JP2007036226A - Ｃｍｏｓイメージセンサの単位画素 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトダイオードで発生する暗電流を補償し駆動範囲を向上させることが可能なＣＭＯＳイメージセンサの単位画素を提供する。
【解決手段】上記ＣＭＯＳイメージセンサの単位画素は、光電荷を生成及び蓄積するフォトダイオードＰＤと、上記フォトダイオードに格納された電荷をゲートで入力を受けて電気信号として出力し、ドレインに電源電圧が印加されるドライブトランジスタＱ２と、上記ドライブトランジスタＱ２の出力電圧を入力に受け、上記出力電圧が限界レベルより小さい場合、イメージセンサが飽和状態であるものと判断する飽和感知手段と、上記飽和感知手段の飽和状態判断に従って上記電源電圧と上記ドライブトランジスタのゲートの連結を短絡／開放するスイッチング手段とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサの単位画素（ピクセル： ｐｉｘｅｌ）に関するものであって、より詳しくは、ＣＭＯＳイメージセンサの単位画素に含まれたフォトダイオードの暗電流によってドライブトランジスタが早く飽和されることを防止するために、上記暗電流を補償する補償電流を上記フォトダイオードに提供することで暗電流を補償し早く飽和されることを防ぎ、駆動範囲（Ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ）を増加させることのできるＣＭＯＳイメージセンサの単位画素に関する。

一般的に自然界に存在する各被写体等は、部分別に光の明るさ及び波長が相互異なるように表れる。イメージセンサは、光に反応する半導体の性質を利用して被写体の相互異なる明るさ及び波長を信号処理可能なレベルの電気的な値に出力する素子である。

通常、上記イメージセンサは、単位画素として使用され、多数のイメージセンサを所定規格の行列に配置して画素アレイを構成し、このような画素アレイを介して一定規格のイメージを撮像する。

上述したイメージセンサは、光に反応する半導体素子と、上記半導体素子の電気的変化を所定レベルの電気的な信号として出力するための多数のトランジスタとから成る。

図１は、従来の一般的なＣＭＯＳイメージセンサの単位画素を示す回路図である。図１を参照すれば、従来の一般的なＣＭＯＳイメージセンサの単位画素は、光に反応して容量値が変化されるフォトダイオードＰＤと、次の信号の検出のために上記フォトダイオードＰＤをリセットさせるリセットトランジスタＱ１と、上記フォトダイオードＰＤに格納された電気信号によってソースフォロワ（ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ）の役割を果たすドライブトランジスタＱ２と、感知値の出力を選択するセレクトトランジスタＱ３とから成る。

即ち、リセット信号Ｒｘによって上記リセットトランジスタＱ１が一定時間の間オンになれば、上記フォトダイオードＰＤに残存していた電荷が放出されながら初期化された後、光に反応した容量値に比例した量の電流がフォトダイオードＰＤに蓄積され、ドライブトランジスタＱ２は上記フォトダイオードＰＤの電圧を設定された範囲の電気信号（出力電圧）に増幅して出力し、上記ドライブトランジスタＱ２から出力される出力電圧はセレクトトランジストＱ３がターンオンされることによって画素アレイのアドレッシング順に沿って出力される。

このような従来のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、上記フォトダイオードＰＤは、光に全く露出されてない場合でも一種の漏洩電流である暗電流（ｄａｒｋ ｃｕｒｒｅｎｔ）を発生させる。即ち、上記暗電流によって光が全く受光されない場合でも、上記ドライブトランジスタＱ２は出力電圧を発生させるようになる。

このような暗電流が上記ドライブトランジスタＱ２に印加されることによって、上記ドライブトランジスタＱ２が飽和（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）される時間が短くなる。言い換えれば、光がフォトダイオードＰＤに受光される場合に生成される電流に上記暗電流が加わることで、飽和される時間が短くなる。従って、フォトダイオードＰＤで発生する暗電流によってＣＭＯＳイメージセンサの駆動範囲が小さくなる問題が生じる。

とりわけ、上記暗電流は温度の影響を大きく受け、周辺温度が１０℃上昇する時、上記暗電流は２倍以上増加するようになるため、上記暗電流によるＣＭＯＳイメージセンサの駆動範囲はさらに小さくなる問題が生じることになる。

従来の上記暗電流による問題を解決するために、暗画像（ｄａｒｋ ｐｉｘｅｌ）で発生する暗電流の平均値を取り一般画素の出力に補償してやる方式が提案された。しかし、このような従来の暗電流補償技術は、各画素で生成された暗電流を減少させるよりは、外部で数式的に引き算が行われるものであるため、イメージセンサの単位画素が飽和された状態では画素が劣化されることを防止することができない問題があった。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するために案出されたもので、その目的は、ＣＭＯＳイメージセンサの単位画素に具備されたドライブトランジスタの出力電圧を検出して、上記出力電圧が設定レベル以下に減少する場合フォトダイオードに補償電流を供給することによって、フォトダイオードで発生する暗電流を補償することができるＣＭＯＳイメージセンサの単位画素を提供することにある。

上述した目的を達成するための構成手段として、本発明は、光電荷を生成及び蓄積するフォトダイオードと、上記フォトダイオードに格納された電荷をゲートで入力を受けてソースで電圧値として出力し、ドレインに電源電圧が印加されるドライブトランジスタと、上記ドライブトランジスタのソース電圧の入力を受け、上記ソース電圧が既設定された基準電圧より小さい場合、飽和状態であるものと判断する飽和感知手段と、上記飽和感知手段の飽和状態の判断に従って上記電源電圧と上記ドライブトランジスタのゲートとの連結を短絡／開放するスイッチング手段とを含むＣＭＯＳイメージセンサの単位画素を提供する。

本発明の一実施形態において、上記スイッチング手段は、上記飽和感知手段の出力端にゲートが連結され、上記電源電圧にドレインが連結され、上記ドライブトランジスタのゲートにソースが連結されたスイッチングトランジスタであることが好ましい。

上記飽和感知手段は、上記ドライブトランジスタのソースに入力端が連結されたインバータと、上記インバータの出力を上記スイッチングトランジスタのゲートに印加するフィードバックラインとから成ることができる。

上記インバータは、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴとｐチャンネルＭＯＳＦＥＴを含み、上記ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴのゲートと上記ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴのゲートは互いに連結され上記インバータの入力端となり、上記ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴのドレインと上記ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴのドレインは互いに連結され上記インバータの出力端となり、上記ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴのソースは上記電源電圧に連結され、上記ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴのソースはグラウンドに連結され得る。

本発明の他の実施形態において、上記飽和感知手段は、上記ドライブトランジスタのソース電圧（出力電圧）と既設定された基準電圧を比較して基準電圧よりドライブトランジスタの出力電圧が小さい場合、上記スイッチングトランジスタにオンさせる比較器から成ることができる。

本発明のさらに他の実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの単位画像は、電源電圧とフォトダイオードにそれぞれドレインとソースが連結され、ゲートから印加されるリセット信号に応じて上記フォトダイオードに既格納された光電荷を排出させるリセットトランジスタをさらに含むことができる。

本発明によれば、ＣＭＯＳイメージセンサの単位画素のフォトダイオードで発生する暗電流を補償する補償電流をフォトダイオードに直接供給することによって、画素の駆動範囲を向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、暗電流を減少させることでそれにより発生するノイズを減少させ信号帯雑音比を向上させることができる効果がある。

さらに、本発明によれば、温度の増加による暗電流の増加を補償電流を通して直接除去することによって、高温の特殊環境に適応することができるという効果を奏する。

以下、添付された図面を用いて本発明の実施形態をより詳しく説明する。しかし、本発明の実施形態は種々の別の形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されるわけではない。本発明の実施形態は本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者にとって本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面に示された構成要素等の形状及び大きさ等は、より明確な説明のために誇張されることができ、図面上で実質的に同一な構成および機能を有する構成要素等は同じ参照符号を付す。

図２は、本発明の一実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの単位画素を図示した回路図である。図２を参照すれば、本発明の一実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの単位画素は、光電荷を生成及び蓄積するフォトダイオードＰＤと、上記フォトダイオードＰＤに格納された電荷をゲートで入力を受けて電気信号として出力し、ドレインに電源電圧Ｖ_ＤＤが印加されるドライブトランジスタＱ２と、上記ドライブトランジスタＱ２のソース（出力端）に入力端が連結されたインバータ２１と、上記インバータ２１の出力端に連結され上記インバータ２１の出力を伝達するフィードバックライン２２から成る飽和感知手段と、上記フィードバックライン２２にゲートが連結され、上記電源電圧Ｖ_ＤＤにドレインが連結され、上記ドライブトレンジスタＱ２のゲートにソースが連結されたスイッチングトランジスタＱ４と、上記電源電圧Ｖ_ＤＤとフォトダイオードＰＤにそれぞれドレインとソースが連結され、ゲートから印加されるリセット信号Ｒｘに応じて上記フォトダイオードＰＤに既格納された光電荷を排出させるリセットトランジスタＱ１と、及びゲートに印加される選択信号Ｓｘに応じてターンオンされることによって画素アレイのアドレッシング順に沿って上記ドライブトランジスタＱ２の出力電圧を出力するセレクトトランジスタＱ３とを含んで構成される。

図２に示す本発明の実施形態は、従来のＣＭＯＳイメージセンサ単位画素に、イメージセンサ単位画素の感知出力電圧をフィードバックして飽和防止のための閾値以上であるかを検出する飽和感知手段２１、２２と、上記飽和感知手段２１、２２の検出結果に従ってオン／オフスイッチング動作しフォトダイオードＰＤに補償電流を供給するスイッチング手段Ｑ４とを含むことを特徴とする。

本実施形態において、スイッチング手段は、上記飽和感知手段の出力端にゲートが連結され、上記電源電圧にドレインが連結され、上記ドライブトランジスタのゲートにソースが連結されたスイッチングトランジスタＱ４で構成される。上記スイッチングトランジスタＱ４は、そのソースが前記フォトダイオードＰＤに接続されていて、上記飽和感知手段の出力によってオンになれば、フォトダイオードＰＤと電源電圧Ｖ_ＤＤとを連結する。これにより、フォトダイオードＰＤの逆方向に電流が供給されることによって、上記フォトダイオードＰＤに存在する暗電流を補償することが可能となる。以下の説明で、上記スイッチング手段（即ち、スイッチングトランジスタＱ４）がオンになることでフォトダイオードＰＤに供給される電流を補償電流とする。

上記飽和感知手段は、インバータ２１及びフィードバックライン２２で具現されることができる。この場合、上記インバータ２１は、ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ Ｑ５とｎチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ６で構成できる。上記ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ５とｎチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ６のゲート及びドレインは互いに連結されそれぞれ入力端及び出力端となり、上記ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ５のソースは上記電源電圧Ｖ_ＤＤに連結され、上記ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴＱ６のソースはグラウンドに連結される。

他の実施形態において、上記インバータ２１の代わりに、ドライブトランジスタＱ２の出力電圧を所定の基準電圧より小さいか否かを比べる比較器（ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ）を利用しても良い。この場合、上記比較器は上記ドライブトランジスタＱ２の出力電圧と既設定された基準電圧の入力を受け、その出力は上記フィードバックライン２２を通してスイッチングトランジスタＱ４に連結され、基準電圧と上記ドライブトランジスタＱ２の出力電圧の比較結果に従って上記スイッチングトランジスタＱ４をオン／オフさせることになる。上記飽和感知手段は、上記ドライブトランジスタＱ２の出力電圧が限界範囲を外れるかを確認することができ、その結果に従って上記スイッチングトランジスタＱ４を動作させることができるものであれば上述したインバータ２１及び比較器以外に他のものでも実現することができる。

図３は、本発明の一実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの単位画素の動作を説明するタイミング図である。以下、図２及び図３を用いて本実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの単位画素の動作を説明する。

先ず、図２及び図３（ａ）を参照すれば、所定のオンデューティタイムを有するリセット信号Ｒｘが印加されれば、リセットトランジスタＱ１がターンオンされ、上記フォトダイオードＰＤに既格納された光電荷を放出し新たな光を受光検出する準備をする。続いて、上記リセット信号Ｒｘの立ち下りエッジで、上記フォトダイオードＰＤは光に露出されて、露出された光の量及び波長による光電荷が生成、蓄積される。この蓄積値はソースフォロワとして動作するドライブトランジスタＱ２によって所定利得で増幅し、選択信号Ｓｘが印加される間、ターンオンされたセレクトトランジスタＱ３によって出力（Ｖｏｕｔ）される。規定範囲の光が入射した領域では正常に動作し、前記インバータ２１の出力電圧ＩＮＶは、グラウンド電圧の一定レベルになっている。

上記のような一連の動作が繰り返されて行われている間、限界以上の光が上昇した場合、図３（ｂ）に示しているように、ドライブトランジスタＱ２の出力電圧Ｖｘが基準レベル以下に落ちる。これにドライブトランジスタＱ２の出力電圧Ｖｘが基準レベル以下に落ちた場合、インバータ２１の出力電圧ＩＮＶは高レベル（電源電圧ＶＤＤ）へと反転し、スイッチングトランジスタＱ４をオンにさせ、インバータ出力ＩＮＶの反転立ち上がりに応じて、ドライブトランジスタＱ２の出力電圧Ｖｘを持ち上げ、上記フォトダイオードＰＤに補償電流を供給するようになる。この補償電流は上記フォトダイオードＰＤの暗電流を補償してドライブトランジスタＱ２が飽和されることを所定の水準に防止することが可能となる。即ち、ＣＭＯＳイメージセンサの単位画素の駆動範囲を増加させるようになる。

上述した動作等は、ＣＭＯＳイメージセンサの各画素別に行われ、このように構成されたイメージセンサ等により画素アレイを構成する場合、各画素別に入射される光量によって上述したように動作するようになるので、全体画面中、光の過多な領域では補償電流をフォトダイオードに供給して飽和を防止し、規定範囲の光が入射した領域では正常に動作して実際とほぼ類似する色再現性を表すようにする。従って、全体画質を上昇させることができる。とりわけ、ＣＭＯＳイメージセンサが適用された環境の温度が増加することによる暗電流の増加を補償することができるため、全体イメージセンサの飽和を防止し駆動範囲を向上させることが可能である。

一般的なＣＭＯＳイメージセンサの単位画素を示す回路図である。 本発明の一実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの単位画素を示す回路図である。 本発明の一実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの単位画素の動作を説明するタイミング図である。

符号の説明

ＰＤ フォトダイオード
Ｑ１ リセットトランジスタ
Ｑ２ ドライブトランジスタ
Ｑ３ セレクトトランジスタ
Ｑ４ スイッチングトランジスタ
Ｑ５ ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ
Ｑ６ ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ
Ｖ_ＤＤ 電源電圧

Claims (7)

1. 光電荷を生成及び蓄積するフォトダイオードと、
   上記フォトダイオードに格納された電荷をゲートで入力を受けてソースで電圧値として出力し、ドレインに電源電圧が印加されるドライブトランジスタと、
   上記ドライブトランジスタのソース電圧を入力に受け、上記ソース電圧が既設定された基準電圧より小さい場合、飽和状態であるものと判断する飽和感知手段と、
   上記飽和感知手段の飽和状態の判断に従って上記電源電圧と上記ドライブトランジスタのゲートとの連結を短絡／開放するスイッチング手段と、
   を含むＣＭＯＳイメージセンサの単位画素。
2. 上記スイッチング手段は、上記飽和感知手段の出力端にゲートが連結され、上記電源電圧にドレインが連結され、上記ドライブトランジスタのゲートにソースが連結されたスイッチングトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサの単位画素。
3. 上記飽和感知手段は、上記ドライブトランジスタのソース端に入力端が連結されたインバータと、
   上記インバータの出力を上記スイッチングトランジスタのゲートに印加するフィードバックラインとから成ることを特徴とする請求項２に記載のＣＭＯＳイメージセンサの単位画素。
4. 上記インバータは、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴとｐチャンネルＭＯＳＦＥＴを含み、上記ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴのゲートと上記ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴのゲートは互いに連結され上記インバータの入力端となり、上記ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴのドレインと上記ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴのドレインは互いに連結され上記インバータの出力端となり、上記ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴのソースは上記電源電圧に連結され、上記ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴのソースはグラウンドに連結されることを特徴とする請求項３に記載のＣＭＯＳイメージセンサの単位画素。
5. 上記飽和感知手段は、上記ドライブトランジスタのソース電圧と既設定された基準電圧を比較して基準電圧よりドライブトランジスタの出力電圧が小さい場合、上記スイッチングトランジスタをオンにさせる比較器から成ることを特徴とする請求項２に記載のＣＭＯＳイメージセンサの単位画素。
6. 上記電源電圧とフォトダイオードにそれぞれドレインとソースが連結され、ゲートから印加されるリセット信号に応じて上記フォトダイオードに既格納された光電荷を排出させるリセットトランジスタをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサの単位画素。
7. 光電荷を生成及び蓄積するフォトダイオードと、
   上記フォトダイオードに格納された電荷をゲートで入力を受けて電気信号として出力し、ドレインに電源電圧が印加されるドライブトランジスタと、
   上記ドライブトランジスタのソースに入力端が連結されたインバータと、上記インバータの出力端に連結され上記インバータの出力を伝達するフィードバックラインから成る飽和感知手段と、
   上記フィードバックラインにゲートが連結され、上記電源電圧にドレインが連結され、上記ドライブトランジスタのゲートにソースが連結されたスイッチングトランジスタと、
   上記電源電圧とフォトダイオードにそれぞれドレインとソースが連結され、ゲートから印加されるリセット信号に応じて上記フォトダイオードに既格納された光電荷を排出させるリセットトランジスタと、
   を含むＣＭＯＳイメージセンサの単位画素。

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