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KR101046817B1 - 센싱 감도를 개선하기 위한 이미지 센서 및 그 구동 방법 - Google Patents

센싱 감도를 개선하기 위한 이미지 센서 및 그 구동 방법 Download PDF

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KR101046817B1 KR1020030098552A KR20030098552A KR101046817B1 KR 101046817 B1 KR101046817 B1 KR 101046817B1 KR 1020030098552 A KR1020030098552 A KR 1020030098552A KR 20030098552 A KR20030098552 A KR 20030098552A KR 101046817 B1 KR101046817 B1 KR 101046817B1
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Abstract

본 발명은 필 펙터 값을 증가시켜 감도를 개선한 이미지 센서 및 그 구동 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명의 이미지 센서는 로우 방향으로 N개, 컬럼 방향으로 M개의 단위 화소들로 어레이되며(N 및 M은 자연수임), 서로 이웃하는 제1 및 제2 컬럼라인에 위치한 상기 단위 화소들의 데이터 출력단이 1개의 공통 컬럼버스에 연결되도록 구성되는 화소 어레이를 포함한다.
Figure R1020030098552
이미지 센서, 화소 어레이, 단위 화소, 감도, 필 펙터

Description

센싱 감도를 개선하기 위한 이미지 센서 및 그 구동 방법{Image sensor for improving a sensitivity of sensor and method for driving thereof}
도 1은 CMOS 이미지 센서에서 일반적으로 채용되고 있는 단위 화소의 상세 구조도.
도 2는 단위 화소의 각 트랜지스터들을 제어하는 신호 타이밍도.
도 3은 상기 단위 화소들의 어레이 구조를 도시한 종래의 화소 어레이 도면.
도 4는 단위 화소들의 어레이 구조를 도시한 본 발명의 일실시예에 따른 화소 어레이 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 화소 어레이를 구성하는 단위 화소를 제어하는 신호 타이밍도.
*도면의 주요 부분에 대한 설명
100 : 단위 화소 101 : 포토 다이오드
MT : 트랜스퍼 트랜지스터 MR : 리셋 트랜지스터
MD : 드라이브 트랜지스터 MS : 셀렉트 트랜지스터
본 발명은, 이미지 센서(image sensor)에 관한 것으로서, 특히 씨모스(Complementary Metal Oxide Semiconductor, 이하 CMOS라 함) 이미지 센서를 구성하는 화소 어레이(pixel array)의 구조에 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 보이는 데, 이 전기적인 값을 신호 처리가 가능한 레벨로 만들어 주는 것이 바로 이미지 센서가 하는 일이다.
이를 위해 이미지 센서는 수만에서 수백만 개의 단위 화소로 구성된 화소 어레이와, 각 단위 화소에서 감지한 아날로그 전압을 디지털 전압으로 바꿔주는 장치와, 이를 저장하는 저장 장치 등으로 구성된다.
도 1은 CMOS 이미지 센서에서 일반적으로 채용되고 있는 단위 화소의 상세 구조도이고, 도 1에 도시된 바와 같이, 단위 화소(100)는 1개의 포토 다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 4개의 트랜지스터는 포토 다이오드(101)에 생성된 광전하를 센싱 노드(D)로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(MT)와, 다음 신호 검출을 위해 상기 센싱 노드(D)에 저장되어 있는 전하를 배출하기 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. 여기서, 셀렉트 트랜지스터(MS)의 일측은 데이터 출력단(data_out)에 연결된다.
한편, 상기와 같이 구성되는 단위 화소를 구비한 이미지 센서는 일반적으로 고화질의 이미지 생성을 위해 상호 연관된 이중 샘플링 방식(Correlated Double Sampling method, 이하 CDS라 함)을 지원하는 데, 여기서 CDS라 함은 먼저 리셋 레벨에 해당하는 전압을 얻고, 그 다음 포토 다이오드(101)에서 생성된 전하를 읽어내어 데이터 전압을 얻은 후 리셋 레벨의 전압과 데이터 레벨의 전압 차이를 구해 이미지 센서로부터 출력되는 이미지 출력값으로 출력하는 방식을 의미한다.
도 2는 단위 화소의 각 트랜지스터들을 제어하는 신호 타이밍도로서, 이를 참조하여 단위 화소의 동작을 살펴본다.
먼저, 셀렉트 트랜지스터(MS)가 턴-오프된 상태에서 리셋 트랜지스터(MR) 및 트랜스퍼 트랜지스터(MT)를 각각 턴-온시켜 포토 다이오드(101)를 초기화하고(도 2의 A 구간), 이후 트랜스퍼 트랜지스터(MT)를 턴-오프시켜 포토 다이오드(101)에서 빛을 흡수하여 광전하를 생성 및 생성된 광전하를 집적한다. 다음으로, 셀렉트 트랜지스터(MS)를 턴-온시켜 센싱 노드(D)의 리셋값(Reset)을 데이터 출력단(data_out)으로 출력한다(도 2의 B 구간). 다음으로, 트랜스퍼 트랜지스터(MT)를 턴-온시켜 포토 다이오드(101)의 데이터 값이 센싱노드(D)로 이동되어 저장되도록 하고, 이후 셀렉트 트랜지스터(MS)를 턴-온시켜 센싱노드(D)의 값(Data)을 데이터 출력단(data_out)으로 출력한다(도 2의 C 구간). 이와 같이, 데이터 출력단(data_out)으로 출력된 데이터는 도면에는 도시되지 않았지만 뒷단에 연결되는 CDS 회로를 통해 처리된다. 이 과정은 본 발명의 요지를 벗어나므로 그 상세한 설명은 생략한다.
한편, 도 3은 상기 단위 화소들의 어레이 구조를 도시한 종래의 화소 어레이 도면으로, 이를 참조하면 종래의 화소 어레이는 동일 컬럼에 위치한 다수의 단위 화소 각각의 데이터 출력단(data_out)이 컬럼별로 구비된 하나의 컬럼 버스에 공통 연결되도록 구성된다. 또한, 동일 컬럼에 위치한 다수의 단위 화소 각각의 VDD단 역시 컬럼별로 구비된 하나의 공통 VDD라인에 연결되도록 구성된다. 즉, 단위 화소를 가로 N개, 세로 M개로 배치하여 구성한 화소 어레이에서 제1 컬럼 라인에 위치한 M개 단위 화소의 데이터 출력단들 및 VDD단들은 제1 컬럼 버스(Column_bus 1) 및 VDD라인(VDD1)에 각각 연결되고, 제2 컬럼 라인에 위치한 M개 단위화소의 데이터 출력단들 및 VDD단들은 제2 컬럼 버스(Column_bus 2) 및 VDD라인(VDD2)에 각각 연결된다.
이러한 구성으로 배열되는 화소 어레이는, 각 컬럼별로 하나씩의 컬럼 버스 및 VDD라인을 구비하게 되어 이미지 센서의 성능 척도 중의 하나인 감도(Sensitivity)를 결정하는 필 펙터(Fill-Factor)(화소 전체의 면적 대비 빛을 수광하는 면적인 포토다이오드의 면적 비로 정의됨)의 값을 증가시키는 데 한계를 가짐에 따라 이미지 센서의 감도가 상대적으로 떨어지는 문제점을 갖는다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으 로, 필 펙터 값을 증가시켜 감도를 개선한 이미지 센서 및 그 구동 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 로우 방향으로 N개, 컬럼 방향으로 M개의 단위 화소들로 어레이되며(N 및 M은 자연수임), 서로 이웃하는 제1 및 제2 컬럼라인에 위치한 상기 단위 화소들의 데이터 출력단이 1개의 공통 컬럼버스에 연결되도록 구성되는 화소 어레이를 구비하는 이미지 센서가 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 단일 센싱 노드를 사용하고 광전하 생성 수단에서 생성된 광전하에 응답하여 이미지 데이터를 내보내는 다수의 단위 화소들이 로우 방향으로 N개, 컬럼 방향으로 M개 어레이되며(N 및 M은 자연수임), 서로 이웃하는 제1 및 제2 컬럼라인에 위치한 상기 단위 화소들의 데이터 출력단이 1개의 공통 컬럼버스에 연결되고, 상기 제1 및 제2 컬럼라인에 위치한 상기 단위 화소들의 전원공급단(VDD)이 1개의 공통 전원공급라인에 연결되도록 구성되는 화소 어레이를 구비한 이미지 센서의 구동 방법에 있어서,
상기 광전하 생성수단에서 광전하를 생성하는 단계; 상기 단위 화소들 각각의 센싱 노드를 리셋하는 단계; 상기 제1 컬럼라인에 위치한 상기 단위 화소의 상기 센싱 노드의 리셋 데이터를 상기 공통 컬럼버스로 출력하는 단계; 상기 제2 컬럼라인에 위치한 상기 단위 화소의 상기 센싱 노드의 리셋 데이터를 상기 공통 컬 럼버스로 출력하는 단계; 상기 광전하를 생성하는 단계에서 생성된 광전하에 대응하는 이미지 데이터를 상기 센싱 노드로 전달하는 단계; 상기 제1 컬럼라인에 위치한 상기 단위 화소의 상기 센싱 노드의 이미지 데이터를 상기 공통 컬럼버스로 출력하는 단계; 및 상기 제2 컬럼라인에 위치한 상기 단위 화소의 상기 센싱 노드의 이미지 데이터를 상기 공통 컬럼버스로 출력하는 단계를 포함하는 이미지 센서 구동 방법이 제공된다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
도 4는 단위 화소들의 어레이 구조를 도시한 본 발명의 일실시예에 따른 화소 어레이 도면으로, 이를 참조하면 본 발명의 화소 어레이는 서로 이웃하는 2개의 컬럼에 위치한 모든 단위 화소들의 데이터 출력단(data_out)이 1개의 컬럼 버스에 공통 연결되고, 또한 서로 이웃하는 2개의 컬럼에 위치한 모든 단위 화소들의 VDD단 역시 1개의 공통 VDD라인에 연결되도록 구성된다. 도면에서 각 단위 화소(100)의 내부 상세 구성은 도 1에 도시된 바와 동일하고, 공통 VDD라인은 각 단위 화소의 리셋 트랜지스터(MR) 및 드라이브 트랜지스터(MD) 일측에 공통 연결되며, 컬럼 버스는 각 단위 화소의 셀렉트 트랜지스터(MS) 일측(즉, data_out)에 공통 연결된다.
보다 구체적으로, 본 발명의 화소 어레이에 대해 설명하면, 단위 화소를 가 로 N개, 세로 M개로 배치하여 구성한 화소 어레이(N×M)에서 제1 컬럼 라인(10) 및 제1 컬럼 라인(10)과 이웃한 제2 컬럼 라인(20) 각각에 위치한 단위 화소들(2×M개)의 데이터 출력단 및 VDD단은 제1 컬럼 버스(Column_bus 1) 및 VDD라인(VDD1)에 공통 연결되고, 다음으로, 제3 컬럼 라인(30) 및 제3 컬럼 라인(30)과 이웃한 제4 컬럼 라인(40)에 각각에 위치한 단위 화소들(2×M개)의 데이터 출력단 및 VDD단은 제2 컬럼 버스(Column_bus 2) 및 VDD라인(VDD2)에 공통 연결된다.
이와 같이, 2개의 컬럼 라인별로 1개의 컬럼 버스 및 1개의 VDD라인을 배치하여 2개의 컬럼 라인의 단위 화소들이 컬럼 버스 및 VDD라인을 공유할 수 있도록 본 발명의 화소 어레이를 구성함으로써 종래의 화소 어레이 대비 화소 어레이에서 컬럼 버스 및 VDD라인이 차지하는 면적을 줄일 수 있다. 그리고, 이 줄인 면적만큼 단위 화소의 포토 다이오드의 면적을 크게 함으로써 필 펙터 값을 크게 하여 이미지 센서의 감도를 높일 수 있다.
다음으로, 본 발명과 같이 구성되는 화소 어레이에서의 단위 화소 구동을 도 4 및 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 화소 어레이를 구성하는 단위 화소를 제어하는 신호 타이밍도로서, 초기화 과정은 종래와 동일하게, 먼저 셀렉트 트랜지스터(MS)가 턴-오프된 상태에서 리셋 트랜지스터(MR) 및 트랜스퍼 트랜지스터(MT)를 각각 턴-온시켜 포토 다이오드를 초기화하고(도 5의 A 구간), 이후 트랜스퍼 트랜지스터(MT)를 턴-오프시켜 포토 다이오드에서 빛을 흡수하여 광전하를 생성 및 생성된 광전하를 집적한다. 다음으로, 제1 컬럼 라인(10)의 셀렉트 트랜지스터(MS)와 제2 컬럼 라인(20)의 셀렉트 트랜지스터(MS)를 순차적으로 턴-온시켜 각각의 센싱 노드(D1, D2)의 리셋값(Reset)을 제1 컬럼 버스(Column_bus1)로 순차적으로 출력한다(도 5의 D 구간). 다음으로, 트랜스퍼 트랜지스터(MT)를 턴-온시켜 포토 다이오드의 데이터 값이 센싱노드(D1, D2)로 이동되어 저장되도록 하고, 이후 제1 컬럼 라인(10)의 셀렉트 트랜지스터(MS)와 제2 컬럼 라인(20)의 셀렉트 트랜지스터(MS)를 순차적으로 턴-온시켜 각각의 센싱노드(D1, D2)의 값(Data)을 제1 컬럼 버스(Column_bus1)로 출력한다(도 5의 E 구간).
전술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 화소 어레이의 구동 방법은 종래의 방법과 유사하되, 2개의 컬럼 라인에 연결되는 단위 화소들이 1개의 컬럼 버스에 공통 연결되어 있기 때문에 소정의 간격을 두고 제1 및 제2 컬럼 라인의 단위 화소 데이터들(리셋 및 이미지 데이터)을 컬럼 버스로 순차적으로 출력하도록 제어한다.
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, 2개의 컬럼 라인별로 1개의 컬럼 버스 및 1개의 VDD라인을 배치하여 2개의 컬럼 라인의 단위 화소들이 공유하도록 화소 어레이를 구성함으로써 컬럼 버스 및 VDD라인이 차지하는 면적을 줄여 포토 다이오드의 면적을 증대시켜 이미지 센서의 감도를 높이는 탁월한 효과를 구현한다. 이는 포토 다이오드의 면적이 커지면 이미지 센서 감도에 영향을 미치는 필 펙터 값이 증가하기 때문이다.

Claims (7)

  1. 로우들 및 컬럼들에서 M×N 단위 화소들을 갖는 화소 어레이를 포함하는 이미지 센서로서,
    상기 M과 N은 양의 정수이며, 서로 인접한 제 1 및 제 2 컬럼 라인들에 배열되는 상기 단위 화소들의 데이터 출력단들은 하나의 공통 컬럼 버스에 연결되며, 상기 단위 화소들 각각은,
    광전하들을 생성하기 위해 물체(object)로부터 광을 수신하기 위한 광 센싱 부재;
    상기 광전하들을 상기 광 센싱 부재로부터 센싱 노드로 선택적으로 전달하기 위한 트랜스퍼 수단;
    센싱 노드를 리셋하기 위한 리셋 수단;
    일측이 공통 전원공급라인에 연결되며, 셀렉트 수단으로의 전달을 위해 상기 센싱 노드상에 인가되는 전기 신호를 전달 및 증폭시키기 위한 드라이브 수단; 및
    제어 신호에 응답하여 상기 공통 컬럼 버스로 리셋 데이터 또는 이미지 데이터를 선택적으로 출력하기 위한 셀렉트 수단
    을 포함하며, 상기 제 1 컬럼 라인상에 배열되는 상기 단위 화소들의 상기 셀렉트 수단 각각은 소정 시간이 지난 후, 상기 공통 컬럼 버스로 상기 리셋 데이터 또는 상기 이미지 데이터를 출력하도록 인에이블되며,
    상기 제 2 컬럼 라인상에 배열되는 상기 단위 화소들의 상기 셀렉트 수단 각각은 상기 공통 컬럼 버스로 상기 리셋 데이터 또는 상기 이미지 데이터가 출력되도록 인에이블되며,
    상기 제 1 및 제 2 컬럼 라인들상에 배열되는 상기 단위 화소들의 전원공급단들(VDD)은 하나의 공통 전원공급 라인에 연결되는, 이미지 센서.
  2. 로우들 및 컬럼들에서 M×N 단위 화소들을 갖는 화소 어레이를 포함하는 이미지 센서로서,
    상기 M과 N은 양의 정수이며, 서로 인접한 제 1 및 제 2 컬럼 라인들에 배열되는 상기 단위 화소들의 데이터 출력단들은 하나의 공통 컬럼 버스에 연결되며, 상기 단위 화소들 각각은,
    광전하들을 생성하기 위해 물체(object)로부터 광을 수신하기 위한 광다이오드;
    상기 광전하들을 상기 광다이오드로부터 센싱 노드로 선택적으로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터;
    일측이 공통 전원공급 라인에 연결되며 상기 센싱 노드를 리셋하기 위한 리셋 트랜지스터;
    일측이 상기 공통 전원공급라인에 연결되며, 셀렉트 수단으로의 전달을 위해 상기 센싱 노드상에 인가되는 전기 신호를 전달 및 증폭시키기 위한 드라이브 트랜지스터; 및
    제어 신호에 응답하여 상기 공통 컬럼 버스로 리셋 데이터 또는 이미지 데이터를 선택적으로 출력하기 위한 셀렉트 수단
    을 포함하며, 상기 제 1 컬럼 라인상에 배열되는 상기 단위 화소들의 상기 셀렉트 수단 각각은 소정 시간이 지난 후, 상기 공통 컬럼 버스로 상기 리셋 데이터 또는 상기 이미지 데이터를 출력하도록 인에이블되며,
    상기 제 2 컬럼 라인상에 배열되는 상기 단위 화소들의 상기 셀렉트 수단 각각은 상기 공통 컬럼 버스로 상기 리셋 데이터 또는 상기 이미지 데이터가 출력되도록 인에이블되며,
    상기 제 1 및 제 2 컬럼 라인들상에 배열되는 상기 단위 화소들의 전원공급단들(VDD)은 하나의 공통 전원공급 라인에 연결되는, 이미지 센서.
  3. 로우들 및 컬럼들에서 M×N 단위 화소들을 갖는 화소 어레이를 포함하는 이미지 센서를 구동시키는 방법으로서,
    상기 M과 N은 양의 정수이며, 서로 인접한 제 1 및 제 2 컬럼 라인들에 배열되는 상기 단위 화소들의 데이터 출력단들은 하나의 공통 컬럼 버스에 연결되며, 상기 제 1 및 제 2 컬럼 라인들상에 배열되는 상기 단위 화소들의 전원공급단들(VDD)은 하나의 공통 전원공급 라인에 연결되며, 상기 방법은,
    광 센싱 부재에 의해 물체로부터의 광에 응답하여 광전하들을 생성하는 단계;
    상기 단위 화소들의 각각의 센싱 노드들을 셋팅하는 단계;
    상기 제 1 컬럼 라인상에 배열된 상기 단위 화소들의 상기 센싱 노드들의 리셋 데이터를 상기 공통 컬럼 버스로 출력하고, 소정 시간이 지난 후에 상기 제 2 컬럼 라인상에 배열된 상기 단위 화소들의 상기 센싱 노드들의 리셋 데이터를 상기 공통 컬럼 버스로 출력하는 단계;
    상기 센싱 노드로 이미지 데이터를 전달하는 단계 ―상기 이미지 데이터는 생성된 상기 광전하들에 대응함―; 및
    각각의 단위 화소에 포함된 셀렉트 수단을 제어하기 위해 제어 신호에 응답하여, 상기 제 1 컬럼 라인상에 배열된 상기 단위 화소들의 상기 센싱 노드들의 상기 이미지 데이터를 상기 공통 컬럼 버스로 출력하고, 소정 시간이 지난 후에 상기 2컬럼 라인상에 배열된 상기 단위 화소들의 상기 센싱 노드들의 상기 이미지 데이터를 상기 공통 컬럼 버스로 출력하는 단계
    를 포함하는, 이미지 센서를 구동시키는 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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