KR100279295B1 - 액티브 픽셀 센서 - Google Patents

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Abstract

여기에 개시되는 액티브 픽셀 센서는 보상 회로를 포함한다. 상기 보상 회로는 포토 다이오드가 리셋 트랜지스터에 의해서 초기화된 후 빛에 노출되기 이전에 누설 전류 (또는, 다크 전류)로 인해 감소되는 상기 포토 다이오드의 전압을 보상한다. 따라서, 액티브 픽셀 센서의 다크 전류 (또는, 누설 전류)가 감소될 수 있고, 그것에 의해서 전기적인 신호 또는 전기적인 영상 신호의 노이즈가 감소될 수 있다.

Description

액티브 픽셀 센서(ACTIVE PIXEL SENSOR)
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 구체적으로는 상보 금속-산화물-반도체(complementary metal-oxide-semiconductor; CMOS) 액티브 픽셀 센서(active pixel sensor; APS)에 관한 것이다.
일반적으로, 고체 촬상 소자 (solid state device)로서 사용되는 전하 결합 소자 (charge coupled device; CCD)는 화질면에서 우수한 특성을 나타낸다. 하지만, 그러한 우수한 특성에도 불구하고 그것의 단점 역시 존재한다. 고체 촬상 소자들 중에서 일반적인 모오스 트랜지스터를 이용한 픽셀 (pixel)이 CCD에 비해서 상대적으로 많은 장점이 있지만, 화질 및 집적도 면에서는, CCD가 더 우수하다.
최근, 신호를 처리하기 위한 칩 (signal processing chip) 및 이미지 센서 칩 (image sensor chip)이 단일의 집적 회로 (monolithic integrated circuit) (즉, 온-칩 또는 원-칩)에 형성되는 추세이다. 잘 알려진 바와 같이, 신호를 처리하기 위한 회로 블록들은 CCD와 함께 단일의 집적 회로 상에 집적될 수 없다. 이를 해결하기 위한 하나의 방법은 바이폴라 트랜지스터 (bipolar transistor) 또는 모오스 트랜지스터 (metal-oxide-semiconductor transistor; MOS transistor)를 이용하여 고체 촬상 소자를 형성하는 것이다. 그러한 트랜지스터들을 이용하여 광학적 화상 (즉, 빛 에너지)을 광전 변환 기능에 의한 전기적 신호 (또는, 전기적인 영상 신호)로 변환하는 소자로서 CMOS 이미지 센서 (complementary metal-oxide-semiconductor image sensor)가 일반적으로 사용된다. 이 CMOS 이미지 센서는 적은 전력을 소모한다는 점과 표준 CMOS 공정 기술을 이용하여 구현 가능하기 때문에 여러 가지 기능들이 단일의 집적 회로에 형성될 수 있다는 장점을 가진다.
최근에는, 여러 가지 기술들이 개발되고, 그것에 의해서 CMOS 이미지 센서와 CCD의 성능 차이를 줄일 수 있고 그리고 포터블 PC 카메라 (potable PC camera)와 같은 응용 분야에서 저전력 원칩 카메라 (low power one-chip camera)의 구현을 가능케 한다. 그러한 CMOS 이미지 센서들 중 하나가 PPS (passive pixel sensor)이다. 이 PPS가, 도면에는 도시되지 않았지만, 하나의 포토 다이오드와 하나의 모오스 트랜지스터로 구성되기 때문에, 집적도는 우수한 반면에, 화질이 나빠서 한정된 범위 (예를 들면, 공업용)에서 사용되고 있다. 이를 보완하기 위해서, CMD (charge modulation device), AMI (amplified MOS imager), APS (active pixel sensor) 등이 개발되었고, 그 중에서 APS가 가장 좋은 특성을 보이고 있다. 도 1은 종래의 CMOS 액티브 픽셀 센서(active pixel sensor)의 일 예를 보여준다.
도 1에 도시된 바와 같이, 액티브 픽셀 센서 (APS) 또는 액티브 픽셀 센서 셀 (10)은 포토 다이오드 (photodiode) (12), 소오스가 상기 포토 다이오드 (12)에 연결된 n채널 리셋 트랜지스터 (n channel reset transistor) (14), 게이트가 상기 포토 다이오드 (12)에 연결된 n채널 감지 트랜지스터 (sense transistor) (16), 그리고 드레인이 감지 트랜지스터 (16)의 소오스에 직렬로 연결된 n채널 행 선택 트랜지스터 (row select transistor) (18)를 포함한다.
액티브 픽셀 센서 셀의 동작은 3 가지 단계들 즉, 상기 셀 (10)이 이전 집적 사이클로부터 초기화되는 초기화 단계(reset step), 빛 에너지가 모아지고 그리고 전기적인 신호로 변환되는 이미지 집적 단계(image integration step), 그리고 상기 전기적 신호가 출력되는 신호 출력 단계(signal readout step)를 통해서 수행된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 초기화 단계 동안에, 리셋 트랜지스터 (14)의 게이트는, 초기 집적 전압 (reset integration voltage)으로 포토 다이오드 (12)를 초기화하는, 초기화 전압(5볼트)으로 일시적으로 펄스되고, 상기 초기 집적 전압은 (VR-VT)과 같다. 여기서, 기호 (VR)는 초기화 전압을 나타내고 그리고 기호 (VT)는 리셋 트랜지스터 (14)의 드레솔드 전압을 나타낸다.
집적 동안에, 빛 에너지가, 광자들의 형태로, 포토 다이오드 (12)를 때리고, 그것에 의해서 많은 전자-홀 쌍들(electron-hole pairs; EHPs)이 생성된다. 포토 다이오드 (12)는 새롭게 형성된 EHPs 사이의 재결합을 제한하도록 설계된다. 결과적으로, 홀들이 포토 다이오드 (12)의 접지 단자로 끌리는 반면에 전자들은 포토 다이오드 (12)의 정의 (positive) 단자로 끌린다. 즉, 각 추가된 전자는 포토 다이오드 (12) 상의 전압을 줄인다.
집적 구간의 끝에서, 포토 다이오드 (12)의 최종적인 전압은 (VR-VT-VS)과 같고, 기호 (VS)는 흡수된 광자들로 인한 전압 변화를 나타낸다. 그러므로, 이미지 집적 구간 동안에 포토 다이오드 (12)에 의해서 흡수된 광자들의 수는 집적 구간의 초기 전압에서 집적 구간의 최종 전압을 뺌으로써 결정될 수 있고, 그것에 의해서 전압 Vs 즉, ((VR-VT)-(VR-VT-VS))을 얻을 수 있다.
이미지 집적 구간을 수행하면, 액티브 픽셀 센서 셀 (10)은 행 선택 트랜지스터 (18)를 턴 온시킴으로써 (이 구간까지 턴 오프되어 있음) 독출된다. 행 선택 트랜지스터 (18)가 턴온될 때, 포토 다이오드 (12) 상의 감소된 전압은 감지 트랜지스터 (16)의 게이트 상의 전압을 줄이고, 상기 감소된 전압은 트랜지스터들 (16) 및 (18)을 통해서 흐르는 전류의 크기(the magnitude of the current)를 감소시킨다. 상기 감소된 전류 레벨은 그 다음에 통상적인 전류 검출기들에 의해서 검출된다.
전술한 종래 CMOS 액티브 픽셀 센서에는, 하지만, 이 분야의 통상적인 지식을 습득한 자들에게 잘 알려진 누설 전류(leakage current) 또는 다크 전류 (dark current)가 흐른다는 것이 문제점들 중의 하나이다. 즉, 포토 다이오드 (12)가 초기화된 후 포토 다이오드 (12)에 빛 에너지가 입사되기 전까지 빛 에너지에 관계없이 포토 다이오드의 전압이 낮아지고, 그것에 의해서 출력되는 신호 레벨에는, 도 2에서 알 수 있듯이, 본래 얻고자 하는 신호 레벨 (VR-VT-VS)에 다크 전류 또는 누설 전류에 상응하는 레벨 (VD)이 포함된다. 결과적으로, 다크 전류 또는 누설 전류가 노이즈로서 작용하는 것이 문제점이다. 또한, 다크 전류 또는 누설 전류가 어레이 내의 각 셀에서 각각 다르기 때문에 전체적인 오프셋 (offset)으로 그러한 누설 전류 또는 다크 전류를 보상하는 것은 어렵다.
따라서 본 발명의 목적은 다크 전류를 줄일 수 있는 액티브 픽셀 센서를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 액티브 픽셀 센서의 상세 회로도;
도 2는 액티브 픽셀 센서가 노출되기 전후에 발생되는 다크 전류를 보여주기 위한 도면;
도 3은 본 발명에 따른 액티브 픽셀 센서의 상세 회로도; 그리고
도 4a 및 도 4b는 서로 다른 조도 하에서 종래 및 본 발명의 액티브 픽셀 센서들로부터 출력되는 신호 레벨들을 비교하기 위한 도면들이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
10, 100 : 액티브 픽셀 센서 12, 102 : 포토 다이오드
14, 104, 126 : 리셋 트랜지스터 16, 106, 124 : 감지 트랜지스터
18, 108 : 행 선택 트랜지스터 120 : 보상 회로
122 : 차폐 다이오드
(구성)
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 의하면, 빛 에너지를 전기적인 신호로 변환하는 포토 다이오드와; 외부로부터 인가되는 리셋 신호에 응답해서 상기 포토 다이오드의 전압을 초기 전압으로 리셋시키는 리셋 트랜지스터와; 상기 포토 다이오드에 의해서 변환된 상기 전기적인 신호의 전압 레벨을 감지하는 감지 트랜지스터와; 외부로부터 인가되는 선택 신호에 응답해서 상기 감지 트랜지스터를 통해서 전달되는 상기 전압 레벨에 상응하는 전류를 제공하는 선택 트랜지스터 및; 상기 선택 트랜지스터에 연결되고, 상기 포토 다이오드가 초기 전압으로 리셋되고 그리고 상기 빛 에너지가 상기 포토 다이오드 상으로 입사되기 이전에 상기 포토 다이오드의 전압이 누설 전류에 의해서 상기 초기 전압에 비해서 낮을 때, 상기 누설 전류에 상응하는 보상 전압을 발생하여 상기 보상 전압에 상응하는 전류를 상기 선택 트랜지스터로 공급하는 보상 수단을 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 상보 수단은, 상기 빛 에너지로부터 차폐된 다이오드와; 상기 초기화 신호에 응답해서 상기 차폐된 다이오드를 상기 초기 전압으로 리셋시키는 제 1 트랜지스터 및; 상기 보상 전압으로서 상기 차폐된 다이오드의 전압을 감지하는 제 2 트랜지스터를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 제 1 트랜지스터는 상기 리셋 트랜지스터와 동일한 타입이다.
이 실시예에 있어서, 상기 제 2 트랜지스터는 상기 감지 트랜지스터와 상보적인 타입이다.
이 실시예에 있어서, 상기 초기 전압은 전원 전압이다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 빛 에너지를 전기적인 신호로 변환하는 포토 다이오드와; 외부로부터 인가되는 리셋 신호에 응답해서 상기 포토 다이오드의 전압을 초기 전압으로 리셋시키는 리셋 트랜지스터와; 상기 포토 다이오드에 의해서 변환된 상기 전기적인 신호의 전압 레벨을 감지하는 감지 트랜지스터 및; 외부로부터 인가되는 선택 신호에 응답해서 상기 감지 트랜지스터를 통해서 전달되는 상기 전압 레벨에 상응하는 전류를 제공하는 선택 트랜지스터를 포함하는 액티브 픽셀 센서에 있어서: 상기 빛 에너지로부터 차폐된 다이오드와; 상기 초기화 신호에 응답해서 상기 차폐된 다이오드를 상기 초기 전압으로 리셋시키는 제 1 트랜지스터 및; 상기 선택 트랜지스터에 연결되고, 상기 차폐된 다이오드의 전압을 감지하는 제 2 트랜지스터를 포함하되, 상기 포토 다이오드가 상기 초기 전압으로 리셋되고 그리고 상기 빛 에너지가 상기 포토 다이오드 상으로 입사되기 이전에 누설 전류로 인해서 생기는 상기 포토 다이오드의 감압은 상기 차폐된 다이오드와 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들에 의해서 보상되는 것을 특징으로 한다.
(작용)
이와 같은 장치에 의해서, 차폐된 다이오드를 이용하여 포토 다이오드가 빛에 노출되기 전에 생기는 누설 전류 또는 다크 전류를 보상할 수 있다.
(실시예)
본 발명의 신규한 액티브 픽셀 센서 (100)에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 보상 회로 (compensation circuit) (120)가 제공되며, 상기 보상 회로 (120)는 포토 다이오드 (102)가 리셋 트랜지스터 (104)에 의해서 초기화된 후 빛에 노출되기 이전에 누설 전류 (또는, 다크 전류)로 인해 감소되는 상기 포토 다이오드 (102)의 전압을 보상한다. 따라서, 액티브 픽셀 센서 (100)의 다크 전류 (또는, 누설 전류)가 감소될 수 있고, 그것에 의해서 전기적인 신호 또는 전기적인 영상 신호의 노이즈가 감소될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 액티브 픽셀 센서 (100)를 보여주는 회로도가 도시되어 있다. 도면에는 도시되지 않았지만, CMOS 액티브 픽셀 센서를 이용한 이미지 시스템에는, 일반적으로, 행들과 열들로 배열된 복수 개의 액티브 픽셀 센서들의 어레이 (an array of a plurality of active pixel sensors), 상기 어레이의 행들을 선택하기 위한 행 선택 유니트 (미도시됨) (row selection unit) (일반적으로, 행 디코더 (row decoder), 타이밍 제어기 (timing controller) 등으로 구성될 수 있음), 상기 열들에 각각 연결되는 출력 회로들 (output circuit)이 구비된다. 도 3에는, 어레이의 센서들 중 하나만이 도시되어 있지만, 다른 센서들 역시 동일하게 구성될 수 있음은 이 분야의 통상적인 지식을 습득한 자들에게 자명하다.
본 발명의 액티브 픽셀 센서 (100)는 도 3에 도시된 바와 같이 연결된 포토 다이오드 (photodiode) (102), 리셋 트랜지스터 (reset transistor) (104), 감지 트랜지스터 (sense transistor) (106), 행 선택 트랜지스터 (row select transistor) (108), 그리고 보상 회로 (compensation circuit) (120)를 포함한다. 구성들 (102)-(108)에 대한 동작은 도 1에 관련된 설명과 동일하다.
상기 보상 회로 (120)는 차폐된 다이오드 (122), 상기 차폐된 다이오드 (122)의 전압을 감지하기 위한 PMOS 트랜지스터 (124), 그리고 상기 차폐된 다이오드 (122)를 초기화하기 위한 NMOS 트랜지스터 (126)로 구성된다. 상기 다이오드 (122)를 둘러싼 점선은 그것이 차폐되었음을 나타내기 위한 것이다. 그러므로, 상기 차폐된 다이오드 (122)는 상기 포토 다이오드 (102)와 달리 빛에 노출되지 않는다. 즉, 상기 포토 다이오드 (102)가 빛에 노출되어 광자의 형태인 빛 에너지를 전기적인 신호 또는 전기적인 이미지 신호로 변환하는 반면에, 상기 차폐된 다이오드 (122)는 그러한 기능을 갖지 못한다.
상기 PMOS 트랜지스터 (124)의 전류 통로는 상기 행 선택 트랜지스터 (108)와 초기화 전압 (reset voltage) 즉, 전원 전압 (Vdd) 사이에 형성되고, 그리고 그것의 게이트는 상기 차폐된 다이오드 (122)에 연결된다. 상기 NMOS 트랜지스터 (126)의 전류 통로는 상기 차폐된 다이오드 (122) 및 상기 PMOS 트랜지스터 (124)의 게이트의 접속점과 상기 전원 전압 (Vdd) 사이에 형성되고, 그리고 그것의 게이트는 리셋 트랜지스터 (104)와 함께 리셋 신호 (Reset)를 받아들인다.
본 발명에 따른 액티브 픽셀 센서 (100)는 초기화 단계에서 초기화된다. 즉, 펄스 신호로서 리셋 신호 (Reset)가 트랜지스터들 (104) 및 (126)에 인가되면, 포토 다이오드 (102) 및 차폐된 다이오드 (122)는 전압 (VR-VT) (여기서, VR은 초기화 전압이고 그리고 VT는 NMOS 트랜지스터의 드레솔드 전압이다.)으로 동시에 초기화된다. 그 다음에, 액티브 픽셀 센서 (100)가 빛에 노출되기 이전까지, 잘 알려진 바와 같이, 상기 포토 다이오드 (102)의 전압은 누설 전류(또는, 다크 전류)로 인해서 낮아진다. 이때, 상기 차폐된 다이오드 (122)의 전압 역시 동일한 원인 (즉, 누설 전류)으로 인해 낮아진다.
도 3에서, 포토 다이오드 (102)의 전압을 감지하기 위한 트랜지스터 (106)는 NMOS 트랜지스터로 구성되고, 차폐된 다이오드 (122)의 전압을 감지를 감지하기 위한 트랜지스터 (124)는 PMOS 트랜지스터로 구성된다. 포토 다이오드 (102)의 전압이 낮아질 때, NMOS 트랜지스터 (102)의 게이트 전압 역시 낮아지고, 그것에 의해서 상기 트랜지스터 (102)를 통해서 흐르는 전류의 양 역시 감소된다. 차폐된 다이오드 (122)의 전압이 낮아질 때, PMOS 트랜지스터 (122)의 게이트 전압 역시 낮아지지만, 상기 트랜지스터 (124)를 통해서 흐르는 전류의 양은 증가된다. 즉, 센서 (100)가 초기화되고 그리고 빛에 노출되기 이전에 생기는 누설 전류에 상응하는 포토 다이오드 (102)의 감압은 차폐된 다이오드 (122)의 전압을 감지하는 PMOS 트랜지스터 (124)에 의해서 보상될 수 있다. 이후, 센서 (100)에 의해서 빛 에너지가 전기적인 신호로 변환된 후 행 선택 트랜지스터 (108)를 턴온시킴으로써 독출 동작이 수행된다.
도 4a 및 도 4b는 서로 다른 조건들 중 다른 조도 하에서 종래 및 본 발명의 액티브 픽셀 센서들로부터 출력되는 신호 레벨들을 비교하기 위한 도면들이다. 도 4a 및 도 4b에서 알 수 있듯이, 종래의 경우 누설 전류로 인해서 낮아지는 포토 다이오드 (102)의 전압에 따라 감지 트랜지스터 (106)를 통해서 신호 라인 (또는, 비트 라인)으로 전달되는 전류의 양에 상응하는 전압은 본 발명에 비해서 낮다. 반면에, 본 발명의 경우 누설 전류로 인해서 낮아지는 포토 다이오드 (102)의 전압은 보상 회로 (120) 즉, 차폐된 다이오드 (122), PMOS 트랜지스터 (124), 그리고 NMOS 트랜지스터 (126)를 통해서 보상되기 때문에 종래에 비해서 높다.
상기한 바와 같이, 포토 다이오드가 초기화되고 그리고 빛에 노출되기 이전까지 생기는 다크 전류로 인해서 포토 다이오드의 전압이 낮아질 때, 보상 회로 내의 차폐된 다이오드 역시 낮아진다. 하지만, 보상 회로 내의 차폐된 다이오드의 전압을 감지하는 트랜지스터를 포토 다이오드의 그것과 상보적인 타입으로 구성함으로써 포토 다이오드의 감압에 상응하는 레벨이 차폐된 다이오드 및 그것의 감지용 PMOS 트랜지스터에 의해서 보상된다. 그 결과, 노이즈로서 작용하는 다크 전류 또는 누설 전류가 감소된다.

Claims (8)

  1. 빛 에너지를 전기적인 신호로 변환하는 포토 다이오드와;
    외부로부터 인가되는 리셋 신호에 응답해서 상기 포토 다이오드의 전압을 초기 전압으로 리셋시키는 리셋 트랜지스터와;
    상기 포토 다이오드에 의해서 변환된 상기 전기적인 신호의 전압 레벨을 감지하는 감지 트랜지스터와;
    외부로부터 인가되는 선택 신호에 응답해서 상기 감지 트랜지스터를 통해서 전달되는 상기 전압 레벨에 상응하는 전류를 제공하는 선택 트랜지스터 및;
    상기 선택 트랜지스터에 연결되고, 상기 포토 다이오드가 초기 전압으로 리셋되고 그리고 상기 빛 에너지가 상기 포토 다이오드 상으로 입사되기 이전에 상기 포토 다이오드의 전압이 누설 전류에 의해서 상기 초기 전압에 비해서 낮을 때, 상기 누설 전류에 상응하는 보상 전압을 발생하여 상기 보상 전압에 상응하는 전류를 상기 선택 트랜지스터로 공급하는 보상 수단을 포함하는 액티브 픽셀 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상보 수단은,
    상기 빛 에너지로부터 차폐된 다이오드와;
    상기 초기화 신호에 응답해서 상기 차폐된 다이오드를 상기 초기 전압으로 리셋시키는 제 1 트랜지스터 및;
    상기 보상 전압으로서 상기 차폐된 다이오드의 전압을 감지하는 제 2 트랜지스터를 포함하는 액티브 픽셀 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 트랜지스터는 상기 리셋 트랜지스터와 동일한 타입인 액티브 픽셀 센서.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 트랜지스터는 상기 감지 트랜지스터와 상보적인 타입인 액티브 픽셀 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초기 전압은 전원 전압인 액티브 픽셀 센서.
  6. 빛 에너지를 전기적인 신호로 변환하는 포토 다이오드와; 외부로부터 인가되는 리셋 신호에 응답해서 상기 포토 다이오드의 전압을 초기 전압으로 리셋시키는 리셋 트랜지스터와; 상기 포토 다이오드에 의해서 변환된 상기 전기적인 신호의 전압 레벨을 감지하는 감지 트랜지스터 및; 외부로부터 인가되는 선택 신호에 응답해서 상기 감지 트랜지스터를 통해서 전달되는 상기 전압 레벨에 상응하는 전류를 제공하는 선택 트랜지스터를 포함하는 액티브 픽셀 센서에 있어서:
    상기 빛 에너지로부터 차폐된 다이오드와;
    상기 초기화 신호에 응답해서 상기 차폐된 다이오드를 상기 초기 전압으로 리셋시키는 제 1 트랜지스터 및;
    상기 선택 트랜지스터에 연결되고, 상기 차폐된 다이오드의 전압을 감지하는 제 2 트랜지스터를 포함하되,
    상기 포토 다이오드가 상기 초기 전압으로 리셋되고 그리고 상기 빛 에너지가 상기 포토 다이오드 상으로 입사되기 이전에 누설 전류로 인해서 생기는 상기 포토 다이오드의 감압은 상기 차폐된 다이오드와 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들에 의해서 보상되는 것을 특징으로 하는 액티브 픽셀 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 트랜지스터는 상기 리셋 트랜지스터와 동일한 타입인 액티브 픽셀 센서.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 트랜지스터는 상기 감지 트랜지스터와 상보적인 타입인 액티브 픽셀 센서.
KR1019980020364A 1998-06-02 1998-06-02 액티브 픽셀 센서 KR100279295B1 (ko)

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