JP3224730B2 - 半導体装置及び半導体装置の駆動方法 - Google Patents
半導体装置及び半導体装置の駆動方法Info
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Description
CD)パネルの電圧の駆動方式に係わるものである。ま
た、本願発明はこの駆動方式に対応する新規な構造の画
素に係わるものである。本願発明は特に半導体基板上に
形成された反射型LCD用のセルに係わるものである。
大分子である液晶を封入し、電極間に所望の電圧を印加
することによって液晶の分子の配向性を印加電圧に応じ
て変化させ、電極間の光の透過特性を画素毎に制御する
ことによって情報を表示する表示装置である。従って、
LCDを構成するためには透明電極とその間に封入され
た液晶からなる画素部分の他に、これに印加する電圧を
制御するためのドライバが必要となる。
極に挟まれた液晶部分は等価的には画素容量1で表され
る。また、十分な容量を持たせるためにパネル上に補助
容量9を形成する場合が多い。補助容量9は一定の容量
を有している。そして、この画素容量1及び補助容量9
はゲート線3で駆動されるスイッチングトランジスタ2
に接続されている。スイッチングトランジスタのソース
電極側はソース線4に接続されている。ゲート線3、ソ
ース線4ともに番地がふられており、あるアドレス(S
m,Gn)が指定されると、ソース線4に印加されてい
る電圧はゲート線3によって駆動されるスイッチングト
ランジスタ2を介して、液晶が2枚の電極間に封入され
ることによって構成される画素容量1及び上述した補助
容量9に伝達される。この電圧によって液晶分子の配向
性が変化し、光の透過特性の制御が可能となる。画素電
極5に対向する電極は一般に対向電極6と呼ばれる。
電圧にほぼ比例する。そして、近年の表示の精密化に応
じて印加電圧も単純な2段階ではなく、8または16の
階調を有し、階調に応じて異なる輝度を示す。つまり、
ソース線に印加される電圧は一定ではなく、その画素が
表示しようとするデータに応じて複数の段階をとる。
によって行うと液晶分子の配向を引き起こすことはでき
るが、セルに封入された液晶が極めて短時間で劣化した
り、焼き付きを起こしたりすることが知られている。従
って、一般的にはある階調の電圧を液晶のセルに印加す
る場合は交流電圧による。つまり、ある階調を表示する
ためには絶対値が同じで極性が逆の、階調に応じた電圧
を交互に印加するのが普通である。
従来は大きく分けて2つの方法によってなされてきた。
第一に高耐圧のドライバを利用する方法である。これは
図2に示すように、対向電極電位を一定に保持しつつ、
画素電極側に画素印加電位を交流で印加する方式であ
る。一般にセルに付与すべき電位は10〜20Vであり
かなり高圧である。しかし、高耐圧と高速の両方を満足
するドライバの開発は困難である、多階調の出力をもつ
高耐圧回路の集積も容易ではない、等の製造技術上の問
題が多いところにこの方式の難点がある。。第二の方法
は図3に示すように画素電極に印加されるソースドライ
バの画素印加電圧を比較的低圧なものとしつつ(約5V
程度)、対向電極に高電圧を交流で印加し、画素印加電
圧と対向電極電圧を合成することによって交流駆動の効
果を得ようとする方法である。しかし、この方法によれ
ば大きな負荷を有する対向電極を高電圧で交流駆動する
必要があるので、LCDパネルの消費電力が極めて大き
くなる。また、画素サイズの微細化に伴い、特に補助容
量9などをセルに組み込む場合を考えると、対向電極を
交流駆動するための配線を組み込むことが極めて困難と
なり実際的ではない。
ば対向電極電位は一定に維持できるが、このようなドラ
イバで高速を実現することは困難であり、また、コスト
も高いという欠点がある。また、低耐圧のドライバを用
いれば交流駆動するために対向電極に交流を印加する必
要があるが、電力消費が大きく、また、配線が複雑とな
るためにコストも増大するという欠点がある。従って、
これらの欠点を解消することが望まれている。
位を一定に保持しつつ、低耐圧のドライバによって液晶
セルを十分な電位で交流駆動することを目的とする。本
願発明は上述した目的を達成するために画素中に電圧増
幅機能を持たせた画素を提供することを目的とする。本
願発明は電圧増幅機能を組み込んだ画素を駆動する方法
を提供することを目的とする。本願発明はかかる新規な
特徴を有する半導体装置を他の応用例にも適用すること
を目的とする。
する上記課題は、半導体基板上に形成された半導体装置
であって、第一の方向に走る複数のゲート線と、第一の
方向と異なる第二の方向に走る複数のソース線と、ソー
ス線上の電圧を供給すべく第一のゲート線に付与される
電圧によって開閉するスイッチイング手段と、このスイ
ッチング手段を介してソース線に接続された一定容量
(液晶セルの場合には画素容量である)と、この一定容
量と並列にスイッチング手段を介してソース線に接続さ
れた可変容量と、を具備し、可変容量は第一のゲート線
及びソース線とは独立な電圧付与手段である第二のゲー
ト線と接続され、加えられた電圧に依存してその容量が
変化することを特徴とする半導体装置によって達成でき
る。
によって駆動することによって加えられた入力電圧を液
晶セル内で増幅することができる。 (1)可変容量に第一の電圧を付与してその容量を第一
の値にした後に、スイッチング素子を開いてソース線上
の電圧を一定容量と可変容量に供給する第一のステッ
プ、 (2)スイッチング素子を遮断する第二のステップと、 (3)可変容量に第二の電圧を付与してその容量を第一
の値よりも小さい第二の値にする第三のステップ 以下、これらの点について説明する。
願発明ではソースドライバとしては比較的低耐圧のもの
を用い、液晶セルに組み込まれた電圧増幅機能によって
ソースドライバの駆動電位を増幅する。この結果、高耐
圧のソースドライバで駆動をした場合と同様の電圧条件
を液晶セルに加えることができる。また、液晶セルに組
み込まれた増幅機能によって電圧の増幅を行っているか
ら、対向電極電位については一定のままでよい。
従来技術(図1)との違いは画素容量1と並列に可変容
量7が接続されている点である。この可変容量7は図6
に示すようにその容量が電極に加えられる電圧に依存し
てステップ状に変化する。可変容量7の他方の電極はス
イッチングトランジスタ2のゲートが接続されているゲ
ート線Gnの次のゲート線Gn+1に接続される。可変
容量の容量はゲート線Gn+1の電位に依存する。この
可変容量7をかかる態様で画素容量と接続することによ
って、画素容量に印加される駆動電圧を増幅することが
できる。
示す。 (1)まず図7に示すように、ゲート線Gn+1に電圧
Vgを印加する(Vgon)。すると、図6に示したと
おり、可変容量7の容量Cvarは最大値Cmaxとな
る。 (2)この状態で、ゲート線Gnに電圧Vgを印加する
と(Vgon)、スイッチングトランジスタ2が開かれ
て、ソースに印加された電圧が並列に接続されて画素容
量1と可変容量7に印加される。このときに、画素容量
1と可変容量7に保持される電荷の和Qpixelは画
素容量の容量値(一定)をCconst、ソース線の電
位をVinとすると以下の式で表される。
ト線Gnの電位を下げ、スイッチングトランジスタ2を
遮断する。このときに、ゲート線Gn+1については高
電位に維持する。この結果、画素容量1、可変容量7に
蓄積される電荷の和Qpixelは変化しない。
n+1の電位を0付近に下げる(Vgoff)。する
と、これにつれて可変容量7の容量Cvarが減少し、
Cminになる(図6参照)。しかし、全体が遮断され
ているためにQpixelは一定に維持される。つま
り、可変容量の変化分は画素容量に印加される電圧の変
動という形で表れる。このとき保持されている電荷Q
pixelは画素容量に印加される電圧をVpixel
とすると、以下の式で表される。
められるが、その値は以下の式で表される。
電圧Vinを加えると、これが画素容量と並列に接続さ
れた可変容量の作用によってVpixelに増幅される
ことになる。従って、低耐圧のソースドライバを用い
て、液晶セルを十分な電位で駆動することが可能とな
る。
幅率について検討する。式(3)において、書き込み電
圧の範囲で最も低い電圧、最も高い電圧をそれぞれをV
inl、Vinh、保持する電圧の範囲で最も低い電
圧、最も高い電圧をそれぞれVoutl,Vouthと
すると、Voutl,Vouthはそれぞれ、
振幅Vswing=Vouth−Voutlは、
Voutl)/(Vinh−Vinl)は、
ための技術について説明する。本願発明に係わる液晶セ
ルはシリコン等の半導体基板上に形成することが望まし
い。半導体基板上に形成することによって、可変容量を
構成することがより容易になるからである。上述した増
幅作用を有するセル構造を構成する容量としては理論的
には様々なものが可能である。例えば、電圧依存性のな
い容量としては(1)層間絶縁膜を挟んだ平行電極間の
容量、(2)拡散領域−基板間の容量、(3)液晶を挟
んだ電極間容量(画素容量)のようなものが考えられ
る。また、シリコン等の半導体基板上で容量変化を引き
起こすものとしては(1)ゲート−NチャネルFETの
ソース(ドレイン)間容量、(2)ゲート−P型基板間
容量、(3)N型拡散領域−P型基板間容量、(4)N
ウエル−P型基板間の容量、といったものが考えられ
る。
概念を液晶セルとともに鳥瞰図で示す。この図は大部分
において等価回路を示した図1に対応するものである。
図10に示されるように、対向電極6は透明であり、そ
の表面に照射される光を透過する。光は液晶部分10に
よって一部遮断され、遮光板11によって反射される。
液晶10の配向を制御する電極は画素電極5である。画
素電極5は図示されるように、スイッチングトランジス
タ2を介してソース線4に接続された配線層13と接続
されるから、ソース線4の電圧を付与することができ
る。ゲート線3、30は平行に配置され、スイッチング
トランジスタ部分2のゲートに接続される。また、ソー
ス線4はスイッチングトランジスタ2を形成する配線層
に接続され、所定の電圧を付与する。ここで、電圧依存
性のない容量は図中21〜23で示される。つまり、
(1)層間絶縁膜を挟んだ平行電極間の容量は容量21
であり、(2)拡散領域−基板間の容量は容量22であ
り、(3)液晶を挟んだ電極間容量(画素容量)は容量
23である。動作にあってはこれらの容量が全て電圧依
存性のない容量として働く。
開示する。この図では(1)ゲート−NチャネルFET
のソース(ドレイン)間容量が可変容量として開示され
る。これはゲート線Gn3に対して1ライン隣のゲート
線Gn+130の下に形成されたイオンドープのない部
分24である。図中ABCを結ぶ線に沿った断面を図1
2に示す。P型半導体基板中にNドープされた部分13
が形成されており、スイッチングトランジスタ、可変容
量、ゲート線の関係が表されている。
る半導体の新規な動作方法を示す。この動作方法によっ
て液晶セルの駆動電圧を増幅することができる。この動
作方法は等価回路図7〜図9を用いて示したものと同じ
である。
FETをonさせるために対応するゲート線Gnに電圧
を加える。このゲート線に加える電圧は書き込もうとす
る電圧であるソース電圧Vinよりも少なくともVtだ
け高い電圧を加える必要があり、典型的には10Vであ
る。このときに、同時に隣接するゲート線Gn+1にも
電圧を加え可変容量用のFETもonする。ここで、画
素容量Cconst=1pF、可変容量の最大値C
max=1pFとすると、このとき蓄積される電荷Q
pixelは式(1)に従って計算すると、書き込み電
圧Vin=6Vの場合、Qpixel=1・6+1・
(6−10)=2pCとなる。同様に、Vin=8Vの
場合はQpixel=1・8+1・(8−10)=6p
Cである。
したら画素用FETをoffにするためにゲート線Gn
の電圧を0Vに戻す。このときに、保持される電荷Q
pixelに変化はない。その後、図15に示すように
可変容量用のFETもoffにする。このとき、可変容
量には電圧が加わらなくなるので、その電圧依存性から
可変容量値は最小値Cminになる。このとき、可変容
量用FETのゲート−チャネル間に加えられていた電荷
がFETのソースへと吐き出されるから、ソースの電位
に変化を及ぼす。これは保存電荷は一定であるのに、保
持容量が全体として小さくなるからである。
よりQpixel=Cconst・Vpixel(C
const=1)であるから、書き込み電圧Vin=6
V及び8VでそれぞれVpixel=2V,6Vとな
る。
軸にソース電圧(入力電圧)Vinをとり、この関係を
プロットする。これでわかるように、Vinは6Vから
8Vしか変化していないのに、Vpixelは2Vから
6Vに変化しており、ソースドライバからの書き込み電
圧の2Vの違いが4Vの出力差になって表れて画素に保
持されている。つまり、本願発明に係わる液晶セルは入
力電圧を増幅して出力するという作用を有している。従
って、本願発明では液晶セルの駆動において比較的小さ
い振幅を有するドライバを用いて大きな振幅の電圧の変
動を引き起こすことが可能である。また、図16に示す
ように、対向電極の電圧を出力電圧の中間値に保持すれ
ば、対向電極電圧を反転させることなく液晶の駆動を実
現できる。
技術によれば可能である。つまり、本願発明は新しい製
造方法に関する発想を含むものではない。製造方法とし
ては、例えば図11の場合には、ポリシリコン層やアル
ミニウム層を配線層として形成することを前提とするこ
とになる。つまり、ゲ−ト線にポリシリコン層、ソース
線にアルミニウムを使用するのだから、図11に示され
る配線は一般的なMOS半導体工程によって可能であ
る。その後、周知の方法で拡散領域13を形成する。
−Nウエル間の容量の変化を可変容量として利用した例
を図17に示す。Nウエルの場合はNチャネルFETを
用いるよりも非線形な増幅結果となるが、例えば液晶の
電圧−透過率の非線形性を補正(ガンマ補正)する際に
同時に非線形性を補正することは容易である。
発明では隣のゲート線を流用したが、配線に余裕があれ
ば独立の配線層を形成し、独立の駆動電源を用いること
によって可能である。
基板を前提としてきたが、当業者であれば容易に本実施
例の発想をN型のシリコン半導体基板を用いて実施する
ことができる。本願発明の構造については現在知られて
いる半導体装置の製造方法を応用して当業者であれば容
易に形成可能である。
導体装置を液晶セルのに対して利用することを前提に開
示した。しかし、液晶セル及びその駆動回路とDRAM
セルとはほぼ同様な等価回路で表現することができる。
従って、本願発明は液晶セルに限定されるものではな
い。DRAMセルに本願発明の半導体装置を利用すると
きは以下のような機構によりリフレッシュ間隔を長くで
きる。
与する制御手段18を独立に設ける。この制御手段によ
って所定のタイミングで可変容量7に付与されている電
圧を低下させ、その容量を低減する。すると、電荷はD
RAMセルの記憶容量である一定容量1に対して移動す
るから、記憶容量から電荷の漏洩があってもこれを補う
ことができる。このようにして記憶容量1の電荷の漏洩
分の電荷を漸次可変容量の容量を低減することによって
補えば、リフレッシュ間隔を従来のDRAMセルに比べ
て大幅に増大することができる。DRAMセルにおいて
リフレッシュ間隔を長くするということは極めて重要で
ある。なぜならば、DRAMにおいてはリフレッシュが
必要なために、SRAMのような利用容易性が得られな
い点が欠点となっているからである。
ングを示す。この図において縦軸はDRAMセルである
一定容量1に蓄えられている電荷に対応する一定容量1
における電圧Vcである。DRAMはこの電圧が一定の
閾値Vth以上かどうかという点を判断してストアされ
ているデータが0か1かを判定するものである。時間t
0でリフレッシュを行った後に、しばらく経つとVcが
低減して、閾値Vthに近づく。従来のDRAMにおい
てはこの時点t1でリフレッシュ動作を再度行う必要が
あった。本願発明による半導体装置によれば、この時点
で制御手段18が可変容量7に印加する電圧を低減し、
その容量を減少させる。すると、電荷は一定容量に移動
するからその時点で一定容量1の電圧Vcは復帰する。
時間t2においても同様に制御手段18によって一定容
量1の電圧Vcの復帰を行う。しかし、可変容量7内に
電荷がなくなると制御手段18によってもはや復帰がで
きなくなるので、このときに初めてリフレッシュ動作を
行えばよい。時間t3はこのような時点を示す。時間t
3においてはもはや可変容量7中に電荷が存在しないの
で、制御手段18によって可変容量7に印加する電圧を
調節しても一定容量1の電圧の復帰はできない。
体装置をDRAMセルに応用すれば、リフレッシュ間隔
が従来のDRAMセルに比べて数倍となる。
保持しつつ、低耐圧のドライバによって液晶セルを十分
な電位で交流駆動することが可能となる。従って、高耐
圧のドライバを必要としないから、高速な動作が可能で
あり、かつ、コスト的にも安価なドライバを利用するこ
とができる。また、本願発明に係わる増幅機能を組み込
んだセルを用いれば低耐圧のドライバで有効に対向電極
非反転モードで駆動することが可能であり、補助容量等
のための配線を設ける必要がないから、画素サイズの微
細化に対応することが可能となる。
回路図である。
等価回路図である。
の電圧−容量特性図である。
動作を説明するための図である。
動作を説明するための図である。
動作を説明するための図である。
の鳥瞰図である。
の鳥瞰図である。
の断面図である。
の断面図による動作方式の説明図である。
の断面図による動作方式の説明図である。
の断面図による動作方式の説明図である。
である。
の断面図の他の例である。
に応用した例である。
に応用した場合のリフレッシュ動作と制御手段の動作を
示すタイミング図である。
Claims (5)
- 【請求項1】半導体基板上に形成された半導体装置であ
って、 複数のゲート線と、データに応じた電圧が印加される複
数のソース線とが設けられ、上記ゲート線及び上記ソー
ス線の交点のそれぞれに画素が設けられており、 該画素のそれぞれは、 第1のゲート線Gnに印加される電圧によって開閉する
スイッチング手段と、 該スイッチング手段を介して上記ソース線に一方の端子
が接続された一定容量と、 該一定容量の一方の端子に可変容量の一方の端子が接続
されており上記スイッチング手段を介して上記ソース線
に接続される上記可変容量とを具備し、 上記一定容量が対向する複数の電極間に液晶を封入した
構造を含み、上記可変容量の他方の端子は、上記第1の
ゲート線Gn及び上記ソース線とは独立である、上記第
1のゲート線Gnの次のゲート線Gn+1と接続され、 上記第1のゲート線Gnに上記電圧Vgを印加して上記
スイッチング手段を開くときに、上記次のゲート線G
n+1に上記電圧Vgを印加して上記可変容量の容量値
を高い容量値にし、上記ソース線の上記データに応じた
電圧を上記一定容量及び上記可変容量に印加し、次いで
上記ゲート線Gnの電圧を0Vに下げて上記スイッチン
グ手段を閉じ、次いで上記次のゲート線Gn+1の電圧
を0Vに下げて上記可変容量の容量値を低い容量値にす
ることを特徴とする、半導体装置。 - 【請求項2】上記次のゲート線Gn+1は上記第1のゲ
ート線Gnに対して1ライン隣のゲート線であり、上記
半導体基板のうち上記第1のゲート線Gnの両側に1つ
ずつNドープされた部分が形成されており、一方のNド
ープされた部分が上記ソース線に接続され、他方のNド
ープされた部分が反射板として働く画素電極に接続さ
れ、そして、上記可変容量が、上記半導体基板のうち上
記他方のNドープされた部分に隣接し且つ上記次のゲー
ト線Gn+1の下側の領域と上記次のゲート線Gn+1
とを含むことを特徴とする、請求項1に記載の半導体装
置。 - 【請求項3】上記次のゲート線Gn+1は、上記電圧V
g及び電圧0Vを選択的に上記可変容量の他方の端子に
印加し、上記可変容量の容量値は、上記電圧Vgの印加
時に高い容量値になり、上記電圧0Vの印加時に低い容
量値になり、上記電圧Vgが印加されて上記可変容量の
容量値が高い容量値のときに上記開いた状態にあるスイ
ッチング手段を介して上記ソース線から上記一定容量及
び上記可変容量に電荷が蓄積され、そして、該可変容量
に蓄積された電荷は、上記スイッチング手段が閉の状態
となり、上記次のゲート線Gn+1の電圧が0Vになっ
て上記可変容量の容量値が低い容量値に変化するとき
に、上記一定容量に移されることを特徴とする、請求項
1に記載の半導体装置。 - 【請求項4】第1の方向に沿って複数のゲート線が設け
られ、上記第1の方向と異なる第2の方向に沿ってデー
タに応じた電圧が印加される複数のソース線が設けら
れ、上記ゲート線及び上記ソース線の交点のそれぞれに
画素が設けられており、該画素のそれぞれは、第1のゲ
ート線Gnに印加される電圧によって開閉するスイッチ
ング手段と、該スイッチング手段を介して上記ソース線
に一方の端子が接続された一定容量と、該一定容量の一
方の端子に可変容量の一方の端子が接続されており上記
スイッチング手段を介して上記ソース線に接続される上
記可変容量とを有し、上記一定容量が、対向した電極間
に液晶材料を封入した構造を含み、上記可変容量の他方
の端子に上記第1のゲート線Gnの次のゲート線G
n+1が接続されている半導体装置の駆動方法であっ
て、 (イ)上記第1のゲート線Gnに上記電圧Vgを印加し
て上記スイッチング手段を開くときに、上記可変容量の
他方の端子に接続された上記次のゲート線Gn+1に上
記電圧Vgを印加して上記可変容量の容量値を高い容量
値にし、上記ソース線から上記一定容量及び上記可変容
量に電荷を蓄積するステップと、 (ロ)上記第1のゲート線Gnの電圧を0Vに下げて上
記スイッチング手段を閉の状態にするステップと、 (ハ)上記可変容量の他方の端子に接続された上記次の
ゲート線Gn+1の電圧を0Vに下げて上記可変容量の
容量値を低い容量値に変化させて、上記可変容量に蓄積
された電荷を上記一定容量に移すステップとを含む半導
体装置の駆動方法。 - 【請求項5】上記次のゲート線Gn+1は上記第1のゲ
ート線Gnに対して1ライン隣のゲート線であり、上記
半導体基板のうち上記第1のゲート線Gnの両側に1つ
ずつNドープされた部分が形成されており、一方のNド
ープされた部分が上記ソース線に接続され、他方のNド
ープされた部分が反射板として働く画素電極に接続さ
れ、そして、上記可変容量が、上記半導体基板のうち上
記他方のNドープされた部分に隣接し且つ上記次のゲー
ト線Gn+1の下側の領域と上記次のゲート線Gn+1
とを含むことを特徴とする、請求項4に記載の半導体装
置の駆動方法。
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