DE69723501T2

DE69723501T2 - Anzeigevorrichtung mit aktiver Matrix

Info

Publication number: DE69723501T2
Application number: DE69723501T
Authority: DE
Inventors: Michael James Brownlow; Toshio Kidlington Nomura; Yasushi Sakurai-shi Kubota; Masahiro Nara-shi Adachi
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1996-05-01
Filing date: 1997-05-01
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2017-05-02
Also published as: GB2312773A; US6064362A; JPH1062817A; KR970076450A; EP0807918B1; GB9609064D0; JP3297347B2; DE69723501D1; KR100251689B1; EP0807918A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Aktivmatrixanzeigen beispielsweise vom Flüssigkristalltyp, die als aktive Elemente in der Matrix polykristalline Silicium-Niedertemperatur-Dünnfilmtransistoren verwenden.
Ein bekannter Typ einer Aktivmatrixanzeige besitzt in einer Matrix von Adressierungsleitungen eine aktive Schaltungsanordnung, die die optischen Eigenschaften eines Anzeigematerials wie etwa eines Flüssigkristalls steuert. 1 der beigefügten Zeichnung zeigt die Struktur einer typischen Aktivmatrixanzeige. Eine regelmäßige rechteckige Anordnung von Aktivmatrixelementen wie etwa bei 1 ist in Form von durch einen Abtasttreiber 2 adressierten Zeilen und durch einen Datentreiber 3 adressierten Spalten angeordnet. Die Schaltung eines typischen Bildelements oder Pixels ist bei 4 gezeigt.
Jedes Pixel umfasst ein (nicht gezeigtes) Anzeigeelement, das effektiv parallel zu einem Haltekondensator 5 ist. Der Haltekondensator 5 ist zwischen die Source eines Dünnfilm-Feldeffekttransistors 6 und eine gemeinsame Versorgungsleitung oder die vorhergehende Gate-Leitung geschaltet. Das Gate des Transistors 6 ist mit einer Abtastelektrode 8 verbunden, die allen Pixeln der Zeile gemeinsam und mit einem jeweiligen Ausgang des Abtasttreibers 2 verbunden ist. Der Drain des Transistors 6 ist mit einer Datenelektrode 7 verbunden, die allen Pixeln der Spalte gemeinsam und mit einem jeweiligen Ausgang des Datentreibers 3 verbunden ist.
Im Gebrauch werden die Zeilen der Pixelanzeigedaten den Datenelektroden 7 durch den Datentreiber 3 synchron zu den Abtastimpulsen zugeführt, die den Abtastelektroden 8 in einer zyklisch wiederholten Folge durch den Abtasttreiber 2 zugeführt werden. Somit werden die Zeilen der Pixel eine nach der anderen aufgefrischt, um das Auffrischen eines Vollbilds von Anzeigedaten abzuschließen. Daraufhin wird der Prozess für das nächste Vollbild von Daten wiederholt.
Wenn die Abtastelektrode 8 jedes Pixels von dem Abtasttreiber 2 einen Abtastimpuls empfängt, bewirkt die Spannung an der Datenelektrode 7, dass der Haltekondensator 5 geladen wird. Wenn der Abtastimpuls entfernt wird, trennt der Transistor 6 den Haltekondensator 5 von der Datenelektrode 7, so dass die optische Eigenschaft des zugeordneten Anzeigeelements der Spannung über den Haltekondensator 5 entspricht, bis es während des nächsten Vollbildes aufgefrischt wird.
In Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeigen wird die in dem Haltekondensator 5 gespeicherte Spannung zum Modulieren der optischen Eigenschaften einer Dünnschicht des Flüssigkristalls verwendet. In einem bekannten Typ der Anzeige sind die Transistoren 6, die Schaltelemente bilden, als amorphe Silicium-Dünnfilmtransistoren ausgeführt. Zwischen den Auffrischzyklen jedes Pixels ist das dynamische Verhalten der in dem Kondensator 5 gespeicherten Spannung von beträchtlicher Bedeutung bei der Bestimmung der Bildqualität.
Die meisten Flüssigkristallvorrichtungen besitzen eine nichtlineare und zeitabhängige Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der auf dem Flüssigkristall vorhandenen Cberflächenladung. Dieser als dielektrische Anisotropie bekannte Effekt bedeutet, dass die effektive Kapazität der Flüssigkristallvorrichtung eine Funktion der angelegten Spannung und der Reaktionszeit des Flüssigkristalls ist. In einem herkömmlichen Aktivmatrix-Flüssigkristallvorrichtungspixel ist die in 2 bei 9 gezeigte nicht ideale Flüssigkristallkapazität Clc parallel zu einem festen Speicherkondensator Cs. Wenn das Pixel durch Zufuhren eines Abtastimpulses zu der Abtastelektrode 8 adressiert wird, geht die Gate-Spannung des Transistors 6 während einer verhältnismäßig kurzen Zeitdauer hoch, um zu ermöglichen, dass die Anzeige ausreichend schnell aufgefrischt wird, um ein sichtbares Flimmern zu vermeiden. Somit ist die Ladezeit für die Kapazität, die die Parallelkombination des Kondensators 5 und des Anzeigeelements 9 umfasst, ausreichend kurz, damit die Spannungsabhängigkeit der Flüssigkristallkapazität Clc keine wesentliche Wirkung besitzt, so dass die Kapazität Clc während der Dauer des Abtastimpulses als konstant betrachtet werden kann. Allerdings trennt der Transistor 6 während des Intervalls zwischen den Abtastimpulsen den Kondensator 5 und das Anzeigeelement 9 im wesentlichen, so dass die Ladung über die Parallelkombination im Wesentlichen konstant bleibt. Da der Flüssigkristall auf die angelegte Spannung reagiert, ändert sich die Kapazität Clc, so dass die Endspannung über das Anzeigeelement nicht gleich der Amplitude des Ladeimpulses ist und somit nicht der Datenspannung entspricht, die der Datenelektrode 7 während der Abtastung des Pixels zugeführt wurde. Im Fall eines Flüssigkristalls mit positiver dielektri scher Anisotropie steigt die Kapazität, so dass die Spannung über das Flüssigkristall-Anzeigeelement sinkt.
Die Wirkungen der dielektrischen Anisotropie sind in den 3a bis 3c der beigefügten Zeichnung gezeigt, von denen jede überlagerte Graphen der Gate-Spannung und der Anzeige-Transmission als Funktion der Zeit zeigt. 3a zeigt die Flüssigkristallreaktion auf einen einzelnen Abtastimpuls pro Auffrischzyklus. Die Spannung auf der Datenleitung liefert die Gate-Spannung in Form eines verhältnismäßig kurzen Impulses. Der gewünschte Transmissionswert ist auf der linken vertikalen Achse angegeben, wobei aber die tatsächliche Transmissionseigenschaft des Flüssigkristall-Anzeigeelements so beschaffen ist, dass eine niedrigere Transmission als erwartet geliefert wird. Mit anderen Worten, da der Flüssigkristall auf die Spannung reagiert, steigt die Kapazität, während die Spannung über den Flüssigkristall sinkt, so dass die Transmission nicht den gewünschten Wert erreicht.
3b entspricht 3a, zeigt aber die Wirkung mehrerer Auffrischzyklen des Pixels bei dem gleichen Datensignal. Insbesondere sind drei Auffrischzyklen gezeigt. Somit kann durch Anlegen einer Folge von Abtastimpulsen an das Pixel die gewünschte Transmission erzielt werden.
3c, die den 3a und 3b entspricht, zeigt die Wirkung des Ladens der Flüssigkristallkapazität von einer Spannungsquelle mit niedrigerer Impedanz. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass der Transistor 6 während einer längeren Zeitdauer eingeschaltet wird, so dass der Haltekondensator 5 und die Flüssigkristallkapazität Clc von dem jeweiligen Ausgang des Datentreibers 3 geladen werden, der eine verhältnismäßig niedrige Ausgangsimpedanz besitzt. Somit erzielt das Flüssigkristall-Anzeigeelement den gewünschten Transmissionswert, wobei aber die Rate, mit der die Anzeige aufgefrischt werden kann, stark verringert ist, so dass unerwünschte sichtbare Artefakte wie etwa Flimmern sichtbar werden.
Eine bekannte Technik zum Verringern der Wirkungen der nichtidealen Kapazität besteht darin, die Kapazität Cs des Haltekondensators viel größer als die nichtideale Flüssigkristallkapazität Clc zu machen. Dieser Zugang ist für typische nematische Materialien, die typischerweise eine Oberflächenladungsdichte von 10^–4 C/m² besitzen, akzeptabel. Allerdings gibt es Flüssigkristall-Betriebs arten, die zwischen den geschalteten Zuständen eine wesentlich größere Differenz der Oberflächenladungsdichte zeigen. Um diese Materialien unter Verwendung des herkömmlichen Aktivmatrixschemas anzusteuern, müsste dieser potenziell große Wert der Ladung während der Zeit zugeführt werden, in der die Abtastleitung hoch ist. Da während der Abtastzeit nicht genug Zeit zur Verfügung steht, damit das Flüssigkristallmaterial reagiert, erfordert dies einen sehr großen Speicherkondensator, eine sehr hohe Datenspannung und einen Kondensator herkömmlicher Größe oder einen Kompromiss zwischen diesen Verfahren. Da sich die Kombination großer Kapazitäten und/oder Spannungen nachteilig auf das Öffnungsverhältnis und auf den Leistungsverbrauch der Anzeige auswirkt, ist es unter solchen Umständen im Allgemeinen unpraktisch, die Verwendung des herkömmlichen Aktivmatrixschemas zu betrachten. Beispiele solcher Materialien umfassen Flüssigkristallvorrichtungen mit einer spontanen Polarisation wie etwa oberflächenstabilisierte Ferroelektrika oder mit einer feldinduzierten spontanen Polarisation wie etwa Elektrokline, Helioelektrika, verformte Helix-Ferroelektrika, Antiferroelektrika, stochastische Phasen und Kolumnare.
Außer der Wirkung der dielektrischen Anisotropie kann auch die Wirkung des Leckstroms über den Dünnfilmtransistor 6 unerwünschte sichtbare Artefakte verursachen. Der Leckstrom ist der Strom, der über den Transistorkanal fließt, wenn die Gate-Spannung unter der Schwellenspannung liegt. Ein solcher Leckstrom kann bewirken, dass die in dem Haltekondensator 5 gespeicherte Spannung sinkt, da der Leckstrom über den Dünnfilmtransistor dazu neigt, zu ermöglichen, dass die in dem Haltekondensator 5 gespeicherte Ladung entweicht. Wenn der Leckstrom zu hoch ist, klingt die Spannung über das Flüssigkristallelement während der Vollbildperiode wesentlich ab. Im Ergebnis ändern sich die Transmissionseigenschaften des Elements zwischen den Auffrischungen wesentlich, so dass die Anzeige ein sichtbares Flimmern erzeugt.
Jüngste Fortschritte in der Dünnfilmtransistor-Verarbeitungstechnologie haben zur Entwicklung von Hochleistungs-Polysilicium-Dünnfilmtransistoren geführt. Insbesondere ist es jetzt möglich, solche Transistoren bei Temperaturen herzustellen, die niedrig genug sind, so dass sie mit den in den Anzeigen verwendeten Glassubstraten kompatibel sind. Ferner können diese Transistoren jetzt im Vergleich zu herkömmlichen amorphen Silicium-Dünnfilmtransistoren mit verbesserter Ansteuerfähigkeit hergestellt werden und somit nicht nur in jedem Pixel der Anzeige, sondern auch für eine schnelle Peripherieansteuerschaltungsanordnung wie etwa in den Treibern 2 und 3 verwendet werden. Somit können die Herstellungskosten integrierter Anzeigen gesenkt werden.
Auf der Pixelebene können Polysilicium-Transistoren kleiner als amorphe Silicium-Transistoren gemacht werden, was die Vorteile besitzt, dass das Öffnungsverhältnis verbessert und der Abtastspannungsdurchsatz verringert werden kann. Allerdings ist der Leckstrom eines Polysilicium-Dünnfilmtransistors wesentlich schlechter als der eines amorphen Silicium-Dünnfilmtransistors. Der Leckverlust im ausgeschalteten Zustand repräsentiert einen der über ein Anzeigefeld am stärksten veränderlichen Parameter und hängt stark von der Gate-Source-Spannung und von der Drain-Source-Spannung der Transistoren 6 ab. Diese Eigenschaften repräsentieren somit ein Hauptproblem bei der Anwendung von Polysilicium-Dünnfilmtransistoren als Schaltelemente in Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeigefeldern.
4 der beigefügten Zeichnung zeigt für zwei verschiedene Vorrichtungstemperaturen und für zwei verschiedene Drain-Source-Spannungen Graphen des Drain-Stroms in einem logarithmischen Maßstab als Funktion der Gate-Source-Spannung. Das Senken der Drain-Source-Spannung schafft bei allen Temperaturen eine exponentielle Verringerung des Leckstroms. Wie bekannt ist, kann der Leckstrom somit durch die Verringerung des Feldes am Drain des Transistors verririgert werden. F. Okumura und K. Sera, A. M. L. C. D., S. 24–27 (1994), offenbart mehrere Techniken, um dies zu erreichen, wie etwa schwach dotierte Drain-Strukturen (LDD-Strukturen), Offset-Gate-Strukturen (OG-Strukturen), aktive Gates (AG) und mehrere Gates.
LDD- und OG-Strukturen verringern das Feld an dem Drain, besitzen aber auch eine schädliche Wirkung auf den Strom im eingeschalteten Zustand und somit auf die Geschwindigkeit dieser Vorrichtungen. Dies ist für integrierte Anzeigen nicht ideal, da es die Verwendung verschiedener Prozesse für die Pixeltransistoren, bei denen der ausgeschaltete Strom wesentlich ist, und für die Treiber, bei denen hohe Geschwindigkeiten wesentlich sind, erfordert. Die Verwendung zusätzlicher Verarbeitungsschritte ist unerwünscht und kann die Herstellungskosten erhöhen.
Eine alternative Technik ist die Verwendung mehrerer Gates, was darauf hi nausläuft, wie in 5 der beigefügten Zeichnung gezeigt ist, zwei oder mehr Dünnfilmtransistoren in Reihe zu verwenden. Der Ein-Gate-Transistor 6 der in den 1 und 2 gezeigten Anordnung ist durch einen Mehr-Gate-Transistor ersetzt, der den Transistoren 6a und 6b aus 5 entspricht. Allerdings gibt es möglicherweise keine ausreichende Verringerung des Feldes über die Vorrichtungen, um einen Überschussleckstrom zu verhindern, so dass diese Technik häufig zusammen mit der LDD-Technik angewendet wird.
Eine weitere bekannte Technik, die in 6 der beigefügten Zeichnung gezeigt ist, ist die Verwendung eines zusätzlichen Haltekondensators 10 am Übergang der Mehr-Gate-Struktur, d. h. effektiv zwischen den Transistoren 6a und 6b. Allerdings ist zweifelhaft, ob eine solche Anordnung ausreichende Haltezeiten liefert, die die Verwendung von Polysilicium-Dünnfilmtransistoren in Anzeigen ohne unerwünschte sichtbare Artefakte ermöglichen.
7 der beigefügten Zeichnung zeigt eine weitere Technik zum Verlängern der Haltezeit über mehrere Vollbilder, wie sie in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 5-142573 offenbart ist. Diese Technik umfasste ein "Bootstrapping" durch Verbinden eines Einheitsspannungsverstärkungs-Verstärkers 11 mit seinem Eingang an dem Kondensator 5 und an dem Anzeigeelement 9 und mit seinem Ausgang an dem Übergang zwischen den Transistoren 6a und 6b. Somit ist die Schaltung aus 7 über den Einheits-Spannungsverstärkungsverstärker 11 mit einer Rückkopplungsfunktion versehen, so dass die Spannung über den Kondensator 5 und das Anzeigeelement 9 am Übergang der in Reihe geschalteten Dünnfilmtransistoren 6a und 6b erscheint. Wenn der Pufferverstärker 11 ideal wäre und keine Ladung von dem Kondensator 5 und von der Kapazität des Anzeigeelements 9 ziehen würde, würde der Leckverlust von dem Flüssigkristall beseitigt.
EP 0 586 155 offenbart eine Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeige, wie sie in 8a gezeigt ist, von dem gleichen allgemeinen Typ wie die, die in 1 gezeigt ist. Allerdings unterscheidet sich die aktive Schaltungsanordnung für jedes Pixel dadurch, dass ein Pufferverstärker 11 mit einer Einheitsspannungsverstärkung vorgesehen ist. Der Eingang des Verstärkers 11 ist mit der Source des Transistors 6 und mit dem Haltekondensator 5 verbunden, während der Ausgang des Verstärkers 11 mit dem Flüssigkristall-Anzeigeelement 9 verbunden ist. Der Verstärker 11 besitzt eine sehr hohe Eingangsimpedanz und eine verhältnismäßig niedrige Ausgangsimpedanz.
Wenn das Pixel durch Anlegen eines Abtastimpulses an die Abtastelektrode 8 adressiert wird, wird der Transistor 6 eingeschaltet, so dass der Haltekonden sator 5 auf die Spannung geladen wird, die auf der Datenelektrode 7 vorhanden ist. Zwischen den Abtastimpulsen auf der Elektrode 8 wird der Transistor 6 ausgeschaltet. Das Ausgangssignal des Verstärkers 11 folgt der Spannung über den Kondensator 5 und führt diese Spannung dem Anzeigeelement 9 zu.
Die Ausgangsimpedanz des Verstärkers 11 ist verhältnismäßig niedrig, so dass das Anzeigeelement 9 effektiv spannungsgesteuert ist. Dementsprechend bleibt die Spannung über das Anzeigeelement 9 im Wesentlichen konstant. Somit unterliegt der Flüssigkristall einer Spannungsstufe, die während der gesamten Vollbildauffrischzeit angelegt wird.
Obgleich EP 0 586 155 die Überwindung der Wirkung des Stromlecks zwischen den Elektroden des Anzeigeelements 9 betrifft, was bewirkt, dass die Spannung über das Anzeigeelement zwischen aufeinander folgenden Auffrischungen fällt, wird die Wirkung der dielektrischen Anisotropie des Flüssigkristalls ebenfalls wesentlich verringert oder beseitigt.
Allerdings kann die in EP 0 586 155 offenbarte Technik den Leckstrom über den Dünnfilmtransistor 6 nicht ausreichend verringern, was zu einer unerwünschten Senkung der Spannung über den Haltekondensator 5 führt, was seinerseits zu einer Senkung der Spannung über das Anzeigeelement 9 führt.
In der Schaltung aus EP 0 586 155 , wie sie in 8a gezeigt ist, bewirkt der Pufferverstärker 11, dass die Spannung über das Anzeigeelement 9 gleich der Spannung über den Haltekondensator 5 eingestellt wird, so dass die Spannung über das Anzeigeelement 9 unabhängig von der dielektrischen Anisotropie des Flüssigkristallmaterials ungeändert bleibt. Allerdings kann die in dem Haltekondensator 5 gespeicherte Ladung wegen des über den Transistor 6 fließenden Leckstroms von ihm über den Transistor 6 entweichen, was dazu führt, dass die Spannung über den Haltekondensator verringert wird. Im Ergebnis wird die Spannung über das Anzeigeelement 9 verringert.
Gemäß der Erfindung wird eine Aktivmatrixanzeige mit mehreren Bildelemen ten geschaffen, wovon jedes versehen ist mit einem Gatter, das einen mit einer Datenelektrode verbundenen Dateneingang und einen mit einer Abtastelektrode verbundenen Abtasteingang besitzt, wobei jedes Gatter einen ersten und einen zweiten Halbleiterschalter, die in Reihe geschaltet sind, aufweist; einem Haltekondensator, der mit dem Ausgang des Gatters verbunden ist; einem Pufferverstärker, wovon ein Eingang mit dem Haltekondensator verbunden ist; und einem Anzeigeelement, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferverstärker eine Einheitsverstärkung besitzt und dass der Ausgang des Verstärkers mit einem Schaltungsknoten zwischen dem ersten und dem zweiten Schalter und mit dem Anzeigeelement verbunden ist.
Somit kann eine Anzeige geschaffen werden, in der die unerwünschten Wirkungen der Leckströme der Halbleitervorrichtungen sowie der dielektrischen Anisotropie des Flüssigkristalls wesentlich verringert oder beseitigt sind. Insbesondere wird die nachteilige Wirkung des Leckstroms über die Halbleiterschalter wesentlich verringert oder beseitigt. Die Auffrischgeschwindigkeit der Anzeige kann erhöht werden, während sichtbare Artefakte wie etwa Flimmern verringert werden können. Für Anzeigeelemente, die andere Technologien verwenden, ist der Haltekondensator von unerwünschten Effekten, die ansonsten durch das Anzeigeelement verursacht werden könnten, wesentlich getrennt. Die Halbleitervorrichtungen können bei den Pixeln und bei den mit der Anzeige integrierten Treibern unter Verwendung der gleichen Verarbeitungsschritte hergestellt werden, so dass die Herstellungskosten nicht wesentlich erhöht werden.
Jedes der Anzeigeelemente kann ein Flüssigkristall-Anzeigeelement umfassen.
Der Verstärker kann aktive Polysilicium-Vorrichtungen umfassen. Die aktiven Vorrichtungen können Polysilicium-Dünnfilmtransistoren umfassen.
Sowohl der erste als auch der zweite Schalter kann einen Transistor umfassen.
Der Verstärker kann einen Source-Folger umfassen. Der Source-Folger kann eine Konstantstromquellen-Last aufweisen.
Der Verstärker kann einen Differenzverstärker mit einem nicht invertierenden Eingang, der mit dem Haltekondensator verbunden ist, und mit einem invertierenden Eingang, der mit dem Ausgang verbunden ist, umfassen. Der Differenz verstärker kann einen ersten und einen zweiten Transistor mit einer gemeinsamen Source-Last umfassen. Die gemeinsame Source-Last kann ein Konstantstromgenerator sein. Der Verstärker kann einen Stromspiegel umfassen, der mit den Drains des ersten und des zweiten Transistors verbunden ist.
Die Bildelemente können als mehrere Zeilen angeordnet sein, wobei die Abtasteingangssignale der Bildelemente jeder Zeile mit einer jeweiligen gemeinsamen Abtastelektrode verbunden sind, während die Verstärker der Bildelemente jeder Zeile Stromversorgungsanschlüsse besitzen, die zwischen die gemeinsamen Abtastelektroden eines benachbarten Zeilenpaars geschaltet sind. Die Bildelemente benachbarter Zeilen können Halbleitervorrichtungen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps umfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an jedem Pixel in einer Aktivmatrixanzeige ein aktiver Puffer vorgesehen. Der aktive Puffer ist zwischen einem Haltekondensator am Eingang und einer Flüssigkristallzelle am Ausgang angeordnet. Außerdem ist von dem Ausgang des Puffers zu einem Übergang von zwei in Reihe geschalteten Polysilicium-Dünnfilmtransistoren, die als Durchgangsgatter von einer Datenleitung zu dem Haltekondensator wirken, eine Rückkopplungsschleife geschaltet. Der Haltekondensator, der einen verhältnismäßig kleinen Wert haben kann, wird während jeder Zeilenabtastperiode geladen und stellt eine Spannungsreferenz für den Eingang des Puffers bereit. Daraufhin steuert der Puffer die Flüssigkristallzelle für den Rest der Vollbildperiode mit einer konstanten Spannung an. Da die Ladung von dem Puffer über einen sehr viel längeren Zeitraum zugeführt wird, können unter Verwendung dieser Anordnung Materialien mit sehr hohen Oberflächenladungsdichten angesteuert werden. Somit wird die Notwendigkeit der Verwendung hoher Spannungen und/oder großer Haltekondensatoren beseitigt, woraus Nutzen in Bezug auf den Leistungsverbrauch und/oder in Bezug auf das Öffnungsverhältnis folgen. Der Ausgang des Puffers ist mit dem Mittelpunkt des Transistors verbunden, um einen Boostrap des eng mit dem Flüssigkristallelement des Anzeigeelements verbundenen inneren Dünnfilmtransistor durchzuführen. Somit wird die Spannung am "Mittelpunkt" des Transistors im Wesentlichen gleich der Ausgangsspannung des Puffers gemacht. Der aktive Puffer folgt der Spannung an dem Haltekondensator und steuert gleichzeitig die Flüssigkristallkapazität und den Übergang zwischen den Durchgangstransistoren an. Unter dieser Bedingung, mit einem idealen Puffer, ist die Drain-Source-Spannung des inne ren Transistors im Wesentlichen null, so dass der Leckstrom über den inneren Transistor im Wesentlichen beseitigt ist.
Somit kann eine Aktivmatrixanzeige geschaffen werden, in der die nachteiligen Wirkungen der dielektrischen Anisotropie des Flüssigkristallmaterials auf das angezeigte Bild und des Leckstroms über die Halbleiterschalter im Wesentlichen verringert oder beseitigt sind.
Die Erfindung wird weiter beispielhaft beschrieben mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung, in der:
1 ein schematisches Diagramm einer bekannten Aktivmatrixanzeige ist;
2 ein Diagramm eines Aktivmatrixelements der Anzeige aus 1 ist;
3a bis 3c die Wirkungen der dielektrischen Anisotropie des Flüssigkristalls für verschiedene Auftastsignalformen zeigt;
4 den Leckstrom als Funktion der Vorspannung für einen typischen Polysilicium-Dünnfilmtransistor zeigt;
5 ein Diagramm ist, das eine erste bekannte Abwandlung zum Verringern des Leckstroms einer Aktivmatrixanzeige zeigt;
6 ein Diagramm ist, das eine zweite bekannte Technik zum Verringern des Leckstroms zeigt;
7 ein Diagramm ist, das eine dritte bekannte Technik zum Verringern des Leckstroms zeigt;
8a ein schematisches Diagramm einer weiteren bekannten Aktivmatrixanzeige ist;
8b ein schematisches Diagramm einer Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeige ist, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verkörpert;
9, 10, 11 Stromlaufpläne sind, die verschiedene Typen der Verstärker zur Verwendung in den Anzeigen aus 8 zeigen;
12 eine graphische Darstellung der Pixelspannung als Funktion der Zeit in Millisekunden ist, die die Wirkungen des Leckstroms für verschiedene Aktivmatrixpixelschaltungen zeigt; und
13 ein Stromlaufplan ist, der die Verwendung der Abtastleitungen zur Versorgung der aktiven Schaltungsanordnung bei den Pixeln zeigt.
Gleiche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Zeichnung auf gleiche Teile.
Die in 8b gezeigte Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeige unterscheidet sich von der in 8a gezeigten dadurch, dass der Transistor 6 durch die in Reihe geschalteten Transistoren 6a und 6b, beispielsweise von dem in den 5 bis 7 gezeigten Mehr-Gate-Typ, ersetzt ist. Allerdings ist der Ausgang des Verstärkers 11 mit der Verbindung zwischen der Source des Transistors 6a und dem Drain des Transistors 6b verbunden.
Die Verbindung zwischen der Source des Transistors 6a und dem Anzeigeverstärker 11 schafft einen Pfad zum Anfangsladen von der Datenleitung. Nach Abtasten der Leitung, die das Pixel enthält, sind der Ausgang des Verstärkers 11 und somit der Drain des Transistors 6b auf der gleichen Spannung wie der Kondensator 5. Somit bewirkt der Verstärker 11, dass die Spannung über das Anzeigeelement 9 gleich der Spannung über den Haltekondensator 5 gehalten wird. Im Ergebnis bleibt die Spannung über das Anzeigeelement 9 unabhängig von der dielektrischen Anisotropie des Flüssigkristallmaterials im Wesentlichen ungeändert. Da die Drain-Spannung des "inneren" Transistors 6b auf der Ausgangsspannung des Verstärkers 11 gehalten wird, ist die Source-Drain-Spannung über den Transistor 6b im Wesentlichen gleich null, so dass der Leckstrom il über den Transistor 6b im Wesentlichen gleich null ist. Somit wird irgendeine Verringerung der Spannung über den Haltekondensator, die in der bekannten Technik typischerweise durch einen Leckstrom über die Schaltvorrichtung verursacht wird, verhindert, so dass die nachteiligen Wirkungen des Leckstroms auf ein angezeigtes Bild wesentlich verringert oder beseitigt werden.
Es gibt eine Anzahl möglicher Realisierungen des Einheitsverstärkungs-Puffer verstärkers 11, wobei die Wahl von einer Anzahl von Betrachtungen einschließlich der Fläche, der Effizienz und der Fehlertoleranz abhängt.
9 zeigt einen Typ des Pufferverstärkers 11 in Form eines Source-Folgers. Der Source-Folger umfasst die Anreicherungstransistoren 12 und 13, die zwischen den Versorgungsleitungen Vdd und Vss in Serie geschaltet sind. Das Gate des Transistors 12 bildet den Eingang des Verstärkers, der mit dem Kondensator 5 verbunden ist, während die Source des Transistors 12 den Ausgang des Verstärkers bildet. Das Gate des Transistors 13 ist mit einer Vorspannung Vb verbunden und bildet eine Konstantstromquellen-Last für den Transistor 12.
Die Stromanforderungen des in 9 gezeigten Source-Folgers sind außerordentlich klein, da er lediglich benötigt wird, um den zum Verfolgen von Änderungen der Kapazität Clc des Flüssigkristall-Anzeigeelements 9 erforderlichen Strom und den zur Kompensation des Leckverlusts erforderlichen Strom zu liefern.
Wie in 10 gezeigt ist, kann der Source-Folger mittels der Verarmungstransistoren 12a und 13a ausgeführt sein. In diesem Fall ist das Gate des Transistors 13a mit der Source verbunden, um den Konstantstromgenerator zu bilden. Somit ist die Vorspannung Vb nicht erforderlich, so dass ein zusätzlicher Versorgungsdraht vermieden wird.
11 zeigt einen weiteren Typ eines Einheitsverstärkungs-Pufferverstärkers, der auf einem Differenzverstärker beruht, der Polysilicium-Anreicherungs-Dünnfilmtransistoren verwendet. Der Verstärker umfasst die Eingangsdifferenz-Transistoren 20 und 21 in Form eines "Langzeitpaars" und eine Stromquelle, die einen Transistor 22 umfasst, dessen Gate in der Weise verbunden ist, dass es eine Vorspannung Vb empfängt. Der Drain des Transistors 20 ist mit dem Eingang eines Stromspiegels verbunden, dessen Ausgang mit dem Drain des Transistors 21 verbunden ist. Der Stromspiegel umfasst die Transistoren 23 und 24 vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp gegenüber den Transistoren 20 bis 22. Der nicht invertierende Eingang des Differenzverstärkers umfasst das Gate des Transistors 20, das mit dem Haltekondensator 5 verbunden ist. Das Gate des Transistors 21 bildet einen invertierenden Eingang, der mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, der durch die Ver bindung zwischen den Drains der Transistoren 21 und 24 gebildet wird. Die Transistoren werden bei Unterschwellenströmen betrieben, so dass die Regelkreisverstärkung des Verstärkers sehr nahe bei eins liegt. Während des Betriebs zwischen den Abtastimpulsen ist die Spannungsdifferenz über den Kanal des Transistors 6b gleich der Offset-Eingangsspannung des Verstärkers 11, die einen sehr kleinen Wert besitzt.
12 zeigt für die obenbeschriebenen Anordnungen den Spannungsabfall des Haltekondensators als Funktion der Zeit. Die Kurve 30 veranschaulicht die Leistung der in 1 gezeigten Schaltung, wobei sie veranschaulicht, dass die Pixelspannung verhältnismäßig schnell abfällt. Für eine Standardvideoanzeige mit einer Vollbildauffrischperiode in der Größenordnung von 20 Millisekunden fällt die Bildspannung von der Nennspannung von 10 Volt auf etwa 6 Volt ab. Die Kurve 31 veranschaulicht die Leistung der in 5 gezeigten Schaltung, während die Kurve 32 die Leistung der in 6 gezeigten Schaltung veranschaulicht. In der 20-Millisekunden-Auffrischperiode fällt die Pixelspannung von 10 Volt auf etwa 8,5 Volt ab. Diese Spannungsabfälle führen zu wahrnehmbaren sichtbaren Artefakten.
Die Kurve 33 veranschaulicht die Leistung der in den 8b, 9 und 10 gezeigten Schaltungen, wobei sie veranschaulicht, dass der Spannungsabfall während der Auffrischperiode verhältnismäßig klein ist und weniger als 0,5 Volt beträgt. Die Kurve 34 veranschaulicht die Leistung der in 11 gezeigten Schaltung, für die die Pixelspannung während der 20-Millisekunden-Auffrischperiode um einen vernachlässigbaren Betrag abfällt.
Somit kann eine Aktivmatrixanzeige geschaffen werden, bei der die Wirkungen der dielektrischen Anisotropie des Flüssigkristalls wesentlich beseitigt sind, so dass es in der Anzeige keine wahrnehmbaren sichtbaren Artefakte gibt. Die Wirkungen des Auftasttransistor-Leckstroms sind stark verringert oder im Wesentlichen beseitigt. An jedem Pixel in der Aktivschaltungsanordnung sowie in den Abtast- und Datentreibern 2 und 3 können Polysilicium-Dünnfilmtransistoren verwendet werden, so dass die gesamte Schaltungsanordnung unter Verwendung der gleichen Herstellungsprozessschritte hergestellt wird, während keine zusätzlichen Verarbeitungsschritte während der Herstellung erforderlich sind.
Ein möglicher Nachteil der Anwesenheit der Pufferverstärker 11 an den Pixeln ist die Notwendigkeit, den Versorgungsleitungen Vdd und Vss Versorgungsspannungen zuzuführen. Irgendeine zusätzliche Verdrahtung könnte eine wesentliche Wirkung auf das Öffnungsverhältnis der hochaufgelösten Anzeigen haben und ein größeres Risiko von Brückenfehlern in der Elektrodenmatrix einführen. 13 zeigt jedoch eine Anordnung, die eine zusätzliche Verdrahtung überflüssig macht.
13 zeigt einen Teil einer Spalte von Pixeln einer Aktivmatrixanzeige. Jedes Pixel ist von dem in 8b gezeigten Typ. Allerdings sind die Polaritäten der aktiven Vorrichtungen der Pixel in benachbarten Zeilen entgegengesetzt. Somit sind die Transistoren 6a_i und 6b_i vom p-Typ, während die Transistoren 6a_i+1 und 6b_i+1 vom n-Typ sind usw. Für die p-Gattentransistoren wie etwa 6a_i und 6b_i sind die Transistoren eingeschaltet, wenn die Abtastleitung i negativ ist, während sie ausgeschaltet sind, wenn die Abtastleitung i positiv ist. Für die n-Transistoren wie etwa 6a_i+1 und 6b_i+1 sind die Transistoren eingeschaltet, wenn die Abtastleitung i + 1 positiv ist, während sie ausgeschaltet sind, wenn die Abtastleitung negativ ist. Somit sind die alternierenden Abtastleitungen in Abwesenheit eines Abtastimpulses negativ, während die verbleibenden Abtastleitungen in Abwesenheit eines Abtastimpulses positiv sind. Somit können die Abtastleitungen verwendet werden, um den Verstärkern 11_i , 11_i+1 Leistung zuzuführen, wobei die Verstärkerversorgungsleitungen Vdd und Vss wie in 13 gezeigt verbunden sind. Somit wird die aktive Schaltungsanordnung an jedem Pixel jedesmal, wenn die Abtastleitungen über und unter der Zelle in ihrem Ruhezustand sind, d. h. während der gesamten Zeit zwischen dem Auffrischen der entsprechenden Pixelzeilen, gespeist. Somit können die Verstärker ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Verdrahtung gespeist werden.

Claims

Aktivmatrixanzeige, mit mehreren Bildelementen (1), wovon jedes versehen ist mit einem Gatter, das einen mit einer Datenelektrode verbundenen Dateneingang (7) und einen mit einer Abtastelektrode verbundenen Abtasteingang (8) besitzt, wobei jedes Gatter einen ersten und einen zweiten Halbleiterschalter (6a, 6b), die in Reihe geschaltet sind, aufweist; einem Haltekondensator (5), der mit dem Ausgang des Gatters verbunden ist; einem Pufferverstärker (11), wovon ein Eingang mit dem Haltekondensator (5) verbunden ist; und einem Anzeigeelement (9), dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferverstärker (11) eine Einheitsverstärkung besitzt und dass der Ausgang des Verstärkers (11) mit einem Schaltungsknoten zwischen dem ersten und dem zweiten Schalter (6a, 6b) und mit dem Anzeigeelement (9) verbunden ist.
Anzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Anzeigeelement (9) ein Flüssigkristall-Anzeigeelement umfasst.
Anzeige nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gatter (6a, 6b) und der Verstärker (11) aktive Polysiliciumvorrichtungen aufweisen.
Anzeige nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Vorrichtungen Polysilicium-Dünnfilmtransistoren aufweisen.
Anzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste als auch der zweite Schalter (6a, 6b) einen Transistor enthält.
Anzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (11) einen Source-Folger (12, 13, 12a, 13a) enthält.
Anzeige nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Source-Folger eine Konstantstromquellen-Last (13, 13a) besitzt.
Anzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (11) einen Differenzverstärker (20–24) mit einem mit dem Haltekondensator (5) verbundenen nicht invertierenden Eingang und einem mit dem Ausgang verbundenen invertierenden Eingang aufweist.
Anzeige nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker (20–24) einen ersten und einen zweiten Transistor (20, 21) mit einer gemeinsamen Source-Last (22) aufweist.
Anzeige nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Source-Last ein Konstantstromgenerator (22) ist.
Anzeige nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (20–24) einen mit den Drains des ersten und des zweiten Transistors (20–21) verbundenen Stromspiegel (23, 24) aufweist.
Anzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildelemente (1) in mehreren Zeilen angeordnet sind, wobei die Abtasteingänge der Bildelemente jeder Zeile mit einer entsprechenden gemeinsamen Abtastelektrode (Scan i, Scan i + 1, Scan i + 2, Scan i + 3) verbunden sind, wobei Leistungsversorgungsanschlüsse der Verstärker (11_i , 11_i+1 ) der Bildelemente jeder Zeile zwischen die gemeinsamen Abtastelektroden (Scan i, Scan i + 1, Scan i + 2) eines benachbarten Zeilenpaars geschaltet sind.
Anzeige nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gatter (6a_i , 6b_i , 6a_i+1 , 6b_i+1 ) der Bildelemente (1) benachbarter Zeilen Halbleitervorrichtungen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweisen.