KR20110078974A - Driving Method of Image Sensor - Google Patents
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Abstract
이미지 센서의 구동 방법이 제공된다. 이미지 센서의 구동 방법은 입사광량에 따라 전하를 발생하여 내부에 축적하도록 반도체 기판에 형성되는 포토다이오드, 상기 포토다이오드에 축적된 전하를 전송하도록 반도체 기판 상에 형성되는 전송 게이트, 및 신호로서 판독하기 위하여 상기 전송 게이트에 의해 전송되는 전하를 유지하는 부유 확산 영역을 포함하는 이미지 센서에서 상기 전송 게이트를 턴 오프시키는 단계, 및 상기 반도체 기판에 양(positive)의 전압을 인가하여 상기 포토다이오드 및 부유확산영역에 유지되는 전하를 배출시키는 리프래쉬 단계를 포함한다.A method of driving an image sensor is provided. A driving method of an image sensor includes a photodiode formed on a semiconductor substrate to generate charges and accumulate therein according to an incident light amount, a transfer gate formed on the semiconductor substrate to transfer charges accumulated on the photodiode, and read as a signal. Turning off the transfer gate in an image sensor comprising a floating diffusion region that retains charge transferred by the transfer gate, and applying a positive voltage to the semiconductor substrate to cause the photodiode and floating diffusion to And a reflash step of discharging the charge retained in the region.
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이미지 센서의 리프래쉬 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor devices, and more particularly, to a relash method of an image sensor.
이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자를 말하며, 그 종류에는 CCD(Charge Coupled Device) 방식의 소자 및 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 방식의 소자가 있다. 이미지 센서는 빛을 감지하는 포토다이오드를 포함하는 수광 영역과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직 영역으로 구성된다. 상기 이미지 센서의 단위 픽셀은 포토 다이오드와 하나 이상의 트랜지스터들로 구성될 수 있다.An image sensor refers to a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and includes a CCD (Charge Coupled Device) device and a CMOS (Complementary Metal-Oxide-Silicon) device. The image sensor is composed of a light receiving area including a photodiode for detecting light and a logic area for processing the detected light into an electrical signal to make data. The unit pixel of the image sensor may be composed of a photodiode and one or more transistors.
도 1은 일반적인 4-TR 구조를 갖는 이미지 센서의 단위 화소의 레이 아웃(100)을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 상기 단위 화소의 레이 아웃(100)은 1개의 포토 다이오드(PD, 20)와 전송 트랜지스터(Transfer transistor, Tx; 18), 리셋 트랜지스터(Reset transistor, Rx; 30), 구동 트랜지스터(Drive transistor, Dx; 40), 및 선택 트랜지스터(Select transistor, Sx; 50)를 포함한다.1 illustrates a
도 2는 도 1에 도시된 단위 화소의 회로도를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 일 반적으로 포토다이오드(20)에 축적되는 광전하를 전기 신호로 변환하는 방법은 다음과 같다.FIG. 2 is a circuit diagram of a unit pixel illustrated in FIG. 1. Referring to FIG. 2, a method of converting photocharges accumulated in the
전송 트랜지스터(18) 및 리셋 트랜지스터(30)를 턴 온시켜 포토 다이오드(20) 및 플로팅 확산 영역(25)에 대한 리프래쉬(refresh) 동작을 수행한다. 즉 여기서 리프래쉬 동작이란 포토 다이오드(20) 및 플로팅 확산 영역(25)에 저장된 전자를 빼내는 동작을 말한다.The
리프래쉬 동작 후에 전송 트랜지스터(18) 및 리셋 트랜지스터(30)를 턴 오프하고 플로팅 확산 영역(25)의 전위(이하 "제1 전위"라 한다)를 읽는다. 이후 다시 전송 트랜지스터(18)를 턴 온하여 플로팅 확산 영역(25)의 전위(이하 "제2 전위"라 한다)를 읽는다. 그리고 두 전위들, 즉 제1 전위와 제2 전위의 차이를 영상 신호(image signal)로 표시한다.After the refresh operation, the
상술한 바와 같이 리프레쉬 동작을 수행하기 위해서는 전송 트랜지스터(18) 및 리셋 트랜지스터(30)를 턴 온 또는 턴 오프시켜야 하며, 전송 트랜지스터(18)와 리셋 트랜지스터(30)를 턴 온 또는 턴 오프시킴에 의하여 KTC 노이즈가 존재할 수 있다.As described above, in order to perform the refresh operation, the
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 KTC 노이즈를 감소시킬 수 있는 이미지 센서의 리프래쉬 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a refresh method of an image sensor that can reduce KTC noise.
상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 구동 방법은 입사광량에 따라 전하를 발생하여 내부에 축적하도록 반도체 기판에 형성되는 포토다이오드, 상기 포토다이오드에 축적된 전하를 전송하도록 반도체 기판 상에 형성되는 전송 게이트, 및 신호로서 판독하기 위하여 상기 전송 게이트에 의해 전송되는 전하를 유지하는 부유 확산 영역을 포함하는 이미지 센서의 리프래쉬 방법에 있어서 상기 전송 게이트를 턴 오프시키는 단계, 및 상기 반도체 기판에 양(positive)의 전압을 인가하여 상기 포토다이오드 및 부유확산영역에 유지되는 전하를 배출시키는 리프래쉬 단계를 포함한다.The driving method of an image sensor according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a photodiode formed on a semiconductor substrate to generate a charge according to the amount of incident light and to accumulate therein, and transfers the charge accumulated in the photodiode. 10. A method of relashing an image sensor comprising: a transfer gate formed on a semiconductor substrate, and a floating diffusion region that retains charge transferred by said transfer gate for reading as a signal; And a re-flash step of applying a positive voltage to the semiconductor substrate to discharge charges held in the photodiode and the floating diffusion region.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 구동 방법은 전송 게이트를 턴 오프한 상태에서 반도체 기판에 양의 전압을 인가하여 포토다이오드와 부유 확산 영역을 리프래쉬시키기 때문에 전송 트랜지스터와 리셋 트랜지스터의 턴 온 또는 턴 오프에 의한 KTC 노이즈를 제거할 수 있는 효과가 있다.In the driving method of the image sensor according to the exemplary embodiment of the present invention, since the photodiode and the floating diffusion region are refreshed by applying a positive voltage to the semiconductor substrate while the transfer gate is turned off, the transfer transistor and the reset transistor are turned on or It is effective to remove KTC noise due to turn off.
이하, 본 발명의 기술적 과제 및 특징들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 본 발명을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, the technical objects and features of the present invention will be apparent from the description of the accompanying drawings and the embodiments. Looking at the present invention in detail.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소에 대한 회로도이며, 도 4는 도 3에 도시된 단위 화소의 리프래쉬 동작을 설명하기 위한 개념도이다.FIG. 3 is a circuit diagram of a unit pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a reflash operation of the unit pixel illustrated in FIG. 3.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소는 포토 다이오드(320), 전송 게이트(318), 부유 확산 영역(floating diffusion region, 325), 구동 트랜지스터(340) 및 선택 트랜지스터(350)를 포함한다.3 and 4, a unit pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention may include a
전송 게이트(318)는 포토다이오드(320)와 부유 확산 영역(325)에 접속되며, 전송 펄스(TG)에 응답하여 포토다이오드(320)에 축적된 광전하를 부유 확산 영역(325)으로 전송한다.The
예컨대, 전송 게이트(318)는 제1 도전형(예컨대, N형) 반도체 기판(410)의 제2 도전형(예컨대, P형) 웰(420) 상에 형성된다. 전송 게이트(318)는 게이트 산화막 및 게이트 전극이 적층된 형태이다. 또한 포토다이오드(320)는 전송 게이트(318) 일 측의 제2 도전형 웰(420) 내에 형성되며, 부유 확산 영역(325)은 전송 게이트(318) 다른 일 측의 제2 도전형 웰(420) 내에 형성된다.For example, the
구동 트랜지스터(340)는 부유 확산 영역(325)의 전압을 판독하기 위하여 드레인(drain)이 제1 전원(VDD)에 접속되고, 게이트 전극이 부유 확산 영역(325)에 접속된다.In the
선택 트랜지스터(350)는 구동 트랜지스터(340)와 신호선(300) 사이에 접속되 며, 게이트로 입력되는 선택 펄스(SEL)에 응답하여 신호를 판독할 단위 화소를 선택한다. 예컨대, 선택 트랜지스터(350)의 드레인은 구동 트랜지스터(340)의 소스(source)에 접속되고, 선택 트랜지스터(350)의 소스는 신호선(300)에 접속되며, 선택 트랜지스터(250)의 게이트에는 선택 펄스(SEL)가 입력된다.The
도 3 및 도 4에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소는 부유 확산 영역(325)을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터를 포함하지 않는다.The unit pixel of the image sensor shown in FIGS. 3 and 4 does not include a reset transistor for resetting the
리셋 트랜지스터를 생략하는 대신에 이미지 센서의 단위 화소에 대한 리프래쉬 동작은 다음과 같이 수행된다.Instead of omitting the reset transistor, a refresh operation for the unit pixel of the image sensor is performed as follows.
전송 게이트(318)를 턴 오프시킨 상태에서 단위 화소에 대한 리프래쉬 구간 동안 반도체 기판(410)에 양(positive)의 전압(Vb)을 인가하여 포토 다이오드(320)에 축적된 전하 및 부유 확산 영역(325)에 유지되는 전하를 비운다.Charge and floating diffusion regions accumulated in the
예컨대, 반도체 기판(410)에 양의 고전압(Vb, 예컨대, 2.5~4V)을 인가하여 포토 다이오드(320)에 축적된 전하 및 부유 확산 영역(325)에 유지되는 전하를 반도체 기판(410)으로 배출시킴으로써 리프래쉬 동작을 수행한다. 그리고 리프래쉬 동작의 수행이 완료되면 반도체 기판(410)에 그라운드 전압(GND)을 인가한다. 리프래쉬 동작 완료 후 부유 확산 영역(325)의 제1 전위를 신호선(300)으로 판독한다For example, by applying a positive high voltage (Vb, for example, 2.5 to 4V) to the
다음으로 포토다이오드(320)를 노광시켜 광전하를 포토다이오드(320)에 축적시킨다. 노광이 종료되면 전송 게이트(318)를 턴 온시켜 포토다이오드(320)에 축적된 광전하를 부유 확산 영역(325)으로 전송한다. Next, the
그리고 전송 게이트(318)를 턴 오프시켜 부유 확산 영역(325)에 전송된 광전 하를 유지시킨다. 유지되는 광전하에 따라 구동 트랜지스터(340)가 구동되며, 구동 트랜지스터(340)의 구동에 의하여 결정되는 제2 전위를 신호선(300)으로 판독한다.The
판독된 제1 전위 및 제2 전위의 차이를 영상 신호(image signal)로 표시한다.The difference between the read first and second potentials is represented by an image signal.
본원 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 구동 방법은 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터를 턴 온시킴으로써 포토다이오드와 부유 확산 영역을 리프래쉬시키는 것이 아니라, 전송 게이트를 턴 오프한 상태에서 반도체 기판에 양의 전압을 인가하여 포토다이오드와 부유 확산 영역을 리프래쉬시키기 때문에 전송 트랜지스터와 리셋 트랜지스터의 턴 온 또는 턴 오프에 의한 KTC 노이즈를 제거할 수 있다. 또한 리셋 트랜지스터가 필요하지 않기 때문에 단위 화소 내에서의 포토다이오드의 필 펙터 사이즈(Fill factor size)를 충분히 확보하여 픽셀 성능을 향상시킬 수 있다.The driving method of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention does not reflash the photodiode and the floating diffusion region by turning on the transfer transistor and the reset transistor, but applies a positive voltage to the semiconductor substrate while the transfer gate is turned off. Since the photodiode and the floating diffusion region are applied to each other, the KTC noise due to the turning on or turning off of the transfer transistor and the reset transistor can be removed. In addition, since no reset transistor is required, the pixel factor can be improved by sufficiently securing the fill factor size of the photodiode in the unit pixel.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Will be clear to those who have knowledge of. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification but should be defined by the claims.
도 1은 일반적인 4-TR 구조를 갖는 이미지 센서의 단위 화소의 레이 아웃을 나타낸다.1 illustrates a layout of unit pixels of an image sensor having a general 4-TR structure.
도 2는 도 1에 도시된 단위 화소의 회로도를 나타낸다.FIG. 2 is a circuit diagram of a unit pixel illustrated in FIG. 1.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 단위 화소에 대한 회로도이다.3 is a circuit diagram of a unit pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment.
도 4는 도 3에 도시된 단위 화소의 리프래쉬 동작을 설명하기 위한 개념도이다.FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a reflash operation of a unit pixel illustrated in FIG. 3.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2018151499A1 (en) * | 2017-02-20 | 2018-08-23 | (주)픽셀플러스 | Method for driving pixels and cmos image sensor using same |
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2009
- 2009-12-31 KR KR1020090135911A patent/KR20110078974A/en not_active Withdrawn
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WO2018151499A1 (en) * | 2017-02-20 | 2018-08-23 | (주)픽셀플러스 | Method for driving pixels and cmos image sensor using same |
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PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20091231 |
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