기판 내의 회로에 의해 상기 신호 전압에서 증가 또는 감소의 속도를 검출하는 단계를 더 포함하는, 픽셀 작동 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 회로는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함하는, 픽셀 작동 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 신호 전압에서 증가 또는 감소의 속도는, 제 1 문턱값에 상기 신호 전압이 도달하는 제 1 시간과, 제 1 문턱값과 상이한 제 2 문턱값에 상기 신호 전압이 도달하는 제 2 시간 사이의 시간차를 결정함으로써 검출되는, 픽셀 작동 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 시간차는,
    제 1 기준 전압에 상기 신호 전압이 대응되는 제 1 시간에서의 제 1 출력을 상기 제 2 기판내의 비교기에 의해서 발생시키는 단계;
    제 1 시간에서 상기 비교기로부터 카운터로 상기 제 1 출력을 전송하는 단계;
    상기 제 1 기준 전압보다 높은 제 2 기준 전압에 상기 신호 전압이 대응되는 제 2 시간에 제 2 출력을 상기 비교기에 의해 발생시키는 단계;
    상기 제 2 시간에 상기 비교기로부터 상기 카운터로 상기 제 2 출력을 전송하는 단계; 및
    상기 제 1 시간과 상기 제 2 시간 사이의 클록 펄스들의 수를 상기 카운터에 의해 계수하는 단계에 의해 결정되는, 픽셀 작동 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 노출 페이즈 이후에 제 1 리셋 트랜지스터를 턴온하는 것에 응답하여 상기 부유확산점에서의 전압을 리셋하는 단계를 더 포함하는, 픽셀 작동 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 감지 페이즈의 부분 동안에 전류 소스의 게이트에 바이어스 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는, 픽셀 작동 방법.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 감지 페이즈 이후에 부유확산점을 리셋하는 단계를 더 포함하는, 픽셀 작동 방법.
  19. 제 10 항에 있어서,
    변화하는 기준 전압의 전압 레벨이, 감지 페이즈 동안에, 신호 전압의 전압 레벨과 일치하는 시간을 검출하는 단계를 더 포함하는, 픽셀 작동 방법.
  20. 광센서 내의 픽셀로서,
    광다이오드와,
    부유확산점과,
    상기 광다이오드와 상기 부유확산점 간의 트랜지스터를 포함하고, 상기 트랜지스터의 게이트(gate)는, 문턱값 세기를 초과하는 노출 페이즈 동안 상기 광 다이오드 상에 입사하는 광의 세기에 응답하여, 상기 광 다이오드로부터 상기 부유확산점으로 전하를 전달하기 위해, 상기 트랜지스터의 턴오프 전압과 상기 트랜지스터의 턴온 전압 사이의 중간 전압으로 인가되고, 상기 트랜지스터의 게이트는, 상기 광 다이오드에서 상기 부유확산점으로 전하를 전달하기 위해, 상기 노출 페이즈에 후속하는 감지 페이즈에서 턴온 전압으로 인가되는, 광센서 내의 픽셀.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 광다이오드, 상기 부유확산점, 및 상기 트랜지스터는 제 1 기판의 일부분에 포함되는, 광센서 내의 픽셀.
  22. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    도전성 라인에 연결된 회로를 포함하는 제 2 기판의 일부분으로서,
    상기 회로는 부유확산점에서의 전압의 증폭된 버전을 나타내는 신호 전압이 제 1 문턱값에 도달할 때의 제 1 시간과, 상기 신호 전압이 제 1 문턱값과는 상이한 제 2 문턱값에 도달할 때의 제 2 시간 사이의 시간차를 검출하고,
    시간이 지나면서 증가하는 기준 전압이 감지 페이즈 동안 상기 신호 전압에 도달하는 시간을 검출하도록 구성된, 상기 제 2 기판의 일부분과;
    상기 신호 전압을 전송할 도전성 라인과 부유확산점 간의 픽셀 레벨 상호접속부를 더 포함하고,
    바람직하게는, 상기 제 1 기판은,
    상기 노출 페이즈 이후에 상기 제 1 리셋 트랜지스터를 턴온하는 것에 응답하여 상기 부유확산점에서의 전압을 리셋하도록 구성된 제 1 리셋 트랜지스터와;
    상기 부유확산점에 접속된 입력단자와 상기 픽셀 레벨 상호접속부에 접속된 출력단자를 가지는 증폭기를 더 포함하고,
    바람직하게는, 상기 증폭기는 소스 폴로어 트랜지스터인, 광센서 내의 픽셀.
  23. 제 20 항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 기판은,
    상기 픽셀 레벨 접속부에 접속된 입력 단자를 가지는 아날로그-디지털 컨버터(ADC); 및
    상기 픽셀 레벨 상호접속부에 연결된 전류 소스(current source)를 더 포함하고,
    바람직하게는, 상기 ADC는,
    비교기(comparator)로서, 제 1 기준 전압에 상기 신호 전압이 대응되는 제 1 시간에서의 제 1 출력과, 상기 제 1 기준 전압보다 낮은 제 2 기준 전압에 상기 신호 전압이 대응되는 제 2 시간에서의 제 2 출력을 발생시키도록 구성된, 상기 비교기; 및
    상기 제 1 출력과 상기 제 2 출력을 수신하도록 상기 비교기에 연결된 카운터(counter)로서, 상기 제 1 시간과 상기 제 2 시간 사이의 클록 펄스들의 수를 계수하도록 구성된, 상기 카운터를 포함하고,
    바람직하게는, 상기 전류 소스는 상기 감지 페이즈의 부분 동안에 바이어스 전압으로 인가된 게이트를 가지는 다른 트랜지스터를 포함하는, 광센서 내의 픽셀.
  24. 제 20 항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부유확산점은 상기 감지 페이즈 이후에 리셋 전압으로 리셋하도록 구성되는, 광센서 내의 픽셀.
  25. 픽셀을 작동시키는 방법으로서:
    제 1 트랜지스터의 턴오프 전압과 트랜지스터의 턴온 전압 사이의 중간 전압을 노출 페이즈에서 제 1 트랜지스터의 게이트에 인가하는 단계;
    노출 페이즈에 후속하는 감지 페이즈에서 제 1 트랜지스터의 게이트에 턴온 전압을 인가하는 단계; 및
    문턱값 세기를 초과하는 노출 페이즈 동안 광다이오드 상에 입사하는 광의 세기에 응답하여 광다이오드로부터 제 1 기판 내의 부유확산점으로 전하를 전달하는 단계를 포함하는, 픽셀 작동 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    부유확산점에서의 전압의 증폭된 버전을 나타내는 신호 전압을 픽셀 레벨 상호접속부에 의해서 상기 제 1 기판으로부터 상기 제 2 기판으로 전송하는 단계를 더 포함하는, 픽셀 작동 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 노출 페이즈 동안 상기 제 2 기판 내의 회로에 의해 상기 신호 전압에서 증가 또는 감소의 속도를 검출하는 단계를 더 포함하는, 픽셀 작동 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 회로는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함하는, 픽셀 작동 방법.
  29. 제 27 항 또는 제 28항에 있어서,
    상기 신호 전압에서 증가 또는 감소의 속도는, 제 1 문턱값에 상기 신호 전압이 도달하는 제 1 시간과, 제 1 문턱값과 상이한 제 2 문턱값에 상기 신호 전압이 도달하는 제 2 시간 사이의 시간차를 결정함으로써 검출되고,
    선택적으로, 상기 시간차는,
    제 1 기준 전압에 상기 신호 전압이 대응되는 제 1 시간에서의 제 1 출력을 상기 제 2 기판내의 비교기에 의해서 발생시키는 단계;
    제 1 시간에서 상기 비교기로부터 카운터로 상기 제 1 출력을 전송하는 단계;
    상기 제 1 기준 전압보다 높은 제 2 기준 전압에 상기 신호 전압이 대응되는 제 2 시간에 제 2 출력을 상기 비교기에 의해 발생시키는 단계;
    상기 제 2 시간에 상기 비교기로부터 상기 카운터로 상기 제 2 출력을 전송하는 단계; 및
    상기 제 1 시간과 상기 제 2 시간 사이의 클록 펄스들의 수를 상기 카운터에 의해 계수하는 단계에 의해 결정되는, 픽셀 작동 방법.
  30. 제 25 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노출 페이즈 이후에 제 1 리셋 트랜지스터를 턴온하는 것에 응답하여 상기 부유확산점에서의 전압을 리셋하는 단계를 더 포함하는, 픽셀 작동 방법.
  31. 제 25 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 페이즈의 부분 동안에 전류 소스의 게이트에 바이어스 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는, 픽셀 작동 방법.
  32. 제 25 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 페이즈 이후에 부유확산점을 리셋하는 단계를 더 포함하는, 픽셀 작동 방법.
  33. 제 25 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    변화하는 기준 전압의 전압 레벨이, 감지 페이즈 동안에, 신호 전압의 전압 레벨과 일치하는 시간을 검출하는 단계를 더 포함하는, 픽셀 작동 방법.
KR1020207005921A 2017-08-17 2018-08-09 광 센서에서 높은 세기의 광을 검출 KR20200033318A (ko)

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