DE2457161A1 - Integrierte treiberschaltung fuer gasentladungs-anzeigefelder - Google Patents

Integrierte treiberschaltung fuer gasentladungs-anzeigefelder

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DE2457161A1 DE19742457161 DE2457161A DE2457161A1 DE 2457161 A1 DE2457161 A1 DE 2457161A1 DE 19742457161 DE19742457161 DE 19742457161 DE 2457161 A DE2457161 A DE 2457161A DE 2457161 A1 DE2457161 A1 DE 2457161A1
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Description

Integrierte Treiberschaltung für Gasentladungs-Anzeigefelder
Die Erfindung betrifft eine integrierte Treiberschaltung für Gasentladungs-Anzeigefelder, durch welche einer Gasentladungszelle über einen auf logische Eingangssignale ansprechenden Steuerkreis und einen Hochspannungsschaltkreis wahlweise eine Spannung zur Vorbereitung, Zündung oder Aufrechterhaltung einer Glimmentladung zuführbar ist.
Gasentladungs-Anzeigefelder erfordern Spannungen in der Größenordnung von 100 bis 200 Volt für das Einschreiben, das Löschen und das Aufrechterhalten von Informationen in der Anzeige. Die Information wird dadurch zur Anzeige gebracht, daß ausgewählten Leitungen der Zeilen und Spalten der Matrix, an deren Schnittpunkt sich eine Gasentladungszelle befindet, hohe Spannungen zugeführt werden. Jeder dieser Schnittpunkte ist ansteuerbar durch eine Reihe von Hochspannungsschaltern, wobei jeweils ein Schalter eine "x"-Leitung und ein anderer Schalter eine "y"-Leitung ansteuert. Die "x"- und Iry"-Schalter zum Einschreiben oder Löschen werden durch logische Dekoder ausgewählt.
Integrierte Halbleiterschalter für derartige Gasentladungs-Anzeigefelder sind bereits bekannt. Bei einer bekannten Anordnung, die in der US-Patentschrift 3 628 088 beschrieben ist, sind wegen der Isolationsschwierigkeiten die Hochspannungs- und Niederspannungsteile der Treiberschaltung
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voneinander getrennt angeordnet und durch optische Mittel miteinander gekoppelt.
Bei einer anderen bekannten Anordnung dieser Art, die in der US-Patentschrift 3 614 739 beschrieben ist, wird e'm Niederspannungssignal in ein Hochspannungssignal transformiert. Die Ausgangsspannung entspricht der algebraischen Summe einer periodisch auftretenden Vorbereitungsspannung und dem transformierten logischen Signal. Hierbei ist jedoch erforderlich, daß die Treiberschaltungen für die "x"- und "y"-L.eitungen bezüglich ihrer Transistoren komplementäre Leitungsarten, also NPN- und PNP-Leitung, aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Treiberschaltung der eingangs genannten Art für Gasentladungs-Anzeigefelder anzugeben, bei welcher zur Erhöhung der Betriebssicherheit und zur Herabsetzung der Herstellungskosten nur Transistoren einer bestimmten Leitungsart verwendet werden. Bei dieser Schaltung sollen für bestimmte Betriebsarten auch andere als durch Summierung entstandene Betriebsspannungen erzeugbar sein, und es sollen für Zeilen und Spalten des Anzeigefeldes dieselben Schaltungen verwendbar sein. Die Schaltung soll daher bei der Stromaufnahme eine niedrige Ausgangsspannung besitzen.
Die erfindungsgemäße Schaltung zur Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch einen Schalttransistor, dessen den Schaltungsausgang bildender Emitter eine erste Spannung und dessen Kollektor eine zweite, höhere Spannung zuführbar ist, und der über seine Basis vom Ausgang eines vorgeschalteten, auf logische Eingangssignale ansprechenden Verstärkers steuerbar ist, sowie durch eine den Ausgang der Schaltung mit dem Verstärkerausgang verbindende Diodenanordnung, die bei Stromaufnahme der Schaltung vom Ausgang her zusätzlich einen Strompfad über das Substrat zu einem Bezugspotential bildet.
Die erfindungsgemäße Schaltung ist gekennzeichnet durch ihre Anordnung in den ausgewählten "x"- und "y"-Leitungen bestimmter Gasentladungszellen des matrixartigen Anzeigefeldes. Der hierdurch erzielte Vorteil besteht darin, daß sowohl für die Zeilen- als auch für die Spaltenleitungen nur eine
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einzige Sorte von Treiberschaltungen verwendet wird.
Eine vorteilhafte Ausbildung der Schaltung besteht darin, daß der dem Schalttransistor vorgeschaltete, auf logische Eingangssignale ansprechende Verstärker durch zwei in Darlington-Schaltung verbundene Transistoren gebildet ist. Vorteilhaft ist ferner, daß eine Verbindung vom Schaltungsausgang zum Kollektor des Eingangstransistors der Darlington-Schaltung'vorgesehen ist, durch welche bei gesperrtem Schalttransistor der Spannungsabfall zwischen dem Ausgang und der ersten zugeführten Spannung erniedrigt wird.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, daß die innerhalb einer auf einem Halbleitersubstrat aufgebrachten Epitaxieschicht gebildeten Transistoren der Schaltung als NPN-Transistoren ausgebildet sind. Die Verwendung einer einzigen Leitungsart der Transistoren vereinfacht wesentlich deren Herstellung in der integrierten Schaltung.
j Ein besonderer Vorteil der Schaltung wird darin gesehen, daß die den Schaltungsausgang mit dem Verstärkerausgang verbindende Diodenanordnung gebildet wird durch einen vertikalen NPN-Transistor mit freiem Kollektor-Potential und einem lateralen PNP-Transistor, dessen Emitter der Basis des vertikalen Transistors und dessen Basis dem Kollektor des ver-
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! tikalen Transistors entspricht und dessen Kollektor durch das Substrat gebildet wird, wobei der Schaltungsausgang mit der Basis des vertikalen
j bzw. dem Emitter des lateralen Transistors und der Emitter des vertikalen Transistors mit dem Verstärkerausgang verbunden ist.
Die Epitaxieschicht besitzt in vorteilhafter Weise eine Dicke von etwa 5 um und einen Widerstand von ungefähr 15 Ohm χ cm.
Die Erfindung wird anhand eines durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1a ein schematisches Schaltbild der Treiberschaltung,
Fig. Ib das schematische Schaltbild mit Einzelheiten zur Erläuterung
der Wirkungsweise bei der Stromaufnahme der Schaltung,
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Fig. 2a in schematischer Darstellung die Anordnung von zwei
Schaltungen entsprechend den Fign. la und Ib zur Ansteuerung einer Gasentladungszelle im Schreibbetrieb,
Fig. 2b die Darstellung der Fig. 2a im Schreibbetrieb mit nicht
ausgewählter Gasentladungszelle,
Fig. 2c die Darstellung der Fig. 2a bei der Aufrechterhaltung
einer gezündeten Glimmentladung,
Fig. 3a in Draufsicht die Schaltung der Fig. la in der Ausbildung
als integrierte Schaltung auf einem Halbleitersubstrat,
Fig. 3b einen Querschnitt entlang der Linie 3b.. .3b in Fig. 3a, und
Fig. 3c einen Querschnitt entlang der Linie 3c.. .3c in Fig. 3a.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung enthält auf ihrer Ausgangsseite den Leistungsschalttransistor Q1 mit dem Kollektor IC, der Basis 1B und dem Emitter IE. Der Kollektor IC ist mit der auf einer oberen Spannung liegenden Leitung \Λ, verbunden. Die Basis IB wird über den Widerstand R vorgespannt, dessen andere Seite mit \A, verbunden ist. Der Emitter 1E ist mit der Ausgangsklemme 20 und mit einer Seite der als Stromquelle wirkenden Diode Ds verbunden. Die andere Seite der Diode D- ist mit der auf einer niedrigeren Spannung liegenden Leitung V. verbunden. Die Leitungen V,, und V, sind mit (nicht dargestellten) Hochspannungsquellen verbunden, die vorzugsweise verschiedene Spannungsimpulse von nahe null bis mehrere hundert Volt entsprechend der Erfordernisse der Schaltung liefern. Die Basis IB des Ausgangsschalters QI wird durch das Darlington-Paar Q2 und Q3 gesteuert. Der Darlington-Ausgangstransistor Q2 besitzt den Kollektor 2C, der direkt mit der Basis 1B verbunden ist. Der Emitter 2E des Transistors Q2 ist mit der Leitung VL verbunden. Die Basis 2B ist mit dem Emitter 3E des Darlington-Eingangstransistors Q3 verbunden. Der Kollektor 3C und die Basis 3B des Transistors Q3 sind mit der Ausgangs klemme 20 bzw. mit dem Signalgenerator 22 verbunden. Durch die Verbindung der Basis mit der Ausgangsklemme 20 wird die
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Ausgangsspannung erniedrigt, wenn sich die Schaltung in einem bestimm- ;
ten Betriebszustand befindet. Zwischen dem Emitter 3E und der Basis 3B j
ist die Diode D_ angeordnet, die zur Entladung der Basis 2B dient, wenn I
^ i
der Transistor Q2 gesperrt ist. j
Zwischen der Ausgangsklemme 20 und der Verbindung zwischen der j
Basis IB und dem Kollektor 2C ist ein bilaterales Schaltelement, das j
als PN-Diode Dl bezeichnet ist, angeordnet. Die Diode wirkt wie ein im Substrat befindlicher Schalter, über den Strom (I ) von einem ' (nicht dargestellten) Verbraucher über die Ausgangsklemme 20 aufgenommen wird. Dieser Schalter leitet den Strom in das Substrat und erniedrigt die Sättigungsspannung des Darlington-Ausgangstransistors, indem er den Strom; der anderenfalls in den Transistor Q2 fließen würde, aufteilt. Beim Fehlen dieses Stromzweiges hätte der Transistor Q2 im leitenden Zustand eine höhere Sättigungsspannung.
Wenn der Darlington-Verstärker gesperrt ist, dient der Leistungsschalttransistor auf der Ausgangsseite als Impulsformer für die Signale an den Elektroden IB und IC, wobei der Ausgang 20 als Stromquelle wirkt.
Im Betrieb schaltet ein positives Eingangssignal an der Basis 3B den Transistor Q3 ein, der seinerseits Q2 einschaltet, dadurch wird Ql gesperrt, mit dem Ergebnis, daß die Spannung am Ausgang der Spannung auf der Leitung V. folgt. Q3 trägt dazu bei, den Spannungsabfall zwischen dem Ausgang 20 und V. zu erniedrigen. Wenn ein negatives Eingangssignal der Basis 3B zugeführt wird, wird Q3 und danach auch Q2 gesperrt. Dadurch wird Ql eingeschaltet, so daß die Ausgangsspannung an der Klemme 20 der Spannung auf der Leitung V„ folgt.
Der Fall, daß ein Strom I über den Ausgang 20 aufgenommen wird, ist in Fig. Ib dargestellt. Durch diesen Strom wird die Diode Dl, deren Struktur im folgenden beschrieben wird, in Vorwärts richtung vorgespannt. Die Diode Dl wird zur Emitter-Basis-Strecke des Transistors Q4 und zum Emitter des Transistors Q5. Wenn Q4 eingeschaltet ist durch den in die Schaltung fließenden Strom, wird Q5 durch den Kollektor strom von Q4 ebenfalls eingeschaltet. Q5 leitet den größeren Teil des Stroms
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in das Substrat. Der Strom durch Q4 wird durch Q2 zur Leitung V, geleitet. Dadurch wird die Spannung am Ausgang 20 erniedrigt, so daß die Schaltung eine verbesserte Stromaufnahme darstellt. Die Ausgangs-. spannung wird ebenfalls erniedrigt, wenn das Darlington-Paar in leitendem Zustand ist, infolge der Verbindung zwischen dem Kollektor 3C und dem Ausgang 20, wie bereits erwähnt.
In Fig. 2a ist der Stromfluß bezüglich eines Kreuzungspunktes in einem matrixartigen Gasentladungs-Anzeigefeld dargestellt. Die dargestellten Spannungsimpulse werden den V,,- und V.-Leitungen von zwei paarweise angeordneten Schaltungen, die als "x"- und "y"-Treiber wirken, zugeführt. Der Strom fließt vom "x"- zum "y"-Treiber. Eine Spannungsdifferenz entsteht an der im Kreuzungspunkt angeordneten Zelle. Die Spannung beträgt ungefähr 170 Volt und reicht aus, um im Schreibbetrieb eine Glimmentladung in der Gaszelle des Kreuzungspunktes zu erzeugen. Der Schubbetrieb wird eingeleitet, wenn im "x"-Treiber Q2 gesperrt ist und im "y"-Treiber Q2 eingeschaltet ist. Um eine Glimmentladung im Kreuzungspunkt zu verhindern, wird Q2 im "x"-Treiber eingeschaltet, während Q2 im "y"-Treiber gesperrt ist, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Spannungs impulse der beiden Treiber bewirken eine Spannungsdifferenz von ungefähr 70 Volt am Kreuzungspunkt, die nicht ausreicht, um eine Glimmentladung zu zünden. Wenn eine Glimmentladung bereits gezündet ist, werden die Treiber so geschaltet, daß die Glimmentladung bei geringerer zugeführter Leistung aufrechterhalten bleibt, wie in Fig. 2c dargestellt. In diesem Falle sind die Transistoren Q2 beider Treiber eingeschaltet, und der Strom fließt von der Diode Ds des "x"-Treibers zu der Diode D1 des "y "-Treibers. Die Diode D1 des "y "-Treibers wirkt wie ein Schalter im Substrat. Durch diesen Schalter wird ein parasitärer Strompfad gebildet, der den Strom in das Substrat ableitet, wie im folgenden ausführlich beschrieben wird. Während der Aufrechterhaltung der Glimmentladung werden die Leitungen Vj, und V, des "x"-Treibers gleichzeitig mit Impulsen einer geeigneten Spannung, beispielsweise 100 Volt, beaufschlagt. Die V„ und V,-Leitungen des "y"-Treibers befinden sich auf einem Bezugs potential, beispielsweise Masse. Der zur Aufrechterhaltung erforderliche Strom kann auch dadurch zugeführt werden, daß die "x"-Signale und Spannungsimpulse den "y"-Treibern und den entspre-
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chenden Leitungen \Λ, und V. zugeführt werden, während die "y"~
Signale und Referenzspannungen den "x"-Treibern und den entspre- |
chenden Leitungen V,. und V. zugeführt werden.
Die Ausbildung der Schaltung der Fig. 1a als integrierte Schaltung in einem Halbleitersubstrat ist in Fig. 3a dargestellt. Die Bauelemente der Fig. 3a haben dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1a. Der Leistungsschalttransistor auf der Ausgangsseite ist mit Q1 und der Ausgangstransistor der Darlington-Schaltung ist mit Q2 bezeichnet. Die Kollektoren von Q1 und Q2 sind durch den mittels Epitaxie hergestellten Widerstand R verbunden. Der Kollektor IC ist mit dem Widerstand R verbunden, ebenso mit der Leitung \Λ,, von der die Spannung zugeführt wird. Der Emitter 1E ist mit dem Anschluß DI. der Diode 1 verbunden. Die Basis 1B ist mit dem Anschluß Dl_ der Diode DI und ferner mit dem Kollektor 2C verbunden. Der Emitter 2E hat Kontakt mit der Spannungszuführungsleitung V. und
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mit einem Anschluß der Diode D_. Die Basis 2B ist mit dem Emitter 3E und mit einer Seite der Diode D~ verbunden. Quer zum Subkollektor 29 ist eine Isolationsschranke 28 angeordnet, durch die verhindert wird, daß sich zwischen der Diode D- und Q3 ein PNP-Transistor bildet. Die Basis 3B ist mit der anderen Seite der Diode D„ verbunden sowie mit der Eingangsklemme 22. Der Kollektor 3C ist mit der Ausgangsklemme 20 und dem Anschluß DK verbunden.
In Fig. 3b sind die Subkollektoren 30 und 32 unterhalb der Transistoren Ql und Q2 dargestellt. Der Transistor Q3 besitzt den Subkollektor 29, wie bereits in Verbindung mit Fig. 3a beschrieben wurde. Jeder Subkollektor erstreckt sich in das P-Substrat 34, auf dem eine N-Ieitende Epitaxieschicht 36 aufgebracht ist, in welcher die Schaltung gemäß. Fig. la eingebettet ist. Jede Schaltung wird von einer P -Isolationszone 38 umgeben. Aus Fig. 3b sind ferner die verschiedenen Elektroden der Transistoren QI und Q2 sowie der Widerstand R, der die Kollektoren 1C und 2C verbindet, zu ersehen.
Die Diode D1 und der Transistor Q1 sind in Fig. 3C dargestellt. Die ι Diode D1 wird von einem N-Gebiet 40 umschlossen, das keinen Anschluß aufweist, und daher ein freies Potential besitzt. Der Übergang 42 der
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Diode D1 bildet die Emitter-Basis-Strecke des NPN-Transistors Q4 der Fig. 1b, der aus den Bereichen 44, 46 und 40 besteht. Die Bereiche 46, 40 und 34 bilden den Emitter, die Basis und den Kollektor des PNP-Transistors Q5 der Fig. Ib. Wenn ein Strom I von der Schaltung aufgenommen wird und in den Bereich 46 gelangt, wird der Übergang 42 in Vorwärtsrichtung vorgespannt, so daß der NPN-.Transistor Q4 leitet. Der Stromfluß in den NPN-Kollektor bzw. den Bereich 40 spannt den PNP-Transistor Q5 so vor, daß der Strom in das Substrat 34 geleitet wird, das auf einem entsprechenden Potential liegt. Der aufgenommene Strom im Bereich 44 fließt auch zum Kollektor 2C (Fig. 3a) als Emitterstrom des NPN-Transistors Q4.
Die integrierte monolithische Schaltung wird hergestellt, indem zunächst ein einkristallines Siliciumsubstrat, das P-Ieitend ist und einen Widerstand von ungefähr 15 Ohm χ cm aufweist, gelappt und poliert wird. Dann werden in dem Substrat die Subkollektoren durch bekannte Halbleiterprozesse gebildet. Danach wird ebenfalls in bekannter Weise eine Epitaxieschicht auf das Halbleitersubstrat aufgebracht. Die Schicht wird in einer Dicke von ungefähr 15Lim und mit einem Widerstand von ungefähr 5 Ohm χ cm gebildet. Diese Dicke und dieser Widerstand reichen aus, um alle aktiven und passiven Bauelemente der Schaltung in der Epitaxieschicht unterzubringen. Der Widerstand reicht auch aus, um zu verhindern, daß bei den auf den Leitungen \A, und V. angelegten Spannungen Durchschläge erfolgen. Auch der Widerstand R wird in der Epitaxieschicht durch bekannte Verfahren gebildet. Schließlich werden auf konventionelle Weise die Anschlüsse hergestellt. Alle aktiven Bauelemente in der Schicht weisen dieselbe Leitungsart auf.
Auf dieselbe Weise könnte die Schaltung auch anstelle der verwendeten NPN-Transistoren auch mit PNP-Transistören aufgebaut werden. In diesem Falle würde die Diode D1 mit dem Substrat einen PNP-Transistor bilden. Die mit dem beschriebenen Aufbau hergestellten Schaltungen ergeben Spannungsschalter, die einfach herzustellen sind, die die Notwendigkeit für die algebraische Kombination der Eingangssignale eliminieren und die das Erfordernis von Schaltern mit verschiedener Leitungsart be-
züglich eines Kreuzungspunktes vermeiden.
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Claims (7)

  1. Patentansprüche
    Integrierte Treiberschaltung für Gasentladungs-Anzeigefelder, durch welche einer Gasentladungszelle über einen auf logische Eingangssignale ansprechenden Steuerkreis und einen Hochspannungsschaltkreis wahlweise eine Spannung zur Vorbereitung, Zündung oder Aufrechterhaltung einer Glimmentladung zuführbar ist, gekennzeichnet durch einen Schaittransistor (Q1), dessen den Schaltungsausgang (20) bildender Emitter (1E) eine erste Spannung (V. ) und dessen Kollektor (1C) eine zweite, höhere Spannung (V,,) zuführbar ist, und der über seine Basis (1B) vom Ausgang (2) eines vorgeschalteten, auf logische Eingangssignale (I. ) ansprechenden Verstärkers (Q3, Q2) steuerbar ist sowie durch eine den Ausgang (20) der Schaltung mit dem Verstärkerausgang (2) verbindende Diodenanordnung (Dl), die bei Stromaufnahme (I ) der Schaltung vom Ausgang her zusätzlich einen Strompfad über das Substrat (34) zu einem Bezugspotential bildet.
  2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ihre Anordnung in den ausgewählten "x"- und "y"-Leitungen bestimmter Gasentladungszellen des matrixartigen Anzeigefeldes.
  3. 3. Schaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Schalttransistor (Q1) vorgeschaltete, auf logische Eingangssignale ansprechende Verstärker durch zwei in Darlington-Schaltung verbundene Transistoren (Q3, Q2) gebildet ist.
  4. 4. Schaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung vom Schaltungsausgang (20) zum Kollektor (3C) des Eingangstransistors (Q3) der Darlington-Schaltung vorgesehen ist, durch welche bei gesperrtem Schalttransistor (QI) der Spannungsabfall zwischen dem Ausgang (20) und der ersten zugeführten Spannung (V.) erniedrigt wird.
  5. 5. Schaltung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, MA 973 007
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    daß die innerhalb einer auf einem Halbleitersubstrat (34) aufgebrachten Epitaxieschicht (36) gebildeten Transistoren (Q1, Q2, Q3) der Schaltung als NPN-Transistoren ausgebildet sind.
  6. 6. Schaltung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, • daß die,den Schaltungsausgang (20) mit dem Verstärkerausgang
    (2) verbindende Diodenanordnung (D1) gebildet wird durch einen vertikalen NPN-Transistor (44, 46, 40) mit freiem Kollektor-Potential und einem lateralen PNP-Transistor (46, 40, 34), dessen Emitter (46) der Basis des vertikalen Transistors und dessen Basis (40) dem Kollektor des vertikalen Transistors entspricht und dessen Kollektor (34) durch das Substrat gebildet wird, wobei der Schaltungsausgang (20) mit der Basis (46) des vertikalen bzw. dem Emitter des lateralen Transistors und der Emitter (44) des vertikalen Transistors mit dem Verstärkerausgang (2) verbunden ist.
  7. 7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxieschicht eine Dicke von ungefähr 5 um und einen Widerstand von ungefähr 15 Ohm χ cm aufweist.
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DE2457161A 1973-12-28 1974-12-04 Treiberschaltnetz in einer Steuerschaltungsanordnung eines wechselspannungsbetriebenen Gasentladungs-Bildschirms Expired DE2457161C2 (de)

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FR (1) FR2256599B1 (de)
GB (1) GB1488913A (de)

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