KR100429571B1 - 저전력화 및 화질 개선을 위한 단위 화소 회로 및 판독 회로를 갖는 이미지센서 - Google Patents

저전력화 및 화질 개선을 위한 단위 화소 회로 및 판독 회로를 갖는 이미지센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 출력 전압의 다이나믹 레인지를 넓여 저전원전압 하에서 고화질의 화상 신호를 출력할 수 있는 구조의 단위 화소 회로 및 판독 회로를 갖는 이미지센서를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 외부의 빛을 흡수하여 광전하를 생성하는 광전하 생성 수단을 구비하여, 상기 광전하 생성 수단에서 생성된 광전하를 선택적으로 전달받는 센싱 노드를 통해 출력단으로 출력 신호를 내보내는 단위 화소들로 어레이된 화소 어레이와, 열방향으로 어레이된 다수의 단위 화소에 공통 연결되어, 열방향으로 연결된 상기 다수의 단위 화소로부터의 상기 출력 신호를 외부로 읽어내기 위한 판독 회로를 포함하는 이미지 센서에 있어서, 상기 단위 화소는 각각, 상기 광전하 생성 수단으로부터의 광전하를 선택적으로 상기 센싱 노드로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 센싱 노드를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터; 상기 센싱 노드에 게이트가 연결되고 소스단이 접지전원단에 연결되어 상기 단일 센싱 노드에 대응되는 전기적 신호의 전달 및 증폭 기능을 수행하기 위한 드라이브 트랜지스터; 및 일측이 상기 드라이브 트랜지스터의 드레인단에 연결되며, 제어 신호에 응답하여 스위칭 동작으로 어드레싱하여 해당 단위 화소의 출력단으로 상기 출력 신호를 인가하는 셀렉트 트랜지스터를 포함하여 이루어지며, 상기 판독 회로는, 전원전압단 및 상기 단위화소의 출력단 사이에 연결되며, 게이트로 바이어스 전압을 인가받는 커먼 소스 구조의 제1 PMOS 트랜지스터를 구비하여 상기 센싱 노드로부터의 신호를 전달 및 증폭하는 로드 수단을 포함한다.

Description

저전력화 및 화질 개선을 위한 단위 화소 회로 및 판독 회로를 갖는 이미지센서{UNIT PIXEL CIRCUIT AND READ OUT CIRCUIT FOR IMPROVING IMAGE QUALITY AND LOW POWER VOLTAGE IN IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지 센서(image sensor)에 관한 것으로, 특히 이미지 센서의 저전력화 및 화질 개선을 위한 이미지 센서의 단위 화소 회로 및 판독 회로에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서란 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 찍어(capture)내는 장치를 말하는 것이다. 자연계에 존재하는 각 피사체의 부분부분은 빛의 밝기 및 파장 등이 서로 달라서, 감지하는 장치의 각 화소에서 다른 전기적인 값을 보이는데, 이 전기적인 값을 신호처리가 가능한 레벨로 만들어 주는 것이 바로 이미지 센서가 하는 일이다.
최근 들어 이미지 센서, 특히 씨모스 이미지 센서(CMOS image sensor) 시장이 크게 확대되고 있는데, 그 중 IMT 2000(International Mobil Telecommunications 2000)과 관련된 화상 통신 분야에 씨모스 이미지 센서를 사용하는 것에 대해 관심이 증대되고 있다. 이러한 화상 통신을 위한 휴대용 전자 장비들 가운데에서도 특히 휴대폰에 씨모스 이미지 센서를 적용하기 위해서는 휴대폰에 사용되는 각종 부품들에 공통적으로 요구되는 사항인 고속, 저전력 및 저전압 특성을 충족시켜야 하는 문제가 있다. 실제, IMT 2000에 사용될 씨모스 이미지 센서의 전원 전압은 약 2.4V에서 1.9V 정도일 것이라 예측되고 있는데, 비교적 높은 전압을 사용하여 화상을 만들어내는 종래의 이미지 센서는 상기 저전압에서 동작할 경우에 기본적인 동작 기능을 수행할 수 없게 될 수도 있다.
일반적으로, 종래의 이미지 센서는 고품질의 화질을 얻기 위해서 큰 전원전압을 필요로 한다. CCD 이미지 센서의 경우는 -10V에서 15V의 전원전압을 내부에서 사용하고 있고, 대부분의 씨모스 이미지 센서도 5V 정도의 전원전압을 사용하고 있으며, 전원전압의 레벨이 더이상 낮아지고 있지 못한 실정이다. 그리고, 이러한 종래의 이미지 센서에 구비된 다수의 단위 화소 회로들은 상기 넓은 전압 범위에서 1.2V에서 1.8V 정도의 다이나믹 레인지(dynamic range)만을 만들어 낼 수 있다. 여기서, 다이나믹 레인지라 함은, 단위 화소의 리셋 동작에 의해 도달할 수 있는 센싱 노드의 리셋 상태 전압 레벨과 단위 화소의 포토 다이오드에 집적된 전하에 의한 센싱 노드의 전압 레벨 사이의 최대량, 즉, 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
이러한 상태에서 이미지 센서의 공급전원전압이 줄어들게 되면, 포토 다이오드에 모여지는 전하의 양도 감소하고, 센싱 노드가 변화할 수 있는 전압폭도 감소하기 때문에 결국 센싱 노드의 전압폭인 다이나믹 레인지 역시 점점 줄어 들게 되어 화질의 특성을 저하시키는 게 된다. 그 뿐 아니라, 줄어든 다이나믹 레인지에 의해 주변 회로, 특히 단위 화소에서 감지한 아날로그 전압을 디지털 전압으로 바꿔주는 아날로그-디지털 변환기(analog to digital converter), 기준전압발생기 등과 같은 바이어스회로의 정밀도를 높여야만하는 주변회로 설계상의 문제점을 야기하게 된다.
이러한 문제를 종래의 이미지 센서에 구비된 단위 화소 회로를 참조하여 아래에 보다 상세히 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 단위 화소 회로 및 상기 단위 화소로부터의 이미지 데이터를 판독하는 판독 회로에 대한 구성도로서, 도 1a는 4개의 트랜지스터로 구성된 단위 화소 회로 및 그 판독 회로이고, 도 1b는 3개의 트랜지스터로 구성된 단위 화소 회로 및 그 판독 회로이다.
도 1a에 도시된 종래의 단위 화소 회로(10)는 1개의 포토 다이오드(12)와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 여기서, 4개의 트랜지스터는 포토 다이오드(12)에 생성된 광전하를 센싱 노드(A)로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(MT)와, 다음 신호 검출을 위해 상기 센싱 노드(A)에 저장되어 있는 전하를 배출하며, 리셋 전압 레벨을 읽기 위한 리셋 트랜지스터(MR)와, 소스 폴로우(source follower) 역할을 수행하는 드라이브 트랜지스터(MD) 및 스위칭으로 어드레싱을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(MS)이다. 그리고, 도 1a의 판독 회로는 출력단에 일측이 연결되어 바이어스 전압(Vb)에 의해 구동되는 로드 트랜지스터(ML)로 이루어진다.
반면, 도 1b에 도시된 종래의 단위 화소 회로(20) 및 판독 회로는 상기 도 1a의 단위 화소 회로 및 판독 회로와 그 구성이 유사하되, 단위 화소 회로가 트랜스퍼 트랜지스터(MT)를 제외한 3개의 트랜지스터(리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터)로 구성된다는 점에서 차이가 있다.
이러한 종래의 단위 화소 구조에서 이미지 센서의 화질은, 단위 화소의 센싱 노드(A)가 포토 다이오드(12, 22)로 들어오는 광원, 즉 포톤의 차에 따라 얼마나 민감하게 변하고, 그 변화가 주변 회로에 의해 충분히 리드(Read)될 수 있는 충분한 다이나믹 레인지를 가지느냐에 달려있다. 즉, 기본적으로 센싱 노드(A)의 전압 변화가 광원에 따라 민감하게 반응하며 그 다이나믹 레인지가 클수록 좋은 단위 화소라 할 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 종래의 단위 화소 구조에서는 앞서 설명한 바와 같이 5V의 전원전압 하에서 약 1.5V의 다이나믹 레인지를 가지게 되는 반면에, IMT 2000 등에 적용되어 전원전압이 2.4V 레벨로 줄어들게 되면 약 0.7V 정도의 작은 다이나믹 레인지 밖에 가질 수 없을 것으로 예측된다. 따라서, 종래의 단위 화소 구조로는 2.4V 정도의 낮은 전원전압 하에서 충분히 큰 다이나믹 레인지를 가질 수없기 때문에 이미지 센서의 화질 저하가 나타날 수 밖에 없다.
또한, IMT 2000에 사용되는 이미지 센서의 경우는 외부 렌즈의 규격이 작기 때문에 전체 칩 크기를 제한받게 된다. 그에 따라, 이미지 센서의 대부분을 차지하는 다수의 단위 화소 역시 크기의 제약을 받게 되며, 작은 크기의 단위 화소에서는 포토다이오드의 크기도 작아지기 때문에 이에 따른 센싱노드의 전압 변화폭이 더 작아지게 된다.
한편, 센싱노드(A)의 전압을 읽어내는 판독 회로는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 소스 폴로우 구조로 구성되는 데, 이러한 소스 폴로우 구조의 전압 이득은 "1"을 넘지 못하며 그에 따라 최종적인 출력단의 전압 변화폭은 0.7V 정도로 제약된다. 이와 같이, 출력단 전압의 변화폭이 작은 경우 해상력이 보다 높은 고성능 아날로그-디지털 변환기가 요구된다. 그러나, 이러한 작은 다이나믹 레인지에서 10비트의 아날로그-디지털 변환기의 출력을 얻을려면 해당 아날로그-디지털 변환기의 단위 해상 전압폭을 0.68mV 정도로 만들어줘야 하는 데, 이는 제작상의 어려움, 아날로그-디지털 변환기의 구현 면적 및 잡음 등의 문제를 야기하게 된다.
결론적으로, 종래의 단위 화소 회로 및 판독 회로를 채용한 이미지 센서는 IMT 2000과 같은 저전원전압으로 구동되는 응용분야에 적용되기가 힘들고, 적용된다 하더라도 이미지 화질이 떨어지게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 출력 전압의 다이나믹 레인지를 넓여 저전원전압 하에서 고화질의 화상 신호를 출력할 수 있는 구조의 단위 화소 회로 및 판독 회로를 갖는 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 단위 화소 회로 및 상기 단위 화소로부터의 이미지 데이터를 판독하는 판독 회로에 대한 구성도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 화소 회로의 구성도.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 상기 도 2a의 단위 화소 회로와 그 판독 회로에 대한 회로 구성도.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 도 2b의 단위 화소 회로와 그 판독 회로에 대한 회로 구성도.
도 4는 센싱 노드의 전압이 4.5배의 증폭 이득으로 증폭되어 단위 화소 출력 전압으로 출력되는 본 발명에 대한 시뮬레이션도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 단위 화소 회로 및 판독 회로에 대한 구성도.
도 6은 상기 도 5a 및 도 5b에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 단위 화소 회로 및 판독 회로를 시뮬레이션한 결과도.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명
10, 20, 200, 300 : 단위 화소
400, 410 : 제어부
MT, MT1 : 트랜스퍼 트랜지스터
MR, MR1, MR2, MR3 : 리셋 트랜지스터
MD, MD1, MD2, MD3 : 드라이브 트랜지스터
MS, MS1, MS2, MS3 : 셀렉트 트랜지스터
ML, ML1, ML2, ML3 : 로드 트랜지스터
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 외부의 빛을 흡수하여 광전하를 생성하는 광전하 생성 수단을 구비하여, 상기 광전하 생성 수단에서 생성된 광전하를 전달받는 센싱 노드를 통해 출력단으로 출력 신호를 내보내는 단위 화소들로 어레이된 화소 어레이를 구비한 이미지 센서에서 열방향으로 어레이된 다수의 단위 화소에 공통 연결되어, 열방향으로 연결된 상기 다수의 단위 화소로부터의 상기 출력 신호를 외부로 읽어내기 위한 판독 회로에 있어서, 전원전압단 및 상기 단위화소의 출력단 사이에 연결되며, 게이트로 바이어스 전압을 인가받는 커먼 소스 구조의 제1 PMOS 트랜지스터를 구비하여 상기 센싱 노드로부터의 신호를 전달 및 증폭하는 로드 수단을 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명은 외부의 빛을 흡수하여 광전하를 생성하는 광전하 생성 수단을 구비하여, 상기 광전하 생성 수단에서 생성된 광전하를 선택적으로 전달받는 센싱 노드를 통해 출력단으로 출력 신호를 내보내는 단위 화소들로 어레이된 화소 어레이와, 열방향으로 어레이된 다수의 단위 화소에 공통 연결되어, 열방향으로 연결된 상기 다수의 단위 화소로부터의 상기 출력 신호를 외부로 읽어내기 위한 판독 회로를 포함하는 이미지 센서에 있어서, 상기 단위 화소는 각각, 상기 광전하 생성 수단으로부터의 광전하를 선택적으로 상기 센싱 노드로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 센싱 노드를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터; 상기 센싱 노드에 게이트가 연결되고 소스단이 접지전원단에 연결되어 상기 단일 센싱 노드에 대응되는 전기적 신호의 전달 및 증폭 기능을 수행하기 위한 드라이브 트랜지스터; 및 일측이 상기 드라이브 트랜지스터의 드레인단에 연결되며, 제어 신호에 응답하여 스위칭 동작으로 어드레싱하여 해당 단위 화소의 출력단으로 상기 출력 신호를 인가하는 셀렉트 트랜지스터를 포함하여 이루어지며, 상기 판독 회로는, 전원전압단 및 상기 단위화소의 출력단 사이에 연결되며, 게이트로 바이어스 전압을 인가받는 커먼 소스 구조의 제1 PMOS 트랜지스터를 구비하여 상기 센싱 노드로부터의 신호를 전달 및 증폭하는 로드 수단을 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명의 단위 화소 회로는 회로 자체에서 증폭이 가능하도록 구성하며, 판독 회로는 단위 화소로부터의 출력전압의 다이나믹 레인지를 넓힐 수 있도록 커먼 소스 회로로 구성한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 화소 회로의 구성도로서, 도 2a는 4개의 트랜지스터로 구성된 단위 화소 회로이고, 도 2b는 3개의 트랜지스터로 구성된 단위 화소 회로이다.
도 2a에 도시된 단위 화소 회로는 1개의 포토 다이오드(100)와 4개의 트랜지스터로 구성된다는 점에서는 종래와 동일하나 드라이브 트랜지스터(MD2)가 접지전원단에 연결된다는 점에서 차이가 있다.
구체적으로, 도 2a의 단위 화소 회로는 외부의 빛을 흡수하여 광전하를 생성하는 포토 다이오드(100)와, 포토 다이오드(100)에 생성된 광전하를 센싱 노드(B)로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(MT1)와, 다음 신호 검출을 위해 상기 센싱 노드(B)에 저장되어 있는 전하를 배출하며, 리셋 전압 레벨을 읽기 위한 리셋 트랜지스터(MR2)와, 센싱 노드(B)에 게이트가 연결되고 소스단이 접지전원단에 연결되어 신호 전달 및 증폭 기능을 수행하는 드라이브 트랜지스터(MD2) 및 상기 드라이브 트랜지스터(MD2)의 드레인단에 연결되어 스위칭 동작으로 어드레싱하여 출력단으로 해당 단위 화소의 출력 전압을 인가하는 셀렉트 트랜지스터(MS2)로 이루어진다.
반면, 도 2b에 도시된 단위 화소 회로는 상기 도 2a의 단위 화소 회로와 그 구성이 유사하되, 단위 화소 회로가 트랜스퍼 트랜지스터(MT1)를 제외한 3개의 트랜지스터(리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터)로 구성된다는 점에서 차이가 있다.
상기와 같이 구성되는 단위 화소의 구조에서 가장 특징적인 것은 드라이브 트랜지스터(MD2, MD3)를 종래와 달리 상대적으로 낮은 전원전압을 공급하는 접지전원단에 연결되도록 구성함으로써, 증폭 기능 보다는 신호 전달 기능에 한정되었던 종래의 단위 화소 회로와 다르게 신호의 전달 기능뿐 아니라 증폭 기능까지 수행할 수 있도록 하였다. 또한, 셀렉트 트랜지스터(MS2, MS3)를 드라이브 트랜지스터(MD2, MD3)의 드레인단 및 출력단 사이에 연결하여 각각의 단위 화소를 외부 회로(예를 들어, 단위 화소의 출력전압을 인가받는 아날로그-디지털 변환기)와 연결하거나 고립시키는 기능을 수행할 수 있도록 하였다.
다음으로, 상기 도 2a 및 도 2b와 같이 구성된 단위 화소 회로로부터의 출력 전압을 보다 확실하게 증폭하여 판독하기 위한 본 발명의 판독 회로 구조에 대해 설명한다.
우선, 판독 회로는 다수의 단위 화소들이 어레이된 화소 어레이에서 열방향으로 연결된 다수의 단위 화소에 공통 연결되어, 열방향으로 연결된 다수의 단위 화소로부터의 출력 전압을 읽어낸다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 상기 도 2a의 단위 화소 회로(200)와 그 판독 회로에 대한 회로 구성도이고, 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 도 2b의 단위 화소 회로(300)와 그 판독 회로에 대한 회로 구성도로서, 판독 회로와 단위 화소 회로와의 연결을 나타내기 위해 1개의 단위 화소 회로와 판독 회로를 함께 도시하였다.
도 3a 및 도 3b에서의 단위 화소 회로는 앞서 설명한 단위 화소 회로의 구조와 동일하므로 그 설명을 생략한다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 판독 회로는 전원전압단 및 출력단 사이에 연결되어 바이어스 전압(Vbias)에 의해 구동되는 로드 트랜지스터(ML2, ML3)로 각각 이루어진다.
본 발명의 판독 회로는 로드 트랜지스터로 전원전압단 및 출력단 사이에 연결되며, 게이트로 바이어스 전압(Vbias)를 인가받는 커먼 소스 구조의 PMOS 트랜지스터(ML2 또는 ML3)를 구비하여 센싱 노드(B)로부터의 신호를 전달 및 증폭하도록 구성한다.
센싱 노드(B)의 신호가 상기와 같이 구성되는 단위 화소 회로 및 판독 회로에 의해 증폭되는 것을 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 센싱 노드(B)의 전압이 4.5배의 증폭 이득으로 증폭되어 단위 화소출력 전압으로 출력되는 시뮬레이션도로서, 셀렉트 트랜지스터를 생략한 단위 화소 회로와 판독 회로를 간단히 함께 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, δ크기의 다이나믹 레인지를 갖는 센싱 노드(B)의 전압이 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 단위 화소 회로 및 판독 회로를 통해 4.5δ 크기의 다이나믹 레인지를 갖는 단위 화소 출력 전압으로 증폭됨을 알 수 있고, 이러한 증폭 동작은 통상의 커먼 소스 구조의 증폭기 회로와 그 동작이 일치함으로써 그에 대한 상세한 설명은 여기서 생략한다.
결과적으로, 도 4에 도시된 시뮬레이션 결과도에 도시된 것과 같이, 본 발명의 단위 화소 및 판독 회로로부터 전원전압 레벨 수준의 출력단 전압 변화폭을 얻을 수 있고, 본 발명의 단위 화소 및 판독 회로는 도 4에 도시된 시뮬레이션 결과도에 나타난 4.5배의 증폭 이득에 한정되지 않고 그보다 큰 약 25배 내지 30배 정도의 증폭 이득을 얻을 수 있다.
그러나, 실제 센싱 노드(B)의 신호가 충분히 변한다하더라도 그것을 적절히 표현하는 데 한계가 있을 수 있으며, 동시에 소스 폴로우 회로에 비해 많은 전류를 흘려야 하는 문제가 발생할 가능성이 존재함으로써 센싱노드(B)의 아주 작은 전압 범위(도 6의 '가' 구간)에서만 동작하게 되어 전체 이미지 센서의 동작 자체가 불안해 질 수도 있다.
이를 해결하기 위하여 본 발명은 도 5a 및 도 5b에 본 발명의 다른 일실시예를 제시한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 단위 화소 회로 및 판독회로에 대한 구성도로서, 전원전압단 및 단위 화소 출력단 사이에 연결되어 단위 화소 출력단의 출력 레지스턴스를 조절하고, 출력단에 흐르는 전류를 최소화하기 위한 제어부(400, 410)를 더 구비한다.
도 5a 및 도 5b에서는 제어부(400, 410)의 일실시 구성예로서 전원전압단 및 단위 화소 출력단 사이에 다이오드 연결된 PMOS 트랜지스터(PM1 또는 PM2)를 제시하였으며, PMOS 트랜지스터(PM1 또는 PM2)의 폭/길이(width/length)를 조절하여 출력단의 출력 레지스턴스를 조절할 수 있다. 그러나, 제어부(400, 410)의 구성이 제시한 PMOS 트랜지스터(PM1 또는 PM2)에 한정되는 것이 아니며 출력단의 출력 레지스턴스를 조절하고, 전류를 최소화할 수 있는 다양한 실시예로 구현이 가능하다.
도 6은 상기 도 5a 및 도 5b에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 단위 화소 회로 및 판독 회로를 시뮬레이션한 결과도로서, 로드 트랜지스터와 병렬 연결된 제어부를 통해 단위 화소의 출력을 조절함으로써 충분히 안정된 전압 범위에서 동작시킬 수 있고, 뿐만 아니라 단위 화소 회로 및 판독 회로의 비선형적인 증폭 특성으로 인해 단위 화소의 출력이 일반적인 감마 보정(gamma correction)을 수행한 것과 동일한 특성을 가짐으로써 감마 보정을 위한 별도의 소프트웨어적이거나 하드웨어적인 처리없이 감마 보정 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 내부의 증폭 기능을 통해 낮은 전원전압 하에서도 고화질의 화상 신호를 출력할 수 있으며, 간단한 회로 구성으로 별도의 감마 보정 장치 없이 감마 보정된 화상 신호를 출력할 수 있는 효과를 구현할 수 있다.
또한, 단위 화소 자체를 간단히 구성함으로써 레이아웃 시 다수의 단위 화소를 포함한 화소 어레이의 구현면적을 줄여 전체 이미지 센서 칩의 면적 감소에 기여한다.

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  14. 외부의 빛을 흡수하여 광전하를 생성하는 광전하 생성 수단을 구비하여, 상기 광전하 생성 수단에서 생성된 광전하를 선택적으로 전달받는 센싱 노드를 통해 출력단으로 출력 신호를 내보내는 단위 화소들로 어레이된 화소 어레이와, 열방향으로 어레이된 다수의 단위 화소에 공통 연결되어, 열방향으로 연결된 상기 다수의 단위 화소로부터의 상기 출력 신호를 외부로 읽어내기 위한 판독 회로를 포함하는 이미지 센서에 있어서,
    상기 단위 화소는 각각,
    상기 광전하 생성 수단으로부터의 광전하를 선택적으로 상기 센싱 노드로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터;
    상기 센싱 노드를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터;
    상기 센싱 노드에 게이트가 연결되고 소스단이 접지전원단에 연결되어 상기 단일 센싱 노드에 대응되는 전기적 신호의 전달 및 증폭 기능을 수행하기 위한 드라이브 트랜지스터; 및
    일측이 상기 드라이브 트랜지스터의 드레인단에 연결되며, 제어 신호에 응답하여 스위칭 동작으로 어드레싱하여 해당 단위 화소의 출력단으로 상기 출력 신호를 인가하는 셀렉트 트랜지스터를 포함하여 이루어지며,
    상기 판독 회로는,
    전원전압단 및 상기 단위화소의 출력단 사이에 연결되며, 게이트로 바이어스 전압을 인가받는 커먼 소스 구조의 제1 PMOS 트랜지스터를 구비하여 상기 센싱 노드로부터의 신호를 전달 및 증폭하는 로드 수단
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 판독 회로는,
    상기 로드 수단에 병렬 연결되어 상기 출력단의 출력 레지스턴스를 제어하고, 상기 출력단에 흐르는 전류를 최소화하기 위한 제어 수단
    을 더 포함하여 이루어지는 이미지 센서.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제어 수단은,
    전원전압단 및 상기 단위 화소의 출력단 사이에 다이오드 연결된 제2 PMOS 트랜지스터
    를 포함하여 이루어지는 이미지 센서.
  17. 외부의 빛을 흡수하여 광전하를 생성하는 광전하 생성 수단을 구비하여, 상기 광전하 생성 수단에서 생성된 광전하를 전달받는 센싱 노드를 통해 출력단으로 출력 신호를 내보내는 단위 화소들로 어레이된 화소 어레이와, 열방향으로 어레이된 다수의 단위 화소에 공통 연결되어, 열방향으로 연결된 상기 다수의 단위 화소로부터의 상기 출력 신호를 외부로 읽어내기 위한 판독 회로를 포함하는 이미지 센서에 있어서,
    상기 단위 화소는 각각,
    상기 센싱 노드를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터;
    상기 센싱 노드에 게이트가 연결되고 소스단이 접지전원단에 연결되어 상기 단일 센싱 노드에 대응되는 전기적 신호의 전달 및 증폭 기능을 수행하기 위한 드라이브 트랜지스터; 및
    일측이 상기 드라이브 트랜지스터의 드레인단에 연결되며, 제어 신호에 응답하여 스위칭 동작으로 어드레싱하여 해당 단위 화소의 출력단으로 상기 출력 신호를 인가하는 셀렉트 트랜지스터를 포함하여 이루어지며,
    상기 판독 회로는,
    전원전압단 및 상기 단위화소의 출력단 사이에 연결되며, 게이트로 바이어스 전압을 인가받는 커먼 소스 구조의 제1 PMOS 트랜지스터를 구비하여 상기 센싱 노드로부터의 신호를 전달 및 증폭하는 로드 수단
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 판독 회로는,
    상기 로드 수단에 병렬 연결되어 상기 출력단의 출력 레지스턴스를 제어하고, 상기 출력단에 흐르는 전류를 최소화하기 위한 제어 수단
    을 더 포함하여 이루어지는 이미지 센서.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 제어 수단은,
    전원전압단 및 상기 단위 화소의 출력단 사이에 다이오드 연결된 제2 PMOS 트랜지스터
    를 포함하여 이루어지는 이미지 센서.
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7057656B2 (en) * 2000-02-11 2006-06-06 Hyundai Electronics Industries Co., Ltd. Pixel for CMOS image sensor having a select shape for low pixel crosstalk
JP3992504B2 (ja) * 2002-02-04 2007-10-17 富士通株式会社 Ｃｍｏｓイメージセンサ
US7053458B2 (en) * 2002-04-30 2006-05-30 Ess Technology, Inc. Suppressing radiation charges from reaching dark signal sensor
JP3824965B2 (ja) 2002-05-17 2006-09-20 東光株式会社 固体撮像素子
JP4194544B2 (ja) * 2003-12-05 2008-12-10 キヤノン株式会社 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法
KR100640964B1 (ko) 2004-12-30 2006-11-02 동부일렉트로닉스 주식회사 시모스 이미지 센서의 단위화소 회로
KR100829383B1 (ko) * 2006-12-27 2008-05-13 동부일렉트로닉스 주식회사 시모스 이미지 센서
KR100885921B1 (ko) * 2007-06-07 2009-02-26 삼성전자주식회사 후면으로 수광하는 이미지 센서
US8736726B2 (en) * 2007-06-27 2014-05-27 Micron Technology, Inc. Pixel to pixel charge copier circuit apparatus, systems, and methods
KR100871797B1 (ko) * 2007-08-27 2008-12-02 주식회사 동부하이텍 이미지 센서
FR2943178B1 (fr) * 2009-03-13 2011-08-26 New Imaging Technologies Sas Capteur matriciel a faible consommation
JP6353300B2 (ja) 2014-07-08 2018-07-04 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 画素回路、半導体光検出装置および放射線計数装置
TWI569644B (zh) * 2015-04-20 2017-02-01 財團法人工業技術研究院 影像感測裝置、系統及其方法和電荷感測裝置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01196165A (ja) * 1988-02-01 1989-08-07 Fuji Photo Film Co Ltd 固体撮像装置
JPH11112016A (ja) * 1997-10-06 1999-04-23 Canon Inc 固体撮像装置の駆動方法とこれを用いた光電変換装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5572074A (en) * 1995-06-06 1996-11-05 Rockwell International Corporation Compact photosensor circuit having automatic intensity range control
US5742047A (en) * 1996-10-01 1998-04-21 Xerox Corporation Highly uniform five volt CMOS image photodiode sensor array with improved contrast ratio and dynamic range
US5898168A (en) * 1997-06-12 1999-04-27 International Business Machines Corporation Image sensor pixel circuit
KR100246358B1 (ko) * 1997-09-25 2000-03-15 김영환 전자셔터를 구비한 액티브 픽셀 센서
TW421962B (en) * 1997-09-29 2001-02-11 Canon Kk Image sensing device using mos type image sensing elements
US6297492B1 (en) * 1998-01-06 2001-10-02 Intel Corporation Fast BICMOS active-pixel sensor cell with fast NPN emitter-follower readout
TW396707B (en) * 1998-02-20 2000-07-01 Canon Kk Semiconductor device
US6111245A (en) * 1998-04-22 2000-08-29 National Science Council Of Republic Of China Low voltage reverse bias arrangement for an active pixel sensor
US6130423A (en) * 1998-07-10 2000-10-10 Pixel Cam, Inc. Method and apparatus for a CMOS image sensor with a distributed amplifier
US6242728B1 (en) * 1998-08-20 2001-06-05 Foveon, Inc. CMOS active pixel sensor using native transistors

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01196165A (ja) * 1988-02-01 1989-08-07 Fuji Photo Film Co Ltd 固体撮像装置
JPH11112016A (ja) * 1997-10-06 1999-04-23 Canon Inc 固体撮像装置の駆動方法とこれを用いた光電変換装置

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