CN102037432A - 显示装置 - Google Patents

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田中耕平
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Abstract

本发明提供一种显示装置。在有源矩阵基板具备光传感器的显示装置中，上述光传感器具备：接受入射光的光检测元件(D1)；向该光传感器供给复位信号的复位信号配线(RST)；向该光传感器供给读出信号的读出信号配线(RWS)；和传感器开关元件(M2)，其按照上述读出信号，读出在从供给上述复位信号到供给上述读出信号为止的期间从上述光检测元件(D1)输出的光电流。上述传感器开关元件(M2)是具有例如双栅极TFT或浮置栅极TFT等的两个控制电极的4端子放大器。

Description

显示装置
技术领域
本发明涉及具有光检测元件的带光传感器的显示装置。
背景技术
现有技术中，提出了带图像取入功能的显示装置，例如，利用在像素内具备光电二极管等的光检测元件，能够摄取接近显示器的物体的图像。这样的带图像取入功能的显示装置假定被用作双方向通信用显示装置或带触摸面板功能的显示装置。
现有技术的带图像取入功能的显示装置中，在有源矩阵基板上，通过半导体处理而形成信号线和扫描线、TFT(Thin Film Transistor：薄膜晶体管)、像素电极等的众所周知的构成要素时，同时在像素内嵌入光电二极管(参照专利文献1、非专利文献1)。
图23表示形成于有源矩阵基板上的现有技术的光传感器(专利文献2、3)的一个例子。图23所示的现有技术的光传感器包括光电二极管PD、电容器CINT、晶体管M2。在光电二极管PD的阳极连接有用于供给复位信号的配线RST。在光电二极管PD的阴极连接有电容器CINT的电极的一方和晶体管M2的栅极。晶体管M2的漏极与配线VDD连接，源极与配线OUT连接。图23中，用VINT表示光电二极管PD的阴极、电容器CINT的电极的一方与晶体管M2的栅极的连接点的电位。电容器CINT的电极的另一方与用于供给读出信号的配线RWS连接。
在该结构中，分别按照规定的定时向配线RST供给复位信号、向配线RWS供给读出信号，由此，能够得到与光电二极管所接受的光量相应的传感器输出。这里，参照图24，说明图23所示的现有技术的光传感器的动作。此外，用VRST.L表示复位信号的低电平(例如-4V)，用VRST.H表示复位信号的高电平(例如0V)，用VRWS.L表示读出信号的低电平(例如0V)，用VRWS.H表示读出信号的高电平(例如8V)。
首先，当向配线RST供给高电平的复位信号VRST.H(图24中，t＝RST的定时)时，光电二极管PD成为顺向偏置，用下式(1)表示晶体管M2的栅极的电位VINT。
VINT＝VRST.H-VF  …(1)
式(1)中VF是光电二极管PD的顺向电压，ΔVRST是复位信号的脉冲的高度(VRST.H-VRST.L)，这时的VINT比晶体管M2的阈值电压低，所以晶体管M2在复位期间成为非导通状态。
接着，复位信号回到低电平VRST.L，由此，光电流的积分期间(图24所示的TINT的期间)开始。积分期间中，从电容器CINT流出与入射到光电二极管PD的入射光量成比例的光电流，使得电容器CINT放电。由此，用下式(2)表示积分期间结束时的晶体管M2的栅极的电位VINT。
VINT＝VRST.H-VF-ΔVRST·CPD/CT-IPHOTO·TINT/CT  …(2)
式(2)中，IPHOTO是光电二极管PD的光电流，TINT是积分期间的长度。在积分期间中VINT比晶体管M2的阈值电压低，所以晶体管M2成为非导通状态。CPD是光电二极管PD的电容。CT是电容器CINT的电容、光电二极管PD的电容CPD与晶体管M2的电容CTFT的总和。
当积分期间结束时，在图24所示的t＝RWS的定时，读出信号RWS上升，从而读出期间开始。在此，对于电容器CINT产生电荷注入。结果，用下式(3)表示晶体管M2的栅极的电位VINT。
VINT＝VRST.H-VF-IPHOTO·TINT/CT+ΔVRWS·CINT/CT    …(3)
ΔVRWS是读出信号的脉冲的高度(VRWS.H-VRWS.L)。由此，晶体管M2的栅极的电位VINT变得比阈值电压高，所以晶体管M2成为导通状态，与各列中设置在配线OUT的端部的偏置晶体管(图24中没有图示)一起作为源极跟随放大器(follower amplifier)发挥作用。即，来自晶体管M2的输出信号电压与积分期间中的光电二极管PD的光电流的积分值成比例。
此外，在图24中，波状线所示的波形表示入射到光电二极管PD的光少的情况下的电位VINT的变化，实线所示的波形表示外部光入射到光电二极管PD的情况下的电位VINT的变化。图24的ΔV是与入射到光电二极管PD的光量成比例的电位差。
专利文献1：特开2006-3857号公报
专利文献2：国际公开第2007/145346号公报
专利文献3：国际公开第2007/145347号公报
非专利文献1：“A Touch Panel Function Integrated LCD Including LTPS A/D Converter”，T.Nakamura等，SID 05 DIGEST，pp1054-1055，2005
发明内容
上述现有技术的光传感器具有用于存储光电流的电容器。但是，当在有源矩阵基板上形成光传感器时，优选光传感器的尺寸极小，并且优选光传感器的构成部件极少。例如，在如上所述，将光传感器形成在像素内的情况下，光传感器的构成部件的占有面积小则开口率变高，所以是优选的。另外，即使在将光传感器配置在像素区域外的情况下，由于边缘区域越窄越好等的理由，所以也是光传感器小为好。
因此，本发明就是鉴于上述课题而提出的，其目的在于在带光传感器的显示装置中，减小光传感器的尺寸。
为了解决上述课题，本发明的显示装置提供一种在有源矩阵基板具备光传感器的显示装置，上述光传感器具备：接受入射光的光检测元件；向该光传感器供给复位信号的复位信号配线；向该光传感器供给读出信号的读出信号配线；和传感器开关元件，其按照上述读出信号，读出在从供给上述复位信号到供给上述读出信号为止的期间从上述光检测元件输出的光电流，其中，上述传感器开关元件是具有两个控制电极的4端子放大器。
根据本发明，在带光传感器的显示装置中，能够降低光传感器的尺寸。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式中涉及的显示装置的概略结构的框图。
图2是表示本发明的第一实施方式涉及的显示装置中的一个像素的结构的等价电路图。
图3(a)是表示第一实施方式的光传感器的俯视图。图3(b)是表示图3(a)中的A-B剖面的剖视图。
图4(a)是表示晶体管M2的顶栅极的电位VTG、漏极电流ID与底栅极的电位VBG(单位是V)的关系的特性图。图4(b)是表示晶体管M2的漏极—源极间的电位差VDS、漏极电流ID与底栅极的电位VBG的关系的特性图。
图5是分别表示复位信号和读出信号的波形的时序图。
图6是表示连接点INT的电位VINT与输出信号电压VSOUT的关系的说明图。
图7是表示本发明的一个实施方式涉及的显示装置中的传感器驱动定时的时序图。
图8是表示传感器像素读出电路的内部结构的电路图。
图9是表示读出信号、传感器输出与传感器像素读出电路的输出的关系的波形图。
图10是表示传感器列放大器(sensor column amplifier)的结构例的电路图。
图11是表示第二实施方式中的光传感器的等价电路图。
图12(a)是表示第二实施方式的光传感器的俯视图。图12(b)是表示图12(a)中的A-B剖面的剖视图。
图13是表示第二实施方式涉及的显示装置具备的光传感器电路和参照电路的等价电路图。
图14是表示图13所示的结构的变形例所涉及的光传感器电路和参照电路的等价电路图。
图15是表示第三实施方式涉及的显示装置所具备的光传感器电路和参照电路的等价电路图。
图16是表示第三实施方式的光传感器中的输入信号(RST、RWS)与VINT的关系的波形图。
图17是表示第三实施方式的变形例涉及的显示装置所具备的光传感器电路和参照电路的等价电路图。
图18是表示施加到第三实施方式的变形例涉及的光传感器的各种信号与VINT的关系的波形图。
图19是作为比较例而表示在图15所示的结构中复位信号RST的电位下降不急促的情况下的VINT的变化的波形图。
图20是表示第四实施方式涉及的显示装置具备的一个像素的结构的等价电路图。
图21(a)是表示浮置栅极TFTM6的控制栅极CG1的电位VCG1、漏极电流ID、控制栅极CG2的电位VCG2的关系的特性图。图21(b)是表示浮置栅极TFTM6的漏极—源极间的电位差VDS、漏极电流ID与控制栅极CG2的电位VCG2的关系的特性图。
图22(a)是表示浮置栅极TFTM6的结构的俯视图。图22(b)是表示图22(a)处的A-A箭头所示剖视图。图22(c)是表示图22(a)处的B-B箭头所示剖视图。
图23是表示现有的光传感器的结构例的等价电路图。
图24是表示对现有的光传感器施加复位信号RST和读出信号RWS的情况下的VINT的波形图。
附图标记说明
1：像素区域
2：显示器栅极驱动器
3：显示器源极驱动器
4：传感器列(column)驱动器
42：传感器列放大器
43：传感器列扫描电路
5：传感器行(row)驱动器
6：缓冲放大器
7：FPC连接器
8：信号处理电路
9：FPC
11：遮光层
12：半导体层
13：接触部
21：底栅极
22：半导体层
23：接触部
24：顶栅极
30：玻璃基板
31：栅极绝缘膜
32：栅极绝缘膜
33：绝缘层
41：传感器像素读出电路
100：有源矩阵基板
M2：双栅极TFT
M6：浮置栅极TFT
CG1、CG2：控制栅极
具体实施方式
本发明的一个实施方式涉及的显示装置是在有源矩阵基板具备光传感器的显示装置，上述光传感器具备：接受入射光的光检测元件；向该光传感器供给复位信号的复位信号配线；向该光传感器供给读出信号的读出信号配线；和传感器开关元件，其按照上述读出信号，读出在从供给上述复位信号到供给上述读出信号为止的期间从上述光检测元件输出的光电流。此外，上述传感器开关元件是具有两个控制电极的4端子放大器。
根据该结构，传感器开关元件的控制电极的任意一个作为存储光电流的电容而发挥作用，所以没有必要如现有技术那样另外形成电容。因此，在带光传感器的显示装置中，能够降低光传感器的尺寸。
作为上述4端子放大器，能够使用具有顶栅极和底栅极的双栅极TFT作为上述控制电极。该结构中，可以是上述顶栅极与上述光检测元件的输出连接而上述底栅极与上述读出信号配线连接的形态，也可以是上述顶栅极与上述读出信号配线连接而上述底栅极与上述光检测元件的输出连接的形态。
另外，在具备双栅极TFT的上述显示装置中，优选还具备背光源，上述光传感器在上述光检测元件与上述背光源之间还具备遮光层，上述遮光层和上述底栅极通过相同的金属材料形成。能够通过同一工序形成遮光层和底栅极，提高制造效率。进而，优选上述遮光层和上述底栅极具有相同的厚度。
或者，作为上述4端子放大器，能够使用具有两个浮置栅极作为上述控制电极的浮置栅极TFT。
另外，在上述显示装置中，优选上述光检测元件含有：接受光的受光元件；和参照用元件，其被遮光层遮光并检测暗电流，并且显示装置还包括修正电路，该修正电路使用来自上述参照用元件的输出修正上述受光元件的输出。在光检测元件的特性随着环境温度的变化而变化的情况下，能够对其进行补偿。此外，上述受光元件和上述参照用元件可以设置于上述有源矩阵基板的像素区域，也可以设置于像素区域外。
更加优选上述遮光层构成为通过与形成于上述有源矩阵基板的任一金属层(并不限定于此，例如，有源元件的电极、各种配线、或者、半透过型液晶面板等的情况下使用的反射层等)相同的材料形成。通过利用相同的材料，能够利用同一工序形成遮光层和有源矩阵基板上的其他的金属层，所以能够简化制造工序。或者，基于相同的理由，也优选通过与形成于上述有源矩阵基板或对置基板的黑矩阵相同的材料形成上述遮光层。
另外，作为上述光检测元件能够使用光电二极管。这种情况下，能够构成为上述控制电极的一方与上述读出信号配线连接，上述控制电极的另一方与上述光电二极管的阴极连接。或者，也可以构成为上述4端子放大器中的控制电极以外的2端子的一方与定电位配线连接，上述4端子放大器中的控制电极以外的2端子的另一方与来自该光传感器的传感器信号输出配线连接。或者，作为上述光检测元件也能够使用光电晶体管。
上述光检测元件可以设置于上述有源矩阵基板的像素区域内，也可以设置于像素区域外。
另外，上述的显示装置能够作为液晶显示装置加以实施，该液晶显示装置还具备：与有源矩阵基板相对的对置基板；和被夹持在上述有源矩阵基板与对置基板之间的液晶。
下面，参照附图说明本发明的具体实施方式。此外，以下的实施方式表示了将本发明的显示装置作为液晶显示装置加以实施的结构例，但是本发明涉及的显示装置并不限定于液晶显示装置，能够适用于使用有源矩阵基板的任意的显示装置。此外，本发明所涉及的显示装置具有图像取入功能，从而设想其能够利用于检测接近画面的物体而进行输入操作的带触摸面板的显示装置、或者具有显示功能和摄像功能的双向通信用显示装置等。
另外，下面所参照的各图为了说明的方便，只是简化表示本发明的实施方式的构成部件中，为了说明本发明所必需的主要部件。因此，本发明涉及的显示装置能够具备本说明书所参照的各图中没有表示的任意的构成部件。另外，各图中的部件的尺寸也没有确切地表示实际构成部件的尺寸和各部件的尺寸比率等。
[第一实施方式]
首先，参照图1和图2说明本发明的第一实施方式涉及的液晶显示装置所具备的有源矩阵基板的结构。
图1是表示本发明的一个实施方式涉及的液晶显示装置所具备的有源矩阵基板100的概略结构的框图。如图1所示，有源矩阵基板100至少在玻璃基板上具备：像素区域1；显示器栅极驱动器2；显示器源极驱动器3；传感器列(column)驱动器4；传感器行(row)驱动器5；缓冲放大器6；和FPC连接器7。另外，用于对通过像素区域1内的光检测元件(后述)取入的图像信号进行处理的信号处理电路8经由上述FPC连接器7和FPC9而与有源矩阵基板100连接。
此外，有源矩阵基板100上的上述构成部件也能够通过半导体处理而集成地形成于玻璃基板上。或者，也可以构成为通过例如COG(Chip On Glass：玻璃基芯片)技术等将上述构成部件中的放大器或驱动器类安装在玻璃基板上。或者，也可以考虑图1中在有源矩阵基板100上表示的上述构成部件的至少一部分安装在FPC9上。有源矩阵基板100与在整个面形成有对置电极的对置基板(未图示)贴合，在其间隙中封入液晶材料。
像素区域1是为了显示图像而形成有多个像素的区域。本实施方式中，在像素区域1中的各像素内，设置有用于取入图像的光传感器。图2是表示有源矩阵基板100的像素区域1中的像素和光传感器的配置的等价电路图。图2的例子中，1个像素由R(红)、G(绿)、B(蓝)3色的图像元素形成，在该由3图像元素构成的1个像素内设置有1个光传感器。像素区域1具有呈M行×N列的矩阵状配置的像素和同样配置为M行×N列的矩阵状的光传感器。此外，如上所述，图像元素数是M×3N。
因此，如图2所示，像素区域1具有配置为矩阵状的栅极线GL和源极线COL作为像素用的配线。栅极线GL与显示器栅极驱动器2连接。源极线COL与显示器源极驱动器3连接。此外，栅极线GL在像素区域1内设置有M行。以下，有必要分别说明各栅极线GL的情况下，标记为GLi(i＝1～M)。另一方面，如上所述，为了对一个像素内的3图像元素分别供给图像数据，在每1像素设置有3根源极线COL。在有必要分别说明各源极线COL的情况下，标记为COLrj、COLgj、COLbj(j＝1～N)。
在栅极线GL与源极线COL的交点设置有薄膜晶体管(TFT)M1作为像素用的开关元件。此外，在图2中，将设置于红色、绿色、蓝色的各图像元素中的薄膜晶体管M1分别表示为M1r、M1g、M1b。薄膜晶体管M1的栅极电极与栅极线GL连接，源极电极与源极线COL连接，漏极电极与未图示的像素电极连接。由此，如图2所示，在薄膜晶体管M1的漏极电极与对置电极(VCOM)之间形成液晶电容LC。另外，在漏极电极与TFTCOM之间形成有辅助电容LS。
在图2中，被连接于1根栅极线GLi与1根源极线COLrj的交点的薄膜晶体管M1r驱动的图像元素，与该图像元素对应设置有红色的彩色滤光片，且经由源极线COLrj从显示器源极驱动器3供给红色的图像数据，由此作为红色的图像元素发挥作用。另外，被连接于栅极线GLi与源极线COLgj的交点的薄膜晶体管M1g驱动的图像元素，与该图像元素对应设置有绿色的彩色滤光片，且经由源极线COLgj而从显示器源极驱动器3供给绿色的图像数据，由此作为绿色的图像元素发挥作用。进而，被连接于栅极线GLi与源极线COLbj的交点的薄膜晶体管M1b驱动的图像元素，与该图像元素对应设置有蓝色的彩色滤光片，且经由源极线COLbj而从显示器源极驱动器3供给蓝色的图像数据，由此作为蓝色的图像元素发挥作用。
此外，图2的例子中，在像素区域1中，按照在1像素(3图像元素)设置1个光传感器的比率设置光传感器。但是，像素与光传感器的配置比率并不限定于该例子，是任意的。例如，也可以对每1图像元素配置1个光传感器，或者是对多个像素配置1个光传感器的结构。
如图2所示，光传感器包括作为光检测元件的光电二极管D1和晶体管M2。图2的例子中，源极线COLr兼作用于从传感器列驱动器4向光传感器供给恒定电压VDD的配线VDD。另外，源极线COLg兼作传感器输出用的配线OUT。
晶体管M2是具有两个栅极的TFT(下面，称为双栅极TFT)。这里，将晶体管M2中处于下层(玻璃基板侧)的栅极称为底栅极，将处于上层的栅极称为顶栅极。图2的例子中，顶栅极与配线RWS连接，而被施加读出信号。底栅极与光电二极管D1的阴极连接。晶体管M2的漏极与配线VDD连接，而源极与配线OUT连接。在光电二极管D1的阳极连接有用于供给复位信号的配线RST。
这里，参照图3(a)和图3(b)，说明本实施方式的光传感器的一个结构。图3(a)是表示本实施方式的光传感器的俯视图。图3(b)是表示图3(a)中的A-B剖面的剖视图。
如图3(a)和图3(b)所示，光电二极管D1和晶体管M2通过半导体处理而形成在有源矩阵基板100的玻璃基板30上。光电二极管D1构成为依次层叠有：遮光层11；栅极绝缘膜31；半导体层12；栅极绝缘膜32；和绝缘层33。此外，在这里所图示的各层之外也可以设置有底涂层等。光电二极管D1的半导体层12具有例如横向结构的PN结或PIN结。半导体层12的阳极经由接触部13与复位信号配线RST连接。晶体管M2构成为在玻璃基板30上依次层叠有：底栅极21；栅极绝缘膜31；半导体层22；栅极绝缘膜32；顶栅极24；和绝缘层33。光电晶体管D1的半导体层12的阴极经由接触部13、配线15、接触部23与晶体管M2的底栅极21连接。顶栅极24与读出信号配线RWS连接。
遮光层11是为了使得来自背光源(未图示)的光不入射到光电二极管D1的半导体层12而设置的。晶体管M2的底栅极21优选与遮光层11使用相同的材料，通过相同的工序来形成为相同的膜厚。
在上述结构的晶体管M2中，通过使得施加到底栅极的电压变化，能够控制晶体管M2的阈值电压。图4(a)是表示晶体管M2的顶栅极的电位VTG(单位是V)、漏极电流ID(单位是A)与底栅极的电位VBG(单位是V)的关系的特性图。另外，图4(b)是表示晶体管M2的漏极—源极间的电位差VDS(单位是V)、漏极电流ID(单位是A)与底栅极的电位VBG(单位是V)的关系的特性图。此外，图4(a)中，表示漏极与源极间的电位差是0.1V时的特性，图4(b)中，表示晶体管M2的顶栅极的电位VTG是5V时的特性，这些仅仅是一个例子，并不将能够适用于本发明的双栅极TFT的特性限定于上述例子。
此外，使用双栅极TFT作为晶体管M2的优点如下所述。首先，由于底栅极的电容作为将来自光电二极管D1的光电流放电的电容CBG而起作用，所以没有必要如图23所示的现有的光传感器那样另外设置电容器CINT。本实施方式的光传感器与上述现有技术中的光传感器相比，与不需要电容器的量相应地能够减少构成部件的量，能够提高像素的开口率。
另外，由晶体管M2的顶栅极，屏蔽在其上层形成的像素电极对本实施方式的电容CBG所产生的影响。因此，伴随对像素的写入而产生的像素电极的电位变动不会对电容CBG造成影响，能够进行稳定的传感器输出。进而，根据本实施方式的光传感器，还具有如下的优点。即，在图23所示的现有的结构中，光的灵敏度的大小(二极管尺寸)会对读出电压和读出速度带来直接影响，所以需要考虑两者的平衡，来确定电容和二极管尺寸。另一方面，根据本实施方式的结构，通过由受光导致的底栅极的电压变化来控制晶体管的阈值，从而进行读出，所以能够与光灵敏度(图23的结构中的二极管尺寸)无关地设定读出电压和读出速度，能够分别将两者最优化。
配线RST、RWS与传感器行驱动器5连接。由于在每一行设置有这些配线RST、RWS，所以在以后需要区别各配线的情况下，标记为RSTi、RWSi(i＝1～M)。
传感器行驱动器5按照规定的时间间隔trow选择图2所示配线RSTi和RWSi的组。由此，依次选择在像素区域1中应该读出信号电荷的光传感器的行(row)。
此外，如图2所示，在配线OUT的端部连接有绝缘栅极型场效应晶体管M3的漏极。另外，在该晶体管M3的漏极连接有输出配线SOUT，晶体管M3的漏极的电位VSOUT作为来自光传感器的输出信号而向传感器列驱动器4输出。晶体管M3的源极与配线VSS连接。晶体管M3的栅极经由参照电压配线VB而与参照电压电源(未图示)连接。
这里，参照图5说明来自像素区域1的传感器输出的读出。图5是分别表示从配线RST向光传感器供给的复位信号和从配线RWS向光传感器供给的读出信号的波形的时序图。如图5所示，复位信号的高电平VRST.H是0V，低电平VRST.L是-2V。该例子中，复位信号的高电平VRST.H与VSS相等。另外，读出信号的高电平VRWS.H是5V，低电平VRWS.L是0V。该例子中，读出信号的高电平VRWS.H与VDD相等，低电平VRWS.L与VSS相等。
首先，当从传感器行驱动器5向配线RST供给的复位信号从低电平(-2V)上升而成为高电平(0V)时，光电二极管D1成为顺向偏置，用下述式(4)表示连接点INT的电位VINT。此外，连接点INT电位VINT与晶体管M2的底栅极的电位相等。
VINT＝VRST.H-VF    …(4)
式(4)中，VRST.H是作为复位信号的高电平的0V，VF是光电二极管D1的顺向电压，ΔVRST是复位信号的脉冲的高度(VRST.H-VRST.L)，在该复位时施加到顶栅极的读出信号RWS是0V，所以晶体管M2在复位期间成为非导通状态。
接着，复位信号返回低电平VRST.L，从而光电流的积分期间(tINT)开始。积分期间中，从底栅极流出与入射到光电二极管D1的入射光量成比例的光电流，使得底栅极的电容CBG放电。由此，用下式(5)表示积分期间结束时的连接点INT的电位VINT。
VINT＝VRST.H-VF-ΔVRST·CPD/CT-IPHOTO·tINT/CT  …(5)
式(5)中，IPHOTO是光电二极管D1的光电流，tINT是积分期间的长度。积分期间中，由于施加到顶栅极的读出信号RWS也是0V，所以晶体管M2仍保持非导通状态。CPD是光电二极管D1的电容。CT是连接点INT的总电容，是底栅极的电容CBG、光电二极管D1的电容CPD和晶体管M2的寄生电容CPAR的总和。
当积分期间结束时，如图5所示，通过将读出信号RWS切换为高电平，读出期间开始。当读出信号RWS成为高电平(5V)时，晶体管M2成为导通状态。晶体管M2当成为导通状态时，与各列中设置在配线OUT的端部的偏置晶体管M3一起作为源极跟随放大器而发挥作用。即，来自晶体管M3的漏极且从输出配线SOUT输出的输出信号电压VSOUT，在积分期间tINT中成为光电二极管D1所接收的光量的函数。
图6是表示连接点INT的电位VINT与输出信号电压VSOUT的关系的说明图。积分期间中的电位VINT的变化率受其周围的明亮度的影响。在周围非常明亮的情况下，如图6的上侧的图中的线H所示，连接点INT的电位VINT急速下降，在积分期间的中途成为饱和状态。另外，在周围的明亮度为中等程度的情况下，如该图中的线M所示，连接点INT的电位VINT比较和缓地下降。在周围暗的情况下，如该图中的线L所示，连接点INT的电位VINT更加和缓地下降。另外，如图6的下侧的图表所示，表示来自晶体管M2的输出电流值IM2的线L、M、H与晶体管M3中流动的电流值IM3的交点表示输出信号电压VSOUT。如图6的下侧的图所示，输出信号电压VSOUT的值在从VDD到VSS之间成为与积分期间中的周围光的明亮度相对应的唯一的值。因此，能够使用输出信号电压VSOUT的值作为表示周围的明亮度的指标。
如上所述，本实施方式中，将源极线COLr、COLg、COLb共用为光传感器用的配线VDD、OUT，所以，如图7所示，有必要区分经由源极线COLr、COLg、COLb输入显示用的图像数据信号的定时和读出传感器输出VSOUT的定时。在图7的例子中，水平扫描期间中显示用图像数据信号的输入结束后，利用水平消隐期间等，进行传感器输出VSOUT的读出。
如图1所示，传感器列驱动器4包括：传感器像素读出电路41；传感器列放大器42；和传感器列扫描电路43。在传感器像素读出电路41连接有从像素区域1输出传感器输出VSOUT的配线SOUT(参照图2)。图1中，将从配线SOUTj(j＝1～N)输出的传感器输出标记为VSOUTj。传感器像素读出电路41向传感器列放大器42输出传感器输出VSOUTj的峰值保持电压VSj。传感器列放大器42内置有分别与像素区域1的N列的光传感器对应的N个列放大器，通过各列放大器将峰值保持电压VSj(j＝1～N)放大，并作为VCOUT向缓冲放大器6输出。传感器列扫描电路43为了将传感器列放大器42的列放大器依次连接到缓冲放大器6的输出，而向传感器列放大器42输出列选择信号CSj(j＝1～N)。
这里，参照图8和图9，对从像素区域1读出传感器输出VSOUT后的传感器列驱动器4和缓冲放大器6的动作进行说明。图8是表示传感器像素读出电路41的内部结构的电路图。图9是表示读出信号VRWS、传感器输出VSOUT与传感器像素读出电路的输出VS的关系的波形图。如上所述，读出信号成为高电平VRWS.H时，晶体管M2导通，从而通过晶体管M2、M3形成源极跟随放大器，传感器输出VSOUT存储在传感器像素读出电路41的采样电容器CSAM中。由此，在读出信号成为低电平VRWS.L后，其行的选择期间(trow)中，从传感器像素读出电路41向传感器列放大器42输出的输出电压VS也如图8所示，保持为与传感器输出VSOUT的峰值相等的电平。
下面，参照图10说明传感器列放大器42的动作。如图10所示，从传感器像素读出电路41向传感器列放大器42的N个列放大器输入各列的输出电压VSj(j＝1～N)。如图10所示，各列放大器包括晶体管M6、M7。传感器列扫描电路43所生成的列选择信号CSj在一行的选择期间(trow)中，对于N列的列的每一个依次成为ON，由此，传感器列放大器42中的N个列放大器中仅任意一个的晶体管M6成为ON，经由该晶体管M6，仅输出各列的输出电压VSj(j＝1～N)中的任意一个，作为来自传感器列放大器42的输出VCOUT。缓冲放大器6进一步放大从传感器列放大器42输出的VCOUT，并作为脉冲输出(光传感器信号)Vout而向信号处理电路8输出。
此外，传感器列扫描电路43可以如上所述逐列扫描光传感器的列，但是并不限定于此，也可以构成为隔行扫描光传感器的列。另外，传感器列扫描电路43也可以形成为例如4相等的多相驱动扫描电路。
根据以上的结构，本实施方式中的显示装置在像素区域1中得到与在每个像素形成的光电二极管D1的受光量相应的面板输出VOUT。面板输出VOUT被输送到信号处理电路8而进行A/D变换，并作为面板输出数据而存储到存储器(未图示)中。即，该存储器中存储有与像素区域1的像素数(光传感器数)同等数量的面板输出数据。信号处理电路8中，使用存储到存储器中的面板输出数据，进行图像取入或触摸区域的检测等的各种信号处理。此外，本实施方式中，信号处理电路8的存储器中存储有与像素区域1的像素数(光传感器数)同等数量的面板输出数据，但是由于存储器电容等的制约，未必需要存储与像素数同等数量的面板输出数据。
此外，在上述的说明中，表示了在晶体管M2的底栅极连接有光电二极管D1的阴极而在顶栅极连接有读出信号配线RWS的结构。但是，如图11所示，在晶体管M2的顶栅极连接有光电二极管D1的阴极而在底栅极连接有读出信号配线RWS的结构也是第一实施方式(变形例)。在图12(a)和(b)中表示这时的晶体管M2的俯视图和剖视图。如图12(a)和(b)所示，在该变形例中，晶体管M2的底栅极21经由接触部26与读出信号配线RWS连接。另外，顶栅极24经由接触部25而与光电二极管D1的阴极连接。此外，由于该结构下的光传感器的动作与上述动作相同，所以省略说明。
[第二实施方式]
下面说明本发明的第二实施方式涉及的显示装置。此外，对于与在上述第一实施方式中说明过的结构具有相同功能的结构标记相同的参照附图标记，省略其详细说明。
第二实施方式涉及的显示装置的结构为，在如第一实施方式的说明检测外部光的明亮度的光传感器(受光元件)以外，设置有被遮光的光电二极管(参照用元件)，使得外部光不入射到有源矩阵基板100的像素区域1中的至少一部分的像素。即，在该结构中，通过上述被遮光的光电二极管(参照用元件)检测暗电流，使用其检测结果修正光传感器(受光元件)的输出。即，是通过由参照用元件检测到的暗电流值补偿光电二极管的温度依存性的结构。
参照用元件的遮光层能够使用与有源矩阵基板100的像素区域1中的像素驱动用的TFT(图2所示的M1r、M1g、M1b)的电极相同的材料、或者与设置于有源矩阵基板100或对置基板的黑矩阵相同的材料，能够通过与上述结构相同的工序同时形成。或者，能够通过与有源矩阵基板100中的各种配线(例如源极配线、多层配线的情况下设置于源极配线的上层的配线等)相同的材料形成该遮光层。另外，在将显示装置构成为半透过型液晶面板的情况下，也可以使用与反射层相同的材料。
图13是第二实施方式中的显示装置的一例，是具有接受外部光的光电二极管D1(受光元件)的光传感器电路和具有以外部光不入射的方式被遮光的光电二极管D2(参照用元件)的参照电路，以与共用的VDD配线连接的方式相邻配置的结构的等价电路图。此外，按照什么样的密度和比率配置受光元件和参照用元件是需要适当设计的事项。例如，可以使用1列的参照用元件，修正相邻的1列受光元件的输出，也可以使用1列的参照用元件，修正附近的多列受光元件的输出。
在图13的结构中，由于在参照电路中光电二极管D2被遮光，所以与外部光的明亮度无关，只输出暗电流成分作为VSOUT(DARK)。另一方面，在光传感器电路中，光电二极管D1接受外部光，输出与其明亮度相应的VSOUT(PHOTO)。因此，通过由VSOUT(DARK)修正VSOUT(PHOTO)，能够得到没有温度依存性的光传感器输出。
此外，图13中，表示了光传感器电路和参照电路与共用的VDD配线连接的结构的例子，但是如图14所示，也可以是光传感器电路和参照电路与不同的相邻的VDD配线连接的结构。这种情况下，动作与图13的结构下的动作相同。另外，在图13和图14所示的结构中，VDD配线也可以兼作第一实施方式中图2所示的任意的源极线，也可以是不同于源极线的独立的配线。
[第三实施方式]
下面说明本发明的第三实施方式涉及的显示装置。此外，对于与上述第一实施方式或第二实施方式中说明的结构具有相同功能的结构标注相同的参照附图标记，省略其详细说明。
如图15所示，第三实施方式中的显示装置，在第一实施方式说明的光传感器中，具备光电晶体管(光电TFT)M4取代光电二极管D1这一点与第一实施方式不同。
光电晶体管M4的栅极和源极都与复位配线RST连接。作为光电晶体管M4不限于移动度高的多晶硅TFT，也可以使用非晶硅TFT或者微结晶硅TFT。此外，晶体管M2也能够通过非晶硅TFT或者微结晶硅TFT实现。因此，能够使用相同的材料同时形成晶体管M2和光电晶体管M4。
这里，参照图16说明本实施方式中的光传感器的动作。图16是表示第三实施方式的光传感器中的输入信号(RST、RWS)与VINT的关系的波形图。此外，复位信号RST和读出信号RWS与在第一实施方式中图5所示的信号相同。本实施方式的光传感器中，在复位信号RST成为高电平时，用下式(6)表示晶体管M2的栅极电极的电位VINT。
VINT＝VRST.H-VT，M2      …(6)
式(6)中，VT，M2表示晶体管M2的阈值电压，ΔVRST表示复位信号的脉冲的高度(VRST.H-VRSTL)，这时，由于读出信号RWS是0V，所以晶体管M2成为非导通状态。
接着，复位信号回到低电平VRST.L，从而开始光电流的积分期间。在积分期间中，与入射到光电晶体管M4的入射光量成比例的光电流从底栅极的电容CBG流出，使得电容CBG放电。由此，用下式(7)表示积分期间结束时的晶体管M2的栅极的电位VINT。
VINT＝VRST.H-VT，M2-ΔVRST·CSENSOR/CT-IPHOTO·TINT/CT  …(7)
式(7)中，IPHOTO表示光电晶体管M4的光电流，TINT表示积分期间的长度。在积分期间中，由于读出信号RWS是0V，所以晶体管M2成为非导通状态。CSENSOR是光电晶体管M4的电容。CT是底栅极的电容CBG、光电晶体管M4的电容CSENSOR和晶体管M2的寄生电容CTFT的总和。
当积分期间结束时，读出信号RWS上升从而读出期间开始。此外，读出期间在读出信号RWS为高电平的期间持续。这里的读出原理与第一实施方式中说明过的原理相同所以省略重复说明。
如上所述，根据本实施方式涉及的显示装置，即使使用光电晶体管M4代替光电二极管作为光传感器的光检测元件，也能够得到光传感器输出。另外，尤其是若通过非晶硅TFT或者微结晶硅TFT形成晶体管M2和光电晶体管M4，则与使用多晶硅相比具有能够廉价地制造的优点。
这里，参照图17～图19说明第三实施方式的变形例。如图17所示，该变形例涉及的显示装置具有光电晶体管M5以代替图15中所示的光电晶体管M4。光电晶体管M5的栅极与复位配线RST连接，这与光电晶体管M4相同，但是源极与供给不同于复位信号RST的第二复位信号VRST的配线连接。
这里，参照图18和图19，说明该变形例中的光传感器的动作。图18是表示施加到该变形例中的光传感器的各种信号与VINT的关系的波形图。图19是作为比较例而表示在图15所示的结构中，复位信号RST的电位下降不急剧的情况下的VINT的变化的波形图。
如图19所示，在图15所示的结构中复位信号RST的电位下降不急剧的情况下，晶体管M2的栅极电极的电位VINT在复位信号RST的电位下降期间下降相当的量(图19所示的ΔVBACK)。其理由在于光电晶体管M4与光电二极管不同具有双方向导通性。这种情况下，产生像素的动态范围与上述ΔVBACK的下降量相应地变小，仅少量的光就达到饱和的问题。
本实施方式的结构中，为了改善该问题，如上所述，对光电晶体管M5的栅极与源极分别施加不同的复位信号RST、VRST。如图18所示，施加到光电晶体管M5的源极的第二复位信号VRST，在复位信号RST完全成为低电平后，即从光电晶体管M5被切换为断开(OFF)状态，开始电位降下。由此，通过比较图18和图19可知，在上述变形例的结构中，不产生图19中所见的电位VINT的下降(ΔVBACK)，能够实现动态范围宽的光传感器。
此外，在上述说明中，表示了在第一实施方式的结构中将光电二极管置换为光电晶体管的结构。但是，也可以将第二实施方式的光电二极管置换为光电晶体管，该结构也是本发明的一个实施方式。
[第四实施方式]
下面，说明本发明的第四实施方式涉及的显示装置。此外，对于与上述第一实施方式～第三实施方式中说明的结构具有相同功能的结构标记相同的参照附图标记，省略其详细说明。
本实施方式中的显示装置是如图20所示，将第一实施方式中的显示装置具备的双栅极TFT置换为浮置栅极TFT(M6)的结构。
浮置栅极TFTM6具备两个控制栅极CG1、CG2。控制栅极CG1与读出信号配线RWS连接。控制栅极CG2与光电二极管D1的阴极连接。控制栅极CG2能够用于对控制栅极CG1的阈值电压进行控制。
图21(a)是表示浮置栅极TFTM6的控制栅极CG1的电位VCG1(单位是V)、漏极电流ID(单位是A)与控制栅极CG2的电位VCG2(单位是V)的关系的特性图。另外，图21(b)是表示浮置栅极TFTM6的漏极—源极间的电位差VDS(单位是V)、漏极电流ID(单位是A)与控制栅极CG2的电位VCG2(单位是V)的关系的特性图。此外，图21(a)中，表示漏极与源极之间的电位差为0.1V时的特性，图21(b)中，表示控制栅极CG1的电位VCG1为5V时的特性，但是这些都只是一个例子，其主旨不在于将能够适用于本发明的浮置栅极TFT的特性仅仅限定于该例子。
图22(a)是表示浮置栅极TFTM6的结构的俯视图。图22(b)是图22(a)中的A-A箭头方向的剖视图。图22(c)是图22(a)中的B-B箭头方向的剖视图。如图22(a)～图22(c)所示，浮置栅极TFTM6构成为在有源矩阵基板100的玻璃基板50上依次形成有：底涂层51；半导体层52；栅极绝缘膜53；浮置栅极57；和层间绝缘膜54。控制栅极CG1、CG2形成在层间绝缘膜54上。在半导体层52连接有源极电极55和漏极电极56。
用下式(8)表示浮置栅极57上的电压VFG。
VFG＝CCG1/CT×VCG1+CCG2/CT×VCG2+Cgs/CT×VS+Cgd/CT×VD   …(8)
此外，CT＝CCG1+CCG2+Cgd+Cgs。
另外，在Cgd和Cgs同CCG1和CCG2相比极小的情况下，从上述式(8)可知，浮置栅极57上的电压VFG能够由下式(9)表示。
VFG＝CCG1/CT×VCG1+CCG2/CT×VCG2     …(9)
此外，通过调整控制栅极CG1、CG2的面积能够适当调整CCG1和CCG2的大小。
此外，由于本实施方式中的光传感器的动作与第一实施方式中说明的光传感器的动作相同，所以省略重复说明。
此外，在本实施方式涉及的显示装置中，使用浮置栅极TFT的优点如下所述。首先，形成于控制栅极CG2与浮置栅极之间的电容CCG2作为存储来自光电二极管D1的光电流的电容而发挥作用，所以没有必要如图23表示的现有的光传感器那样另外设置电容器CINT。本实施方式的光传感器与上述现有的光传感器相比，与不需要电容器的量相应地能够减少的构成部件的数量，能够提高像素的开口率。
如上所述，说明了本发明的第一实施方式～第四实施方式，但是本发明并不仅限定于上述各实施方式，能够在发明的范围内进行各种变更。
例如，在上述的实施方式中，例示了与光传感器连接的配线VDD和OUT与源极配线COL共用的结构。根据该结构，具有像素开口率高的优点。但是，也可以构成为区别于源极配线COL地设置光传感器用的配线VDD和OUT。
产业上的可利用性
本发明在产业上能够应用为具有光传感器的显示装置。

Claims (18)

1.一种显示装置，其在有源矩阵基板具备光传感器，该显示装置的特征在于：
所述光传感器具备：
接受入射光的光检测元件；
向该光传感器供给复位信号的复位信号配线；
向该光传感器供给读出信号的读出信号配线；和
传感器开关元件，其按照所述读出信号，读出在从供给所述复位信号到供给所述读出信号为止的期间从所述光检测元件输出的光电流，
所述传感器开关元件是具有两个控制电极的4端子放大器。
2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于：
所述4端子放大器是具有顶栅极和底栅极作为所述控制电极的双栅极TFT。
3.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于：
所述顶栅极与所述光检测元件的输出连接，所述底栅极与所述读出信号配线连接。
4.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于：
所述顶栅极与所述读出信号配线连接，所述底栅极与所述光检测元件的输出连接。
5.如权利要求2至5中任一项所述的显示装置，其特征在于：
还具备背光源，
所述光传感器在所述光检测元件与所述背光源之间还具备遮光层，
所述遮光层和所述底栅极由相同的金属材料形成。
6.如权利要求5所述的显示装置，其特征在于：
所述遮光层和所述底栅极具有相同的厚度。
7.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于：
所述4端子放大器是具有两个浮置栅极作为所述控制电极的浮置栅极TFT。
8.如权利要求1至7中任一项所述的显示装置，其特征在于：
所述光检测元件含有：接受光的受光元件；和参照用元件，其被遮光层遮光并检测暗电流，
还包括修正电路，该修正电路使用来自所述参照用元件的输出修正所述受光元件的输出。
9.如权利要求8所述的显示装置，其特征在于：
所述受光元件和所述参照用元件设置于所述有源矩阵基板的像素区域。
10.如权利要求8或9所述的显示装置，其特征在于：
所述遮光层通过与形成于所述有源矩阵基板的任一金属层相同的材料形成。
11.如权利要求8或9所述的显示装置，其特征在于：
所述遮光层通过与形成于所述有源矩阵基板或者对置基板的黑矩阵相同的材料形成。
12.如权利要求1至11中任一项所述的显示装置，其特征在于：
所述光检测元件是光电二极管。
13.如权利要求12所述的显示装置，其特征在于：
所述控制电极的一方与所述读出信号配线连接，
所述控制电极的另一方与所述光电二极管的阴极连接。
14.如权利要求12所述的显示装置，其特征在于：
所述4端子放大器中的控制电极以外的2端子的一方与定电位配线连接，
所述4端子放大器中的控制电极以外的2端子的另一方与来自该光传感器的传感器信号输出配线连接。
15.如权利要求12至14中任一项所述的显示装置，其特征在于：
所述光电二极管的阳极与所述复位信号配线连接。
16.如权利要求1至11中任一项所述的显示装置，其特征在于：
所述光检测元件是光电晶体管。
17.如权利要求1至16中任一项所述的显示装置，其特征在于：
所述光检测元件设置在所述有源矩阵基板的像素区域内。
18.如权利要求1至17中任一项所述的显示装置，其特征在于，还具备：
与所述有源矩阵基板相对的对置基板；和
被夹持在所述有源矩阵基板与对置基板之间的液晶。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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