KR20050123399A - 풀 액티브 바이폴라 이미지 센서 - Google Patents

풀 액티브 바이폴라 이미지 센서 Download PDF

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KR20050123399A KR1020040048040A KR20040048040A KR20050123399A KR 20050123399 A KR20050123399 A KR 20050123399A KR 1020040048040 A KR1020040048040 A KR 1020040048040A KR 20040048040 A KR20040048040 A KR 20040048040A KR 20050123399 A KR20050123399 A KR 20050123399A
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Abstract

포토 바이폴라 트랜지스터를 이용한 풀 액티브 이미지 센서가 개시된다. 본 발명에 따른 이미지 센서는 입사하는 빛의 양에 따라 대응되는 전류를 출력하는 포토 바이폴라 트랜지스터, 이미지 센서를 선택하는 제어 신호에 응답하여 온/오프 제어되는 로그(log) 출력 트랜지스터, 및 이미지 센서의 플로팅 확산 영역에 연결되어 플로팅 확산 영역의 전압에 대응되는 전압을 출력하는 감지 트랜지스터를 포함하며, 로그 출력 트랜지스터는 로그 출력 트랜지스터가 턴 온되면, 로그 출력 트랜지스터 양단의 전압은 포토 바이폴라 트랜지스터의 에미터 단자로 흐르는 전류의 로그 스케일에 비례한다.

Description

풀 액티브 바이폴라 이미지 센서{Full active bipolar image sensor}
본 발명은 고체 촬상 장치에 관한 것으로, 구체적으로는, 바이폴라 트랜지스터를 이용한 고체 촬상 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는, 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 촬상(Capture)하는 장치를 말한다. 자연계에 존재하는 각 피사체의 부분 부분은 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.
이를 위해 이미지 센서는 수십만에서 수백만에 화소로 구성되는 어레이와, 수백 내지 수천 개 정도의 화소에서 감지한 아날로그 전압을 디지털 신호로 바꿔주는 장치와, 수천 내지 수만 개의 저장 장치 등으로 구성된다.
이 중에서, 외부의 빛을 감지하여 입사되는 빛의 양에 대응되는 전압을 출력하는 이미지 센서는 CCD(charge coupled device) 이미지 센서와 CIS(CMOS Image sensor) 그리고 포토 바이폴라 트랜지스터를 이용한 이미지 센서 등이 있다. 일반적으로 고체 촬상 소자(solid state device)로서 사용되는 전하 결합 소자 (charge coupled device; CCD)는 화질 및 집적도에서 우수한 특성을 나타낸다. 하지만, 최근, 신호를 처리하기 위한 칩(signal processing chip) 및 이미지 센서 칩(image sensor chip)이 단일의 집적 회로(monolithic integrated circuit)에 형성되는 추세이다. 잘 알려진 바와 같이, 신호를 처리하기 위한 회로 블록들은 CCD와 함께 단일의 집적 회로 상에 집적될 수 없다.
이를 해결하기 위해, 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor) 또는 모오스 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor transistor; MOS transistor)를 이용하여 고체 촬상 소자를 형성한다. 즉, 바이폴라 트랜지스터 또는 모오스 트랜지스터 이미지 센서는 그러한 트랜지스터들을 이용하여 광학적 화상(즉, 빛 에너지)을 광전 변환 기능에 의한 전기적 신호 (또는, 전기적인 영상 신호)로 변환하는 소자이다.
한편, 액티브 CIS (CMOS Image sensor) 구조에서는 포토 다이오드가 증폭 기능을 갖지 않기 때문에, 소스 팔로워(source follower) MOS 게이트 커패시터의 영향을 받는다. 이로 인해, 출력 전압이 저하되는 단점이 있다. 반면, 포토 바이폴라 트랜지스터를 이용한 이미지 센서는 이러한 게이트 커패시터의 영향을 무시할 수 있으며, 그 결과 감도도 향상되는 이점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 이미지 센서에 증폭 기능이 포함된 액티브 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 별도의 리셋 트랜지스터 및 칼럼 선택 트랜지스터가 필요없는 액티브 이미지 센서를 제공하는 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 특징에 의하면, 이미지 촬상 장치의 이미지 센서는, 입사하는 빛의 양에 따라 대응되는 전류를 출력하는 포토 바이폴라 트랜지스터, 상기 이미지 센서를 선택하는 제어 신호에 응답하여 온/오프 제어되는 로그(log) 출력 트랜지스터, 및 상기 이미지 센서의 플로팅 확산 영역에 연결되어 상기 플로팅 확산 영역의 전압에 대응되는 전압을 출력하는 감지 트랜지스터를 포함하며, 상기 로그 출력 트랜지스터는 상기 로그 출력 트랜지스터가 턴 온되면, 상기 로그 출력 트랜지스터 양단의 전압은 상기 포토 바이폴라 트랜지스터의 에미터 단자로 흐르는 전류의 로그 스케일에 비례한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 이미지 센서는, 상기 포토 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터 단자는 접지 전압에 연결되고, 베이스 단자는 상기 커패시터에 연결되며, 에미터 단자는 상기 이미지 센서의 플로팅 확산 영역 및 상기 로그 출력 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 로그 출력 트랜지스터의 게이트 단자는 상기 커패시터 및 외부 제어 신호에 연결되고, 드레인 단자는 전원 전압에 연결되고, 소스 단자는 상기 이미지 센서의 플로팅 확산 영역 및 상기 포토 바이폴라 트랜지스터의 에미터 단자에 연결되며, 상기 감지 트랜지스터의 게이트 단자는 상기 이미지 센서의 플로팅 확산 영역에 연결되고, 드레인 단자는 상기 전원 전압에 연결되고, 소스 단자는 전압 출력 라인에 연결된다.
또한, 본 발명의 다른 특징에 의하면, 포토 바이폴라 트랜지스터를 이용한 이미지 센서는, 상기 포토 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터 단자로 기능하는 P 영역, 상기 P 영역 위에 형성되고, 상기 포토 바이폴라 트랜지스터의 베이스 단자로 기능하는 N 웰 영역, 상기 P 영역 위에 형성되고, 상기 N 웰 영역 주변에 형성된 P 웰 영역, 상기 N 웰 영역 상에 형성된 상기 바이폴라 트랜지스터의 에미터 단자 영역, 상기 P 웰 영역 상에 형성되고, 상기 이미지 센서의 전압을 출력하기 위한 제1 액티브 영역, 상기 P 웰 영역 상에 형성되고, 전원 전압에 연결된 제2 액티브 영역, 상기 P 웰 영역 상에 형성된 플로팅 영역을 형성하는 제3 액티브 영역, 상기 제1 액티브 영역 및 상기 제2 액티브 영역의 상부에 형성된 감지 트랜지스터의 게이트 단자 영역, 및 상기 제2 액티브 영역, 상기 제3 액티브 영역 및 상기 N 웰 영역의 일부의 상부에 형성된 로그 출력 트랜지스터의 게이트 단자 영역을 포함하고, 상기 로그 출력 트랜지스터 게이트 영역에는 제어 신호 라인이 연결되고, 상기 바이폴라 트랜지스터의 에미터 단자 영역, 상기 감지 트랜지스터의 게이트 단자 영역 및 상기 제3 액티브 영역은 신호 라인을 통해 서로 연결된다.
도 1은 종래의 바이폴라 트랜지스터 이미지 센서의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 바이폴라 트랜지스터를 이용한 이미지 센서(100)는 포토 바이폴라 트랜지스터(102), 리셋 트랜지스터(104), 칼럼 선택 트랜지스터(106), 및 커패시터(108) 등을 포함하고 있다. 이러한 이미지 센서는 수직 배열된 수평 라인(110) 및 수직 라인(112) 사이에 배열된다. 수평 라인(110)는 리셋 및 로우(row) 선택을 제어하는 신호를 전송하며, 수직 라인(112)은 이미지 센서(100)에서 출력되는 전압 신호를 전송하는 기능을 한다.
도 2a 및 도 2b는 종래의 바이폴라 트랜지스터 이미지 센서의 구조도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 포토 바이폴라 트랜지스터는 매트릭스 형태로 배열되며, 상기 포토 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터(collector) 단자(201)는 N-epi 영역으로 다수의 포토 바이폴라 트랜지스터에 공통적으로 연결된다. 상기 N-epi 영역 위에 P 웰 영역의 베이스(base) 단자(203)가 형성된다. 그리고, 상기 P 웰 영역 내부에 N+ 영역의 에미터(emitter) 단자(205)가 형성된다. 상기 에미터 단자에는 이미지 센서의 전압을 출력하기 위한 전압 출력 라인(Vout line)이 연결된다. 그리고, 상기 이미지 센서의 맨 하층 N 영역에는 전원 전압(VDD) 라인이 연결되어 포토 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터 단자에 전원 전압을 공급한다.
그리고, 다수의 포토 바이폴라 트랜지스터의 베이스 영역 상부로 수평 방향으로 폴리 실리콘(Poly-Si) 제어 라인(control line;110) 형성되고, 수직 방향으로 전압 출력 라인(Vout line;112)이 교차 형성된다. 이때, 상기 제어 라인(110)과 포토 바이폴라 트랜지스터의 베이스 영역 사이에 커패시터(108)가 형성된다.
도 1, 도 2및 관련된 도면을 참조하여 종래의 포토 바이폴라 트랜지스터 이미지 센서의 동작 과정을 도면을 참조하여 설명한다.
우선, 리셋 과정을 설명하면, 주변 회로에 있는 모든 리셋 MOS 트랜지스터(104)를 턴 온 시킨다. 그러면, 바이폴라 트랜지스터(102)의 에미터 단자(205)는 그라운드 레벨로 유지된다. 이때, 수평 제어 라인(110)에 정(+)전압을 인가하면, 베이스 단자(203)는 제어 라인(110)과 커패시터(108) 결합을 하고 있기 때문에, 일시적으로 (+) 측으로 전위가 바뀌지만, 에미터-베이스가 순방향 바이어스가 되기 때문에, 도 3에 도시된 바와 같이, 전위 장벽(built-in potential) 차이를 유지하는 위치까지 돌아온다.
그런 다음, 수평 방향의 폴리 실리콘 형태의 제어 라인(110)을 정(+) 전압에서 그라운드 전압으로 변경한다. 바이폴라 트랜지스터(102)의 베이스 단자(203)는 제어 라인(110)과 커패시티 결합을 하고 있어, 베이스 단자(203)의 전위가 도 4에 도시된 바와 같이 (-) 측으로 변동한다, 이때, 에미터-베이스는 역방향으로 바이어스 되어 에미터 단자(205)의 전위는 베이스 단자(203)와 같은 전위 쉬프트가 발생하지 않는다. 즉, 플로팅 베이스만이, (-)측에 전위 쉬프트가 발생되어, 장벽(barrier)을 형성하고, 홀(hole)을 축적 할 수 있는 상태가 된다.
그러면, 이때부터 입사되는 빛을 통한 홀의 축적이 시작된다. 전자-홀의 쌍이 발생하고, 그 중 전자는 공통적으로 연결된 콜렉터 단자(201)로 유출(drain)되며, 홀은 베이스 단자(203) 영역에 축적된다. (+) 전하를 갖는 홀이 축적됨에 따라, 축적 시간 동안 베이스(203)의 전위는 도 5에 도시된 바와 같이 플러스 측으로 쉬프트 된다.
축적 시간이 종료하면, 특정 로우(row)에 연결된 제어 라인(110)에 플러스 전압을 인가하여, 특정 로우(row)를 선택한다. 이때, 주변에 있는 리셋 MOS 트랜지스터(104)는 턴 오프된다. 그러면, 제어 라인(110)과 커패시티 연결된 베이스 단자(203)는 도 6과 같이 플러스 측으로 쉬프트 된다.
그러면, 에미터-베이스의 전압차는 전위 장벽이하로 떨어지고, 순방향으로 바이어스 된다. 따라서, 도 7과 같이 베이스 단자(203)에 축적된 홀(hole)이 에미터 단자(205)로 주입된다. 이미지 센서가 바이폴라 구조를 하고 있기 때문에, 에미터 단자(205)로 주입된 홀(hole) 전류의 β배 큰 전자(electron) 전류가 에미터 단자(205)에서 콜렉터 단자(201)로 흐른다. 이때, 에미터 단자(205)는 리셋 트랜지스터(104) 및 칼럼 선택 트랜지스터(106)가 턴 오프 상태이기 때문에, 그라운드 전압이 아닌 플로팅 전압 상태가 된다.
전압 출력 라인(Vout; 112)와 CDS 사이에 있는 칼럼 선택 트랜지스터(106)를 턴 온하면, CDS 커패시터에 상기 에미터 단자(205)의 전위가 전달되어 신호가 출력된다. 에미터 단자(205)의 (-) 전하는 콜렉터 단자(201)로 주입되기 때문에, 에미터 단자(205)의 전위는 도 8에 도시된 바와 같이 플러스 방향으로 쉬프트 된다.
이러한 포토 바이폴라 형태의 이미지 센서는 빛에 의해 발생한 전하만을 출력하는 패시브(passive) MOS 이미지 센서와 달리, 이미지 센서가 증폭 기능(IE=Ibh*β)을 갖는다.
다음으로, 포토 바이폴라 트랜지스터 구조를 갖는 이미지 센서의 리셋 과정을 설명한다.
전압 출력 라인(112)과 CDS 사이의 칼럼 선택 트랜지스터(106)를 턴 오프시키고, 주변 회로에 있는 리셋 트랜지스터(104)를 턴 온한다. 그러면, 전압 출력 라인(112)은 그라운드 레벨(0V)이 되고, 에미터(205)의 전위는 도 9와 같이 그라운드 레벨로 되돌아오며, 제어 라인(110)은 (+) 전위를 유지한다.
이때, 에미터-베이스는 다시 순방향 바이어스 되고, 베이스(203)로부터 에미터(205)로 홀이 주입되어, 베이스의 전위가 도 10에 도시된 바와 같이, (-) 측으로 쉬프트 되고, 리셋 동작이 완료된다.
제어 라인(110)의 폴리 실리콘 전극 전위를 0V로 천이시키면, 베이스 전위를 역바이어스 상태로 바꿀 수 있고, 각 로우(row)에 연결된 이미지 센서의 출력은 상기 폴리 실리콘 전극의 전압에 의해 제어 가능하다. 즉, 상기 제어 라인(110)이 리셋 트랜지스터(104)를 제어하여 리셋 동작과 로우(row) 선택 동작을 제어한다.
이상과 같은 종래의 포토 바이폴라 트랜지스터 이미지 센서 구조에서는, 신호를 판독하여 출력할 때, 신호 전하를 소비하기 때문에, 풀-액티브(full-active) 이미지 소자가 아닌 세미-액티브(semi-active) 이미지 소자이다. 또한, 화소수가 많아질수록, 커패시턴스가 증가하고, 이에 따라 출력 전압도 저하되는 문제점이 있다.
따라서 자기 증폭 기능을 갖는 바이폴라 이미지 센서를 사용함과 동시에 이미지 센서를 풀-액티브화할 필요성이 제기된다.
도 11은 본 발명에 따른 포토 바이폴라 트랜지스터 이미지 센서의 회로도이다.
본 발명에 따른 바이폴라 이미지 센서(1100)는 제어 신호 라인(CTL; 1110)과 전압 출력 라인(1112)이 교차하여 배열된 매트릭스 상에 배열된 다수개의 포토 바이폴라 트랜지스터(1102), 로그(log) 출력 트랜지스터(1104), 및 소스 팔로워 트랜지스터(1106)를 포함한다. 또한, 이미지 센서(1100)는 제어 라인(1110)과 바이폴라 트랜지스터 베이스 단자 사이에 형성된 커패시터(1108)를 포함한다.
포토 바이폴라 트랜지스터(1102)는 입사하는 빛의 양에 대응되는 전하를 발생시켜 출력한다. 로그 출력 트랜지스터(1104)는 이미지 센서를 선택하는 제어 신호(CTL)에 응답하여 온/오프 제어되고, 로그 출력 트랜지스터(1104)가 턴 온되면, 다이오드로 기능하여 로그 출력 트랜지스터 양단의 전압이 포토 바이폴라 트랜지스터(1102)의 에미터 단자로 흐르는 전류를 로그 스케일로 증폭시키며, 로그 출력 트랜지스터(1104)가 턴 오프되면, 포토 바이폴라 트랜지스터(1102)의 에미터-베이스 단자 사이의 전위 장벽이 형성될 때까지 이미지 센서의 플로팅 확산 영역(1114)을 리셋시키는 기능을 한다.
소스 팔로워 트랜지스터(1106)는 이미지 센서의 플로팅 확산 영역(1114)에 연결되어, 상기 플로팅 확산 영역(1114)의 전압에 대응되는 전압을 출력하는 감지 트랜지스터의 기능을 한다. 또한, 상기 소스 팔로워 트랜지스터(1106)는 제어 신호(CTL)에 응답하여 로우 선택 스위치의 기능도 겸한다.
본 발명에 따른 이미지 센서의 회로 구성을 살펴보면, 포토 바이폴라 트랜지스터(1102)의 콜렉터 단자는 접지 전압(Ground)에 연결되고, 베이스 단자는 커패시터(1108)에 연결되고, 에미터 단자는 이미지 센서의 플로팅 확산 영역(1114) 및 로그 출력 트랜지스터(1104)의 소스 단자에 연결된다. 로그 출력 트랜지스터(1104)의 게이트 단자는 커패시터(1108) 및 제어 신호 라인(1110)을 통해 입력되는 외부 제어 신호(CTL)에 연결되고, 드레인 단자는 전원 전압(VDD)에 연결되고, 소스 단자는 이미지 센서의 플로팅 확산 영역(1114) 및 포토 바이폴라 트랜지스터(1102)의 에미터 단자에 연결된다. 소스 팔로워 트랜지스터(1106)의 게이트 단자는 플로팅 확산 영역(1114)에 연결되고, 드레인 단자는 전원 전압(VDD)에 연결되고, 소스 단자는 전압 출력 라인(Vout; 1112)에 연결된다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따른 포토 바이폴라 트랜지스터 이미지 센서의 구조도이다.
도 12를 참조하여 포토 바이폴라 트랜지스터를 이용한 이미지 센서(1100)의 구조를 살펴보면, 상기 이미지 센서(1100)는 포토 바이폴라 트랜지스터(1102)의 콜렉터 단자로 기능하는 P-epi 영역(1201)이 형성되고, 상기 P-epi 영역(1201) 위에 포토 바이폴라 트랜지스터(1102)의 베이스 단자로 기능하는 N 웰 영역(1203)이 형성된다. 또한, 상기 P-epi 영역(1201) 위에 상기 N 웰 영역(1203) 주변에 형성된 P 웰 영역(1207)이 형성된다.
그리고, 상기 N 웰 영역(1203) 상층부에 포토 바이폴라 트랜지스터의 에미터 단자로 기능하는 P+ 영역(1205)이 형성된다. 상기 P 웰 영역(1207) 상부에는 이미지 센서의 전압을 출력하기 위한 전압 출력 라인(Vout; 1112)이 연결된 제1 액티브 영역(1209), 전원 전압(VDD)이 연결되는 제2 액티브 영역(1211) 및 플로팅 확산 영역(1114)이 형성되는 제3 액티브 영역(1213)이 형성된다.
또한, 상기 제1 액티브 영역(1209) 및 제2 액티브 영역(1211) 상부에는 소스 팔로워 트랜지스터(1106)의 게이트 단자 영역(1215)이 형성되고, 상기 제2 액티브 영역(1211) 및 제3 액티브 영역(1213) 상부 그리고 바이폴라 트랜지스터(1102)의 베이스 영역(1203)의 일부 상부에는 로그 출력 트랜지스터(1104)의 게이트 영역(1217)이 형성된다.
또한, 상기 로그 출력 트랜지스터(1104) 게이트 영역(1217)에는 제어 신호 라인(1110)이 연결되고, 바이폴라 트랜지스터(1102)의 에미터 단자 영역(1205), 상기 소스 팔로워 트랜지스터(1106)의 게이트 단자 영역(1215) 및 상기 제3 액티브 영역(1213)은 신호 라인(1219)을 통해 서로 연결된다.
이하, 도 11, 도 12 및 관련된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 풀-액티브 바이폴라 이미지 센서의 동작 과정을 설명한다.
제어 라인(1110)의 전위를 0V에서 하이 레벨로 천이시킨다. 그러면, 로그 출력 MOS 트랜지스터(1104)의 게이트 전위도 0V에서 하이 레벨로 천이되어 로그 출력 MOS 트랜지스터(1104)가 턴 온된다. 그러면, 도 13에 도시된 바와 같이 이미지 센서의 플로팅 확산 영역(1114)과 바이폴라 트랜지스터(1102)의 에미터 전위는 VDD 에 가까워진다. 또한, 바이폴라 트랜지스터(1102)의 베이스 전위도 로그 출력 MOS 트랜지스터(1104)와 상기 베이스 영역 사이에 커패시티 결합으로 인해 상승하게 된다.
이때, 도 14에 도시된 바와 같이, 바이폴라 트랜지스터의 에미터 전위 상승량보다 베이스 전위 상승량이 작기 때문에, 에미터-베이스 간은 순방향 바이어스되고, 베이스 단자로부터 전자 전류가 에미터 단자로 흘러간다. 따라서, 베이스 전위는 플러스 방향으로 좀 더 쉬프트 된다. 그리고, 최종적으로 도 15와 같이, 베이스-에미터 간 전위 장벽이 유지되어 안정된다.
그런 다음, 이미지 센서에 빛이 조사되어 포토 전류가 흐르는 상태를 설명한다.
도 16은 로그 출력 MOS 트랜지스터(1104)가 턴 온 상태의 이미지 센서의 등가 회로도이다. 또한, 도 17은 로그 출력 MOS 트랜지스터(1104)가 턴 온된 상태에서의 전류의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 16 및 도 17을 참조하면, 에미터 단자에서 흐르는 전류(IE)는 포토 전류(photo current)에 비해 β배 큰 값이다. 즉,
IE = β*IB = β*Ip (여기서, IB는 베이스에서 흐르는 전류, Ip는 포토 전류)
의 관계가 성립된다. IE 전류는 도 17에 도시된 에미터에서 콜렉터로 흐르는 홀 전류(hole current)이다. IE 전류는 이미지 센서로 입사되는 빛의 양에 비례한다.
한편, 도 16에서, 로그 출력 MOS 트랜지스터(1104)의 드레인 소스간 전압(Vds)과 에미터 전류(IE) 사이의 관계를 설명한다.
드레인 소스간 전압(Vds)은 다이오드로 기능하는 로그 출력 MOS 트랜지스터(1104)의 방향 특성을 나타내며, log(IE) 값에 비례한다. 따라서, 플로팅 확산 영역(1114)의 전위는 VDD-A*log(IE) 가 된다(A는 비례 정수).
또한, 도 16에 도시된 회로도에서, 플로팅 확산 영역(1114)의 전위에 대응하여, 소스 팔로워 트랜지스터(1106)의 소스 노드 전위가 정해진다. 이때, 본 발명에 따른 이미지 센서는 종래 기술과 달리 소스 팔로워 트랜지스터(1106)의 드레인 노드는 항상 전원 전압(VDD)이 공급되기 때문에 전압강하가 없다. 따라서, 본 발명에 따른 픽셀 회로 구성을 따르면, 빛의 강도에 대응하는 대수 출력을 전하 손실 없이 낼 수 있다.
이하, 도 11, 도 18 내지 도 20을 참조하여, 본 발명에 따른 이미지 센서의 로우(row) 선택 과정을 설명한다.
이미지 센서(1100)의 제어 라인(1110)에 하이 레벨의 제어 신호를 인가하면, 로그 출력 MOS 트랜지스터(1104)가 턴 온되고, 상기 제어 라인(1110)이 연결된 플로팅 확산 영역(1114)의 전위는 다른 로우(row)의 플로팅 확산 영역의 전위보다 높게 된다. 따라서, 상기 하이 레벨이 인가된 로우(row)의 소스 팔로워 트랜지스터(1106)의 소스 전위는 다른 소스 팔로워 트랜지스터의 소스 전위보다 높다. 그 결과, 상기 하이 레벨이 인가된 로우(row)가 선택되게 된다. 즉, 본 발명에 따른 이미지 센서는 별도의 로우 선택(row select) 스위치 또는 트랜지스터 없이도 원하는 픽셀의 데이터를 출력할 수 있는 효과가 있다.
상기 픽셀에서 로그 출력을 판독 한 후, 상기 선택된 로우(row)를 비선택 상태로 바꾸는 경우를 설명한다. 일반적인 CIS(CMOS Image sensor)에서는 로우 선택 스위치의 OFF를 통해, 이러한 동작을 달성한다.
하지만, 본 발명에 따른 이미지 센서는, 로그 출력 MOS 트랜지스터(1104)의 게이트에 연결된 제어 라인(1110)에 0V 의 전위를 인가함으로써 동일한 효과를 달성할 수 있다. 즉, 로그 출력 MOS 트랜지스터(1104)의 게이트를 하이 레벨에서 0V로 천이시키면, 바이폴라 트랜지스터(1102)의 베이스 전위는 도 18과 같이 상기 게이트 전극에 영향으로 0V에 가까워진다. 이때, 바이폴라 트랜지스터(1102)의 에미터-베이스 관계는 강한 순방향 바이어스가 형성되어, 도 19와 같이 에미터에서 콜렉터로 홀 전류(hole current)가 흐르게 된다.
그 결과, 도 20에 도시된 바와 같이, 로그 출력 MOS 트랜지스터(1104)는 턴 오프 상태이기 때문에, 플로팅 확산 영역(1114)의 전위는 0V에 가깝게 된다. 홀 전류가 에미터에서 콜렉터로 흐른 결과 에미터-베이스 사이에 전위 장벽(built-in potential)이 형성되면, 홀 전류의 흐름이 중단되고, 바이폴라 트랜지스터(1102)의 전위는 안정된다.
그리고, 이웃하는 다음 로우(row)를 판독하는 경우, 이미 데이터가 판독된 로우(row)는 플로팅 확산 영역이 상술한 바와 같이 충분히 낮은 전위를 갖기 때문에 선택되지 않는다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 따르면, 구조가 간단하고, 작은 에미터 전류에도 플로팅 확산 영역의 전위가 크게 변동할 수 있는 감도가 좋은 이미지 센서를 제공할 있다. 또한, 이미지 센서에 증폭 기능이 포함된 액티브 이미지 센서를 제공할 수 있으며, 별도의 리셋 트랜지스터 및 칼럼 선택 트랜지스터가 필요없는 액티브 이미지 센서가 제공될 수 있다.
도 1은 종래의 바이폴라 트랜지스터 이미지 센서의 회로도이다.
도 2a 및 도 2b는 종래의 바이폴라 트랜지스터 이미지 센서의 구조도이다.
도 3 내지 도 10은 종래의 바이폴라 트랜지스터 이미지 센서의 동작 과정을 나타낸 도이다.
도 11은 본 발명에 따른 바이폴라 트랜지스터 이미지 센서의 회로도이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따른 바이폴라 트랜지스터 이미지 센서의 구조도이다.
도 13 내지 도 20은 본 발명에 따른 바이폴라 트랜지스터 이미지 센서의 동작 과정을 나타낸 도이다.

Claims (10)

  1. 이미지 촬상 장치의 이미지 센서에 있어서,
    상기 이미지 센서는 입사하는 빛의 양에 따라 대응되는 전류를 출력하는 포토 바이폴라 트랜지스터;
    상기 이미지 센서를 선택하는 제어 신호에 응답하여 온/오프 제어되는 로그(log) 출력 트랜지스터; 및
    상기 이미지 센서의 플로팅 확산 영역에 연결되어 상기 플로팅 확산 영역의 전압에 대응되는 전압을 출력하는 감지 트랜지스터를 포함하며,
    상기 로그 출력 트랜지스터는 상기 로그 출력 트랜지스터가 턴 온되면, 상기 로그 출력 트랜지스터 양단의 전압은 상기 포토 바이폴라 트랜지스터의 에미터 단자로 흐르는 전류의 로그 스케일에 비례하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 상기 포토 바이폴라 트랜지스터의 베이스 단자와 상기 로그 출력 트랜지스터의 게이트 단자 사이에 커패시터 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 포토 바이폴라 트랜지스터는 PNP 바이폴라 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 로그 출력 트랜지스터 및 상기 감지 트랜지스터는 MOS 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 포토 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터 단자는 접지 전압에 연결되고, 베이스 단자는 상기 커패시터에 연결되며, 에미터 단자는 상기 이미지 센서의 플로팅 확산 영역 및 상기 로그 출력 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며,
    상기 로그 출력 트랜지스터의 게이트 단자는 상기 커패시터 및 외부 제어 신호에 연결되고, 드레인 단자는 전원 전압에 연결되고, 소스 단자는 상기 이미지 센서의 플로팅 확산 영역 및 상기 포토 바이폴라 트랜지스터의 에미터 단자에 연결되며,
    상기 감지 트랜지스터의 게이트 단자는 상기 이미지 센서의 플로팅 확산 영역에 연결되고, 드레인 단자는 상기 전원 전압에 연결되고, 소스 단자는 전압 출력 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 로그 출력 트랜지스터의 게이트 단자에 연결된 외부 제어 신호가 하이 레벨이면, 상기 로그 출력 트랜지스터는 턴 온 되어 다이오드 기능을 하여 상기 포토 바이폴라 트랜지스터에 흐르는 전류를 증폭시키고,
    상기 외부 제어 신호가 접지 전압 레벨이면, 상기 포토 바이폴라 트랜지스터의 에미터-베이스 단자 사이에 전위 장벽이 형성될 때까지 상기 플로팅 확산 영역의 전위를 낮추어 상기 이미지 센서를 리셋 시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 감지 트랜지스터는 소스 팔로워(source follower) 트랜지스터이며, 상기 로그 출력 트랜지스터의 게이트 단자에 연결된 외부 제어 신호에 응답하여 로우 선택 스위치의 기능을 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 외부 제어 신호가 하이 레벨일 때, 상기 로그 출력 트랜지스터는 턴 온되고, 상기 감지 트랜지스터의 소스 단자 전위는 다른 이미지 센서의 감지 트랜지스터의 소스 단자보다 높은 전위를 갖는 것을 통해 상기 이미지 센서의 로우가 선택되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 포토 바이폴라 트랜지스터를 이용한 이미지 센서에 있어서,
    상기 포토 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터 단자로 기능하는 P 영역;
    상기 P 영역 위에 형성되고, 상기 포토 바이폴라 트랜지스터의 베이스 단자로 기능하는 N 웰 영역;
    상기 P 영역 위에 형성되고, 상기 N 웰 영역 주변에 형성된 P 웰 영역;
    상기 N 웰 영역 상에 형성된 상기 바이폴라 트랜지스터의 에미터 단자 영역;
    상기 P 웰 영역 상에 형성되고, 상기 이미지 센서의 전압을 출력하기 위한 제1 액티브 영역;
    상기 P 웰 영역 상에 형성되고, 전원 전압에 연결된 제2 액티브 영역;
    상기 P 웰 영역 상에 형성된 플로팅 영역을 형성하는 제3 액티브 영역;
    상기 제1 액티브 영역 및 상기 제2 액티브 영역의 상부에 형성된 감지 트랜지스터의 게이트 단자 영역; 및
    상기 제2 액티브 영역, 상기 제3 액티브 영역 및 상기 N 웰 영역의 일부의 상부에 형성된 로그 출력 트랜지스터의 게이트 단자 영역을 포함하고,
    상기 로그 출력 트랜지스터 게이트 영역에는 제어 신호 라인이 연결되고,
    상기 바이폴라 트랜지스터의 에미터 단자 영역, 상기 감지 트랜지스터의 게이트 단자 영역 및 상기 제3 액티브 영역은 신호 라인을 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 액티브 영역은 제1 콘택을 통해 출력 라인과 연결되고, 상기 제2 액티브 영역은 제2 콘택을 통해 전원 전압 라인과 연결되며, 상기 제3 액티브 영역은 제3 콘택을 통해 상기 에미터 단자 영역 및 상기 감지 트랜지스터의 게이트 단자 영역과 연결되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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