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KR20110108987A - Ｃｍｏｓ 이미지 센서 - Google Patents

Ｃｍｏｓ 이미지 센서 Download PDF

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KR20110108987A
KR20110108987A KR1020100028512A KR20100028512A KR20110108987A KR 20110108987 A KR20110108987 A KR 20110108987A KR 1020100028512 A KR1020100028512 A KR 1020100028512A KR 20100028512 A KR20100028512 A KR 20100028512A KR 20110108987 A KR20110108987 A KR 20110108987A
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KR
South Korea
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transistor
sample
image sensor
sampling
cmos image
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Application number
KR1020100028512A
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English (en)
Inventor
손영철
김광오
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주식회사 하이닉스반도체
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Publication date
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Abstract

리셋 트랜지스터, 전송 트랜지스터, 선택 트랜지스터 및 포토 다이오드를 구비한 단위 픽셀을 포함하는 CMOS 이미지 센서에 있어서, 선택 트랜지스터의 소스에 연결되어 기준 전압을 샘플링하는 제1 샘플 및 홀드부와, 선택 트랜지스터의 소스에 연결되어 포토 다이오드에서 광전 변환된 영상 신호를 샘플링하는 제2 샘플 및 홀드부를 포함하는 CMOS 이미지 센서 픽셀가 제공되며, 제2 샘플 및 홀드부는, 제1 샘플 및 홀드부가 기준 전압을 샘플링한 후에, 전송 트랜지스터가 온 상태인 동안에 영상 신호를 샘플링한다.

Description

ＣＭＯＳ 이미지 센서{CMOS IMAGE SENSOR}
본 발명은 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 전송 트랜지스터의 클록 피드스루, 전압 유입 에러 및 전하 재분배에 의한 노이즈를 제거할 수 있는 CMOS 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(image sensor)란 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 포착(capture)하는 장치이다. 이미지 센서는 복수의 포토 다이오드와 같은 이미지 센싱 소자들과 트랜지스터들을 갖는 픽셀 어레이를 포함하고, 물체로부터 빛을 수신하여 전기적인 이미지 신호를 발생시킨다. 특히, CMOS 기술을 이용하여 제조된 이미지 센서를 CMOS 센서라고 한다.
CMOS 센서의 단위 픽셀은 포토 다이오드, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 구동 트랜지스터 및 선택 트랜지스터를 구비하고, 각 트랜지스터의 동작에 의해 기준 전압 및 포토 다이오드에서 수광된 광전하에 의한 영상 신호가 샘플링되어 이미지 데이터로 처리된다.
도 1은 CMOS 이미지 센서 픽셀에서의 리셋 또는 전송 트랜지스터인 MOS 스위치와 플로팅 커패시터 부분을 개략적으로 도시한 회로도이다. 도 1에서는 제어 신호(SAMPLE)에 응답하는 스위칭 동작을 통해 입력 신호(Vin)를 출력하는 MOS 스위치(SW)와, MOS 스위치에서 출력되는 신호를 샘플링하는 샘플링 커패시터(Cs)가 도시된다. 이러한 회로는 MOS(Metal Oxide Semiconductor)를 스위치로 사용함으로 인해 발생되는 클록 피드스루(clock feedthrough), 전하 주입 에러(charge injection error) 및 전하 재분배의 문제가 있다.
클록 피드스루 또는 전하 주입 에러란, MOS 트랜지스터(SW)가 스위치로서 사용되는 경우, MOS 트랜지스터(SW)가 온에서 오프로 스위칭할 때 MOS 스위치(SW)의 기생 용량을 통해 샘플링 커패시터(Cs)에 발생하는 노이즈 현상을 말한다.
또한, 전하 재분배란, MOS 트랜지스터(SW)가 온에서 오프로 스위칭할 때 MOS 스위치(SW)의 외부로 전하의 유출이 이루어지게 되는데, 유출된 전하는 MOS 트랜지스터(SW1)의 소스와 드레인 측으로 각각 재분배되는 현상을 말하며, 전하 재분배에 의해 샘플링 커패시터(Cs)에 노이즈를 더 제공할 수 있다.
따라서, 샘플링 커패시터(Cs)에 샘플링된 전하량은 클럭 피드스루, 전하 주입 에러 및 전하 재분배에 의해 발생한 노이즈 성분을 포함하게 되어, 결과 이미지의 품질이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 전송 트랜스포머의 스위칭 동작에 의한 클록 피드스루, 전하 유입 에러 및 전하 재분배에 의한 노이즈를 제거할 수 있는 CMOS 이미지 센서를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 리셋 트랜지스터, 전송 트랜지스터, 선택 트랜지스터 및 포토 다이오드를 구비한 단위 픽셀을 포함하는 CMOS 이미지 센서에 있어서, 선택 트랜지스터의 소스에 연결되어 기준 전압을 샘플링하는 제1 샘플 및 홀드부와, 선택 트랜지스터의 소스에 연결되어 포토 다이오드에서 광전 변환된 영상 신호를 샘플링하는 제2 샘플 및 홀드부를 포함하는 CMOS 이미지 센서 픽셀가 제공되며, 제2 샘플 및 홀드부는, 제1 샘플 및 홀드부가 기준 전압을 샘플링한 후에, 전송 트랜지스터가 온 상태인 동안에 영상 신호를 샘플링한다.
일 실시예에서, 제1 샘플 및 홀드부는, 기준 전압을 샘플링하는 제1 샘플링 커패시터와, 선택 트랜지스터 및 제1 샘플링 커패시터 사이에 연결되어 제1 샘플링 커패시터의 샘플링 동작을 스위칭하는 제1 트랜지스터를 포함할 수 있으며, 제2 샘플 및 홀드부는, 영상 신호를 샘플링하여 출력하는 제2 샘플링 커패시터와, 선택 트랜지스터 및 제2 샘플링 커패시터 사이에 연결되어 제2 샘플링 커패시터의 샘플링 동작을 스위칭하는 제2 트랜지스터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 트랜지스터는, 리셋 트랜지스터가 온-오프 동작한 후에 제1 샘플링 커패시터가 기준 전압을 샘플링하도록 스위칭 동작하고, 제2 트랜지스터는, 전송 트랜지스터가 온인 동안에 제2 샘플링 커패시터가 영상 신호를 샘플링하도록 스위칭 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에 의하면, 전송 트랜지스터가 영상 신호의 샘플링 후에 온 상태에서 오프 상태로 천이하므로, 전송 트랜지스터의 온에서 오프로의 스위칭에서 발생하는 클록 피드스루, 전하 주입 오류 및 전하 재분배에 의한 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있어, 결과 이미지의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 이미지 센서 픽셀에서의 리셋 또는 전송 트랜지스터와 플로팅 커패시터 부분을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀에 대한 회로도이다.
도 3는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서 픽셀의 동작 타이밍 차트를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 픽셀의 동작 타이밍 차트를 도시한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀에 대한 개략적인 회로도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이미지 센서의 단위 픽셀은 1개의 포토 다이오드(PD)와 4개의 트랜지스터(Tx, Rx, Dx, Sx)와, 4개의 트랜지스터는 포토 다이오드(PD)에 생성된 광전하를 센싱 노드(FD)로 전달하기 위한 전송 트랜지스터(Tx)와, 다음 신호 검출을 위해 센싱 노드(FD)에서 플로팅 커패시터(Cf)에 저장되어 있는 전하를 배출하며, 기준 전압의 레벨을 읽기 위한 리셋 트랜지스터(Rx)와, 포토 다이오드(PD)에서 광전 변환된 영상 신호에 의한 센싱 노드(FD)의 수광 전압을 제1 및 제2 샘플 및 홀드부(210, 220)에 전송하기 위한 소스 팔로워인 구동 트랜지스터(Dx) 및 행 단위로 픽셀의 센싱 노드(FD) 전압을 샘플링하도록 어드레싱하는 선택 트랜지스터(Sx)이다. 또한, 이미지 센서는, 도시된 바와 같이, 제1 샘플 및 홀더부(210)와, 제2 샘플 및 홀더부(220)를 더 구비한다.
이러한 이미지 센서의 동작을 설명하면, 행 선택 신호(SL)가 논리 하이 상태로 액티브된 상태에서, 리셋 게이트 신호(RS)가 논리 하이 상태로 액티브되면 리셋 트랜지스터(Rx)가 턴 온됨에 따라서 센싱 노드(FD)의 전압(기준 전압)이 소스 팔로워 트랜지스터인 구동 트랜지스터(Dx)의 소스 단자로 출력된다. 논리 하이 레벨의 행 선택 신호(SL)에 의해서 선택 트랜지스터(Sx)가 턴 온 상태이므로 구동 트랜지스터(Dx)의 소스 단자의 전압은 선택 트랜지스터(Sx)의 소스 즉, 노드(N)를 통해 제1 및 제2 샘플 및 홀드부(210, 220)에 공급된다.
한편, 행 선택 신호(SL)가 논리 하이 상태로 액티브된 상태에서, 리셋 게이트 신호(Rx)가 논리 로우 상태로 천이하고 나면, 전송 트랜지스터(Tx)가 논리 하이로 천이함에 따라 영상 신호가 센싱 노드(FD)에 공급되고, 구동 트랜지스터(Dx) 및 선택 트랜지스터(Sx)를 통하여 센싱 노드(FD)의 영상 신호가 노드(N)에서 제1 및 제2 샘플 및 홀드부(210, 220)에 공급된다.
제1 샘플 및 홀드부(210)는 선택 트랜지스터(Sx)의 소스에 연결되어 기준 전압을 샘플링하며, 제2 샘플 및 홀드부(220)는 선택 트랜지스터(Sx)의 소스에 연결되어 포토 다이오드(PD)에서 광전 변환된 영상 신호를 샘플링한다.
제1 샘플 및 홀드부(210)는 아날로그 스위치로서의 제1 트랜지스터(SW1)와, 제1 샘플링 커패시터(Cs1)를 포함한다. 제1 샘플 및 홀드부(210)는 리셋 트랜지스터(Rx)가 리셋 게이트 신호(RS)에 의해 온이 되었다가 다시 오프로 된 후, 리셋 판독 신호(RST)에 따라 제1 트랜지스터(SW1)가 턴 온되고, 제1 트랜지스터(SW1)가 턴 온 상태를 유지하는 동안 노드(N)에서 공급되는 기준 전압이 샘플링되어 제1 샘플링 커패시터(Cs1)에 홀딩된다.
이와 유사하게, 제2 샘플 및 홀드부(220)는 아날로그 스위치로서의 제2 트랜지스터(SW2)와, 제2 샘플링 커패시터(Cs2)를 포함한다. 제2 샘플 및 홀드부(220)는 전송 트랜지스터(Tx)가 전송 게이트 신호(TF)에 의해 온이 되고, 전송 트랜지스터(Tx)가 온 상태를 유지하는 동안, 신호 판독 신호(SIG)에 따라 제2 트랜지스터(SW2)가 턴 온된다. 제2 트랜지스터(SW2)가 턴 온 상태를 유지하고 있는 동안에 노드(N)에서 공급되는 영상 전압이 샘플링되어 제2 샘플링 커패시터(Cs2)에 홀딩된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 픽셀은 영상 신호의 샘플링시에 전송 트랜지스터를 온 상태를 유지하고 있는 동안 영상 신호를 샘플링함으로써, 전송 트랜지스터의 스위칭 동작에 의해 발생하는 클록 피드스루와 전류 주입 에러에 의한 노이즈가 제거된 영상 신호를 샘플링할 수 있다.
한편, 리셋 트랜지스터(Rx)의 스위칭 동작에 의해 발생하는 클록 피드스루와 전류 주입 에러에 의한 노이즈는 CDS(Correlated Double Sampling) 동작을 통해 제거될 수 있기 때문에 큰 문제가 되지 않는다.
도 3는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 동작 타이밍 차트를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 리셋 게이트 신호(RS) 펄스에 의해 리셋 트랜지스터(Rx)가 스위칭된 후에 리셋 판독 신호(RST) 펄스에 따라 기준 전압이 샘플링된다. 기준 전압의 샘플링이 완료된 다음, 전송 게이트 신호(TF) 펄스에 의해 전송 트랜지스터(Tx)가 스위칭된 후에, 신호 판독 신호(SIG) 펄스에 따라 영상 신호가 샘플링된다.
이와 같이, 종래의 CMOS 이미지 센서는 전송 게이트 신호(TF)가 논리 하이에서 논리 로우로 전이함에 따라 전송 트랜지스터(Tx)가 온에서 오프 상태로 스위칭된 후에 영상 신호를 샘플링하기 때문에 클록 피드스루 및 전하 주입 오류에 의한 노이즈를 포함한 영상 신호가 샘플링되어 이미지 품질을 악화시키는 요인이 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 동작 타이밍 차트를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 리셋 게이트 신호(RS) 펄스에 의해 리셋 트랜지스터(Rx)가 스위칭된 후에 리셋 판독 신호(RST) 펄스가 제1 샘플 및 홀드부(210)의 제1 스위치(SW1)에 인가되어 제1 샘플링 커패시터(Cs1)에서 기준 전압이 샘플링된다. 기준 전압의 샘플링이 완료된 다음, 전송 게이트 신호(TF) 펄스에 의해 전송 트랜지스터(Tx)가 턴 온되어 온 상태를 유지하고 있는 동안, 제2 샘플 및 홀드부(220)의 제2 스위치(SW2)에 신호 판독 신호(SIG) 펄스가 인가되어 제2 샘플링 커패시터(Cs2)에서 영상 신호가 샘플링된다. 영상 신호의 샘플링이 완료되면, 즉, 제2 MOS 스위치(SW2)가 턴 오프되면, 전송 트랜지스터(Tx)가 턴 오프된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서는 전송 트랜지스터(Tx)가 영상 신호의 샘플링 후에 온 상태에서 오프 상태로 천이하므로, 전송 트랜지스터(Tx)의 온에서 오프로의 스위칭에서 발생하는 클록 피드스루, 전하 주입 에러 및 전하 재분배에 의한 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있어, 결과 이미지의 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해서만 한정되는 것으로 의도된다. 따라서, 청구범위에 기재된 범위 및 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
Tx: 전송 트랜지스터 Rx: 리셋 트랜지스터
Dx: 구동 트랜지스터 Sx: 선택 트랜지스터
PD: 포토 다이오드
210: 제1 샘플 및 홀드부 220: 제2 샘플 및 홀드부
SW1: 제1 트랜지스터 SW2: 제2 트랜지스터
Cs1: 제1 샘플링 커패시터 Cs2: 제2 샘플링 커패시터

Claims (3)

  1. 리셋 트랜지스터, 전송 트랜지스터, 선택 트랜지스터 및 포토 다이오드를 구비한 단위 픽셀을 포함하는 CMOS 이미지 센서에 있어서,
    상기 선택 트랜지스터의 소스에 연결되어 기준 전압을 샘플링하는 제1 샘플 및 홀드부; 및
    상기 선택 트랜지스터의 소스에 연결되어 상기 포토 다이오드에서 광전 변환된 영상 신호를 샘플링하는 제2 샘플 및 홀드부;
    를 포함하고,
    상기 제2 샘플 및 홀드부는, 상기 제1 샘플 및 홀드부가 상기 기준 전압을 샘플링한 후에, 상기 전송 트랜지스터가 온 상태인 동안에 상기 영상 신호를 샘플링하는,
    CMOS 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 샘플 및 홀드부는,
    상기 기준 전압을 샘플링하는 제1 샘플링 커패시터; 및
    상기 선택 트랜지스터와 상기 제1 샘플링 커패시터 사이에 연결되어 상기 제1 샘플링 커패시터의 샘플링 동작을 스위칭하는 제1 트랜지스터;
    를 포함하고,
    상기 제2 샘플 및 홀드부는,
    상기 영상 신호를 샘플링하여 출력하는 제2 샘플링 커패시터; 및
    상기 선택 트랜지스터와 상기 제2 샘플링 커패시터 사이에 연결되어 상기 제2 샘플링 커패시터의 샘플링 동작을 스위칭하는 제2 트랜지스터;
    를 포함하는,
    CMOS 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터는, 상기 리셋 트랜지스터가 온-오프 동작한 후에 상기 제1 샘플링 커패시터가 상기 기준 전압을 샘플링하도록 스위칭 동작하고,
    상기 제2 트랜지스터는, 상기 전송 트랜지스터가 온인 동안에 상기 제2 샘플링 커패시터가 상기 영상 신호를 샘플링하도록 스위칭 동작하는,
    CMOS 이미지 센서.
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