CCD, CMOS 이미지 센서의 비교와 CIS(CMOS Image Sensor)의 미래

소개

필자가 CCD라는 이미지 센서만 알다가 CMOS를 알게 되어 조사하면서 이후에는 CMOS(Complementary MOSFET)라는 반도체와의 관계를 알아가며 기록한 보고서입니다.

참고로 필자도 아무것도 모르는 상태로 공부하며 기록하였기 때문에 어려운 부분은 적을 것이라고 생각합니다.

목차

1. CCD와 CIS(CMOS Image Sensor)의 공통점 – 이미지 센서의 원리
2. CCD의 특징
3. CIS의 특징
4. 스마트폰 카메라의 CIS와 발전
5. CIS의 미래, ‘인포메이션 센서’

본문내용

LED(Light Emitting Diode, 발광다이오드)처럼 전기에너지로 빛을 만들 수 있을 뿐만 아니라, 빛으로 전기 에너지를 만들 수 있습니다. 광센서들은 광전효과를 이용하여 빛과 전기 신호를 서로 전환하게 할 수 있습니다. 빛의 세기는 다양한데, <그림 1-1>과 같이 가시광선의 진동수(주파수)의 크기도 다양합니다. 이러한 빛의 에너지에 비례하여 광센서에 전류가 흐릅니다. <그림1-1>과 같이 Violet의 색상이 Red의 색상보다 상대적으로 많은 전류가 흐르게 됩니다.

광다이오드(Photodiode, 포토다이오드)는 PN접합의 구조로 되어있는 다이오드는 기본구조로써, 대부분의 광센서들은 이것을 응용한 것이라고 합니다. 그리고 광다이오드는 일반적으로 역방향 바이어스일 때가 순방향 바이어스일 때보다 빛의 세기의 증가에 따른 광전류의 차이가 크기 때문에 역방향 바이어스 조건으로 회로를 구성한다고 합니다.

광다이오드 뿐만 아니라 광트랜지스터도 있지만 CCD에는 PIN형 광다이오드가 더 많이 사용된다고 합니다. PIN형 광다이오드는 <그림 1-4>와 같이 PN접합에 불순물이 거의 없는 공핍층(결핍 영역(depletion region), 절연된 영역)을 형성하는 진성 반도체(Intrinsic, I형 반도체)를 추가함으로써 소수 캐리어 수명(minority carrier lifetime, 캐리어, 즉 전자와 정공이 재결합하는데 걸리는 평균 시간)을 늘려 캐리어의 농도를 변화시키지 않으면서도 광검출 성능을 형성시키는 구조로 불순물 원자에 의한 캐리어의 산란 및 재결합 확률을 낮춰주면서도 전체 저항을 거의 줄이지 않아 CCD와 CMOS에 많이 사용됩니다. CCD와 CMOS는 수백만개의 광센서들은 각각 화소(pixel)가 되어 빛을 받아들이고 전기신호로 전환시킵니다. 일반적인 CCD 방식은 하나의 픽셀에서 각각 색상 필터에 해당되는 파장의 빛을 흡수할 수 있습니다. 결과적으로 50%는 녹색, 나머지 50%는 파란색과 빨간색이 됩니다.

참고자료

· SK Hynix newsroom | https://news.skhynix.co.kr/post/cmos-image-sensor-innovation-led-by-sk-hynix