5.10 CCD 및 CMOS 화상기 (CCD and CMOS Image Sensor)

5.10.0 CCD 및 CMOS 화상기 

 > 화상기(Image Sensor)는 광학적 상을 전기적 신호로 변경해 주는 소자이다. 

 

 > CCD 및 CMOS 화상기는 디지털 카메라에 주로 사용된다. 

 

 > CCD 화상기는 성능이 우수하고 CMOS 화상기는 성능이 다소 떨어지지만 가격 경쟁력이 있다. 

 

5.10.1 CCD (Charge Coupled Device)

 > CCD는 전하 결합 소자를 의미한다. 

 

 > 하나의 MOS 커패시터가 어떻게 빛에 반응하는지 그림 5.14를 보면서 생각할 수 있다. 

그림 5.14 깊은 공핍 현상 (a) Vg>Vt 전압 인가 직후 (b) 빛을 쪼인 후

 

 > 그림 5.14 (a)는 MOS 커패시터에 바이어스를 인가하여 깊은 공핍 상태를 나타낸다. 

 

 > 깊은 공핍 조건은 Vg>Vt인 전압은 순간적으로 가하면 얻을 수 있다. 

 

 > Source/Drain 역할을 하는 N+영역이 없다면 채널이 형성되는데 수분의 일초 정도의 시간이 걸린다.

 

 > 그시간동안은 표면에 전자가 존재하지 않는다.(반전층이 존재하지 않는다) 

 

 > 결과적으로 에너지 밴드가 2 phi_B 보다 크게 휘고 공핍층 두께도 Wdmax보다 커진다.

 

 > 깊은 공핍 상태에서 빛을 쪼이게 되면 (0.01초) 전자와 정공 쌍이 발생하게 되고 전자들이 표면에 모여들게 된다. 

 

 > 빛에 의해 생성된 정공들은 기판으로 이동해서 전극을 통해 빠져나간다. 

 

 > 이처럼 첫 번째 CCD 기능은 빛에 의한 전하로 변환시켜주는 것이다. 

 

 > 두 번째 기능은 이차원으로 센싱 한 빛에 의해 발생한 전하들을 센싱 하는 회로로 전달하여 직렬 방식으로 읽게 하는 것이다. 

 

 

그림 5.15 CCD가 패킷을 이동하는 방식

 

 > 그림 5.15를 이차원적 어레이의 일부의 도식도이다. 

 

 > 세 개의 MOS 커패시터와 구성 소자들이 하나의 픽셀을 이룬다. 

 

 > 이미지에 노출되어서 빛을 받게 되면 MOS 커패시터에 전자가 분포하게 된다. 

 

 > 각 분포된 전자들의 양은 센서가 받은 빛의 세기에 비례한다. 

 

 > 그림 5.15 (a)에서 만들어진 전하의 분포를 (b)에서 전압 조건으로 전환하면 전하들은 V2 소자로 이동한다. 

 

 > V1> V3 조건을 만들어서 전자들이 왼쪽으로 이동하는 것을 방지한다. 

 

 > 5.15 (c)는 V1과 V3가 같아져서 다음 전달 상태를 준비하게 된다. 

 

 > 해당 Sequence가 반복되어 어레이 끝의 전하 센싱회로로 전달되어 직렬 신호로 변환된다. 

 

 > 16개 MOS 커패시터로 이루어진 CCD 어레이가 있다고 가정하면 

그림 5.16 CCD 어레이

 

 > CCD 화상기는 광학 이미지를 전하로 변환하여 다음 셀로 전달을 반복하여 최하단 행의 센싱회로에 도달한다. 

 

 > 도달한 후 행 단위 정보를 읽고 그다음 읽어야 하는 행이 오른쪽으로 이동한다. 

 

 > 이러한 방식으로 읽기가 완료되면 읽지 않은 행이 내려와서 동일한 읽기 과정을 거친다. 

 

 > 읽기 동작을 수행하는 과정에서 CCD 어레이는 빛으로부터 기계적으로 차단된다. 

 

 > 읽는 도중에 빛에 노출되면 화상기에 저장된 이미지 정보가 왜곡될 수 있다. 

 

 

 

Reference 

-. Chenming Calvin Hu, Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits, PEARSON(2013)