고체 촬상 소자 및 카메라 시스템 document_id A220623059393

최근, CCD를 대신할 수 있는 고체 촬상 소자(이미지 센서)로서 CMOS 이미지 센서가 주목을 받고 있다. 그 이유는, CCD 화소의 제조에 전용 프로세스를 필요로 하고, 그 동작에는 복수의 전원 전압을 필요로 하며, 또한 복수의 주변 IC를 조합시켜 동작시킬 필요가 있으므로, 시스템이 매우 복잡해진다는 문제점을, CMOS 이미지 센서가 해결하기 때문이다. CMOS 이미지 센서의 제조에는 일반적인 CMOS형 집적 회로와 마찬가지의 제조 프로세스를 사용할 수 있다. CMOS 이미지 센서는 단일 전원으로 구동될 수 있다. 또한, CMOS 프로세스를 사용한 아날로그 회로 및 논리 회로는 동일 칩 내에 공존할 수 있으므로, 주변 IC의 수를 줄일 수가 있다고 하는, 여러 큰 이점을 가진다. CCD의 출력 회로는, 부유 확산층(FD: Floating Diffusion)을 가지는 FD 증폭기를 사용한 1채널(ch) 출력을 주로 제공한다. 한편, CMOS 이미지 센서는 화소마다 FD 증폭기를 포함하고, 그 출력은 화소 어레이 중의 1행을 선택하여, 그 행의 화소들을 동시에 열방향(column direction)으로 판독하는 열병렬 출력형(column parallel output type)이 주류이다. 그 이유는 화소 내에 배치된 FD 증폭기로는 충분한 구동 능력을 얻는 것은 어렵고, 따라서 데이터 레이트(data rate)를 내릴 필요가 있으며, 병렬 처리가 유리한 것으로 생각되기 때문이다. 일반적으로, CMOS 이미지 센서에서 화소를 리셋하는 경우에는, 행마다 하나씩 화소를 리셋하는 방식을 흔히 채용한다(이하, 이 방식을 "롤링 셔터(rolling shutter)"라고 한다). 구체적인 회로예를 사용하여 롤링 셔터 동작에 대하여 설명한다. 도 1은 4개의 트랜지스터로 구성된 CMOS 이미지 센서의 화소 예를 나타낸 도면이다. 이 화소(1)는, 예를 들면 포토 다이오드(photo-diode)로 이루어지는 광전 변환 소자(photoelectric conversion)(11)를 포함한다. 광전 변환 소자(11) 각각은 4개의 트랜지스터, 즉 전송 트랜지스터(12), 리셋 트랜지스터(13), 증폭 트랜지스터(14), 및 선택 트랜지스터(15)를 능동 소자(active element)로서 포함한다. 광전 변환 소자(11)는, 입사광을 그 광량에 대응하는 전하(여기서는 전자)로 광전 변환한다. 전송 트랜지스터(12)는 광전 변환 소자(11)와 플로팅 디퓨전(FD) 사이에 접속되고, 전송 제어선(LTx)을 통해 그 게이트(전송 게이트)에 구동 신호가 공급됨으로써, 광전 변환 소자(11)에 의한 광전 변환으로 생기는 전자를 플로팅 디퓨전(FD)에 전송한다. 리셋 트랜지스터(13)는 전원선(LVDD)와 플로팅 디퓨전(FD) 사이에 접속되고, 리셋 제어선(LRST)를 통해 그 게이트에 리셋 신호가 공급됨으로써, 플로팅 디퓨전(FD)의 전위를 전원선(LVDD)의 전위로 리셋한다. 플로팅 디퓨전(FD)에는 증폭 트랜지스터(14)의 게이트가 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(14)는 선택 트랜지스터(15)를 통하여 출력 신호선(16)에 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(14)와 화소 어레이 외부의 정전류원은 소스 폴로어(source follower)를 구성한다. 선택 제어선(LSEL)을 통하여 어드레스 신호(선택 신호)가 선택 트랜지스터(15)의 게이트에 공급되어 선택 트랜지스터(15)가 온(on)되면, 증폭 트랜지스터(14)는 플로팅 디퓨전(FD)의 전위를 증폭하여 그 전위에 따른 전압을 출력 신호선(16)에 출력한다. 출력 신호선(16)을 통하여 각 화소로부터 출력된 전압은, 열회로(column circuit)(열처리 회로)에 출력된다. 이 화소의 리셋 동작은, 전송 트랜지스터(12)가 온되어 광전 변환 소자(11)에 축적된 전하를 플로팅 디퓨전(FD)에 전송하여, 광전 변환 소자(11)에 축적되어 있는 전하를 방전(방출)시키는 것이다. 이 경우에, 플로팅 디퓨전(FD)은 사전에 광전 변환 소자(11)의 전하를 수취할 수 있도록, 사전에 리셋 트랜지스터(13)를 온시켜 전하를 전원 측으로 폐기한다. 또는, 전송 트랜지스터(12)가 온되어 있는 동안에, 리셋 트랜지스터(13)를 동시에 온시켜 직접 전원에 전하를 폐기할 수 있다. 이 일련의 동작을 단순하게 "화소 리셋 동작(pixel reset operation)"이라고 할 수 있다. 한편, 판독 동작 시에는, 먼저 리셋 트랜지스터(13)를 온시켜 플로팅 디퓨전(FD)을 리셋하고, 그 상태로 온되어 있는 선택 트랜지스터(15)를 통해 출력 신호선(16)에 출력한다. 이것을 P상 출력(P phase output)이라고 한다. 다음에, 전송 트랜지스터(12)를 온시켜 광전 변환 소자(11)에 축적된 전하를 플로팅 디퓨전(FD)에 전송하고, 그 출력을 출력 신호선(16)에 출력한다. 이것을 D상 출력(D phase output)이라고 한다. 화소 회로 외부에서 D상 출력과 P상 출력의 차(difference)를 구하여, 플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 노이즈를 제거하여 화상 신호로 한다. 단순화하여, 이 일련의 동작을 단순하게 "화소 판독 동작(pixel readout operation)"이라고 할 수 있다. 도 2는, 도 1의 화소를 2차원 어레이 형태로 배치한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 일반적인 예를 나타낸 도면이다. 도 2의 CMOS 이미지 센서(20)는, 도 1에 나타낸 바와 같은 화소 회로가 2차원 어레이 형태로 배치된 화소 어레이 유닛(21), 화소 구동 회로(수직 구동 회로)(22), 및 열회로(열처리 회로)(23)를 포함한다. 화소 구동 회로(22)는, 각 행의 화소의 전송 트랜지스터(12), 리셋 트랜지스터(13), 및 선택 트랜지스터(15)의 온/오프를 제어한다. 열회로(23)는 화소 구동 회로(22)에 의해 판독 제어되는 화소행(pixel row)의 데이터를 수신하여, 그 데이터를 후단의 신호 처리 회로에 전송한다. 도 3은 도 2에 나타낸 바와 같은 회로의 롤링 셔터 동작의 타이밍 차트를 나타낸 차트이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 각각의 행에 대하여 차례로 화소 리셋 동작을 수행하고, 이어서 각각의 행에 대하여 차례로 화소 판독 동작을 수행한다. 각 행의 화소는, 화소 리셋 동작과 화소 판독 동작 동안에, 광전 변환 소자의 신호를 저장하고, 이 신호를 화소 판독 동작으로 판독한다.