JP3434352B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明はソース／ドレイン間のリ
ーク電流を低減させる構造を有する半導体薄膜トランジ
スタ回路に関するものである。 【０００２】以下、安価な絶縁基板を用いて薄形ディス
プレイを実現するアクティブマトリクスパネル、あるい
はイメージセンサに本発明を応用した場合について説明
するが、本発明は薄膜トランジスタを用いた他の電気回
路にも全く同様に適用することができる。これは、本発
明の目的がリーク電流を減少させるという薄膜トランジ
スタの本質的な特性向上に関するものだからである。 【０００３】 【従来の技術】薄膜トランジスタをアクティブマトリク
スパネルに応用した場合の液晶表示装置は、一般に下側
の薄膜トランジスタ基板と上側のガラス基板と、その間
に封入された液晶から構成されており、前記薄膜トラン
ジスタ基板上にマトリクス状に配置されている液晶能動
素子を外部選択回路により選択し、前記液晶能動素子に
接続された液晶駆動電極に電圧を印加することにより、
画素の表示を行うものである。前記薄膜トランジスタ基
板の一般的な回路図を図１及び図２に示す。 【０００４】図１は薄膜トランジスタ基板上の液晶駆動
素子をマトリクス状に配置した図である。図中の１が表
示領域であり、その中に液晶駆動素子２がマトリクス状
に配置されている。３は液晶駆動素子２へのデータ信号
ラインであり、画素信号が入力されてくる。４は液晶駆
動素子２へのタイミング信号ラインである。液晶駆動素
子２の回路図を図２に示している。５は薄膜トランジス
タであり、データのスイッチングを行なっている。６は
コンデンサであり、データ信号を保持するために用いら
れる。このコンデンサの容量としては、液晶自体の有す
る容量とそれ以外に素子として設けられたコンデンサの
容量を含むが、パネルによっては液晶の容量のみの場合
もある。７−１は各液晶駆動素子に対応して形成された
液晶駆動電極であり、７−２は上側ガラスパネルに設け
られた電極である。以上の説明からもわかるように、薄
膜トランジスタ５は、液晶に印加する電圧のデータをス
イッチングするために用いられている。 【０００５】このとき薄膜トランジスタ５に要求される
のは、薄膜トランジスタをＯＦＦ状態にした時、極力、
ソース／ドレイン電流が流れないようにすることであ
る。 【０００６】コンデンサ６に書き込まれたデータは、一
般に１フレーム時間保持されなくてはならない。コンデ
ンサ６の容量は通常１ｐＦ以下と小さい値のため、薄膜
トランジスタがＯＦＦ状態の時にわずかでもリーク電流
がある場合、コンデンサ６の電圧は急激に減少する。す
なわち、ソースとドレイン間の電圧は等しくなるように
減少していき、書き込まれたデータは正しく保持されな
くなってしまう。したがって、リーク電流はできる限
り、小さくしなくてはならない。このようなリーク電流
に対処する従来技術として、薄膜トランジスタを複数個
直列に接続し、その両端の電極をソース電極およびドレ
イン電極とし、各ゲート電極には同じ電圧を加えるよう
に共通にした構造を持つ液晶駆動素子を用いる特公平５
−４４１９５、５−４４１９５記載の方法が提案されて
いる。この場合、各トランジスタのドレイン端部に発生
する電界の強度がトランジスタが１個しかないときに比
べて、個数分の１に減少するためリーク電流が減少す
る。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】図３にＮチャネル薄膜
トランジスタのリーク電流特性を示す。トランジスタの
チャネル長Ｌ＝１０μｍ、チャネル幅Ｗ＝１００μｍで
ある。このグラフの横軸はソースに対するドレインの電
圧Ｖ_DS であり、縦軸はゲート電圧Ｖ_G ＝−３Ｖのとき
のリーク電流である。以下、このような特性を有する薄
膜トランジスタを図１，２の液晶表示装置に利用した場
合の問題点を述べる。 【０００８】図２のデータ信号配線には、液晶を駆動す
るための画像信号が入力されるが、通常±７Ｖの振幅を
持っている。例えば、薄膜トランジスタ５がＯＮ状態の
ときに＋７Ｖの信号がコンデンサに蓄えられたとする。
この後、ＯＦＦ状態で、データ信号配線に−７Ｖが入力
されたとき、薄膜トランジスタ５のソースとドレイン間
には最大１４Ｖの電圧が加わることになる。図３に示し
たリーク電流特性から、Ｖ_G ＝−３Ｖを加えてＯＦＦ状
態にしたとき、Ｖ_DS が０．５Ｖから１５Ｖに増加する
とリーク電流は２．５桁増加し、１０^-11Ａから５×１
０^-9Ａになる。 【０００９】図３に示したような、Ｖ_G を負にバイアス
した逆バイアス時の、リーク電流はチャネル層に形成さ
れるｐ型領域と、ドレインのｎ型領域の間で形成される
ＰＮ接合を流れる電流によって規定される。薄膜トラン
ジスタでは半導体中に多数の欠陥が存在するため、この
ＰＮ接合が不完全であり、接合リーク電流が流れやす
い。また、半導体中の欠陥に起因するエネルギーギャッ
プ内準位を媒介としたトンネル電流が発生する。ゲート
電圧が負で大きくなるほど、またドレイン電圧が大きく
なるほど、ＰＮ接合部に電界集中が起こり、リーク電流
が増大する。 【００１０】このようなリーク電流に対処する従来技術
として、薄膜トランジスタを複数個直列に接続し、その
両端の電極をソース電極およびドレイン電極とし、各ゲ
ート電極には同じ電圧を加えるように共通にした構造を
持つ液晶駆動素子を用いる特公平５−４４１９５、５−
４４１９６記載の方法が提案されている。図４に薄膜ト
ランジスタの個数が２個の場合の回路構成を示す。本方
法を用いた場合のＮチャネル薄膜トランジスタ特性を図
５に示す。図５の横軸はゲート電圧であり、縦軸は複数
個直列接続した両端の電極間を流れる電流つまりソー
ス、ドレイン間電流である。各トランジスタのチャネル
長Ｌはすべて１５μｍ、チャネル幅Ｗもすべて１５μｍ
である。ソース、ドレイン間の電圧は１０Ｖである。特
性曲線８が薄膜トランジスタの個数が１個の場合、特性
曲線９が２個直列の場合、特性曲線１０が３個直列の場
合である。直列接続する薄膜トランジスタの個数を増や
していくと、リーク電流は減少していくが、ゲート電圧
を負にバイアスした場合の急激な増加は改善されていな
い。 【００１１】 【課題を解決するための手段】本発明はこのようなリー
ク電流による画素信号保持能力を改善する特性を有する
薄膜トランジスタを提供するものである。これを実現す
るための本発明の構成を図６に示す。トランジスタ５に
対してトランジスタ１１を直列に接続し、トランジスタ
５のもう一方の電極をコンデンサ６と液晶駆動用電極７
−１に接続し、トランジスタ５のもう一方の電極をデー
タ信号ライン３に接続し、トランジスタ５および１１の
ゲート電極をタイミング信号ライン４に接続し、トラン
ジスタ５とトランジスタ１１の接続部１３をコンデンサ
１２に接続する。 【００１２】即ち、基板上にマトリクス状に配列された
複数の画素電極を有し、該画素電極には、薄膜トランジ
スタが接続されてなり、一画素内にはＮ（Ｎ≧３）個の
薄膜トランジスタが形成され、該Ｎ個の薄膜トランジス
タは直列接続され、該直列接続された薄膜トランジスタ
の一端は映像信号線に電気的に接続され、もう一端は画
素電極に電気的に接続され、前記直列接続された薄膜ト
ランジスタの各接続部には容量性負荷に接続される表示
装置を提供するものである。 【００１３】 【作用】図６を用いて本発明の動作を説明する。タイミ
ング信号ライン４から信号が入力され、トランジスタ５
と１１がＯＮ状態になるとともに、データ信号ライン３
から液晶容量７および信号保持用コンデンサ６に保持さ
れる画像信号が入力される。トランジスタ５と１１がＯ
Ｎ状態の間に液晶容量７に充電される電圧が画像信号電
圧とほぼ等しいものになっている。そのような電圧状態
になるまでトランジスタ５と１１をＯＮ状態にしてお
き、充電が完了した時点でトランジスタ５と１１をＯＦ
Ｆ状態にする。この後、トランジスタ１１のソース、ド
レイン間にはコンデンサ１２に充電された画像信号とデ
ータ信号ライン３の電圧差に相当が印加されている。デ
ータ信号ライン３の電圧は時間変動しており、トランジ
スタ１１のソース、ドレイン間には大きい電圧が加わる
可能性がある。その場合、トランジスタ１１のリーク電
流のため、コンデンサ１２の充電電圧は減少していく。
一方、トランジスタ５のソース、ドレイン間にはコンデ
ンサ１１とコンデンサ６の充電電圧の差の電圧が加えら
れている。トランジスタ１１と５がＯＦＦ状態になった
直後、コンデンサ１２とコンデンサ６の充電電圧が等し
いためトランジスタ５のソース、ドレイン間には電圧は
加わっていない。 【００１４】したがって、トランジスタ５のドレイン側
ＰＮ接合部には電界集中が発生しないため、図３の特性
曲線からわかるように、トランジスタ５を流れるリーク
電流は極めて小さく、コンデンサ６、液晶容量７の電圧
もほとんど減少しない。時間が経過すると、トランジス
タ１１のリーク電流のためにコンデンサ１２の充電電圧
が減少するため、トランジスタ５のソース、ドレイン間
に電圧が発生しリーク電流が流れ始める。しかしなが
ら、トランジスタ１１のようにソース、ドレイン間に大
きな電圧がかかっていないので、このリーク電流は小さ
く、コンデンサ６と液晶容量７の電圧低下も小さくでき
る。 【００１５】本発明はコンデンサ１２を設けることによ
って充電終了直後のトランジスタ５のドレイン側ＰＮ接
合部に発生する電界集中を０にすることにより、リーク
電流の低減、画像信号低下の防止を実現しており、特公
平５−４４１９５，５−４４１９６記載の方法とは異な
るトランジスタの動作状態を利用している。以下、実施
例を用いて本発明の内容を詳しく説明する。 【００１６】 【実施例】図９は本発明の効果を示すために使用した実
施例の回路図である。トランジスタ１８と１９は多結晶
シリコン薄膜をチャネル活性層に使用した薄膜トランジ
スタであり、チャネル長は１０ミクロン、チャネル幅は
５０ミクロンである。トランジスタのしきい値電圧は３
Ｖであった。コンデンサ１５はトランジスタ１８の出力
２２を調べるために用いた測定機の容量負荷を現してお
り、約１８ｐＦである。図７，８には、本発明と比較す
るために従来例の回路図を示す。図７は薄膜トランジス
タを１個だけ用いた場合の従来例の回路図である。図８
は特公平５−４４１９５、５−４４１９６記載の方法を
用いた従来例の回路図である。トランジスタ１４は図９
のトランジスタ１８，１９と同様に多結晶シリコン薄膜
をチャネル活性層に使用した薄膜トランジスタであり、
チャネル長は１０ミクロン、チャネル幅は５０ミクロン
である。 【００１７】図１０に、本実施例で用いた電圧信号のタ
イミングチャートを示す。トランジスタ１４，１８，１
９のゲート電極に加えられるゲート電圧信号はタイミン
グ信号ライン１７を通して印加され、パルス幅は２００
ミリ秒であり、−１５Ｖから１８Ｖの振幅を持ってい
る。トランジスタを通して入力される画像信号はデータ
信号ライン１６を通して印加され、パルス幅は２００ミ
リ秒であるが、ゲート電圧信号よりも２０ミリ秒遅れた
タイミングで入力される。０Ｖから１２Ｖの振幅を持っ
ている。接続部２２，２３，２４の電圧の時間変化を測
定するために、負荷容量が１２ｐＦの測定用プローブを
接続部２２，２３，２４に接続した。 【００１８】図７の回路構成に対する従来例の結果を図
１１の曲線２５に示している。ゲート電極に１８Ｖの電
圧が加えられトランジスタ１４がＯＮ状態になった後、
２０ミリ秒遅れて１２Ｖの画像信号が加えられる。接続
部２３の電圧はそれに伴い増加し、１２Ｖになる。２０
０ミリ秒後にゲート電圧が−１５Ｖになりトランジスタ
１４がＯＦＦ状態になった後、２０ミリ秒遅れて画像信
号が０Ｖになる。この時、トランジスタ１４のソース、
ドレイン間には１８Ｖの電圧差があり、ゲート電極には
−１５Ｖが加わっている。トランジスタ１４は逆バイア
ス状態になっており、そのリーク電流は図５の特性曲線
８に示されているのと同様に増加するため、接続部２３
の電圧は減少していく。画像信号が１２Ｖから０Ｖへ変
化した後、点２３の電圧が５０％の６Ｖになる時間は約
０．１８ミリ秒であった。 【００１９】次に図１１のの回路構成に対する従来例の
結果を図１１の曲線２６に示す。ゲート電極に１８Ｖの
電圧が加えられトランジスタ１８と１９がＯＮ状態にな
った後、２０ミリ秒遅れて１２Ｖの画像信号が加えられ
る。接続部２３の電圧はそれに伴い増加し、１２Ｖにな
る。２００ミリ秒後にゲート電圧が−１５Ｖになりトラ
ンジスタ１８と１９がＯＦＦ状態になった後、２０ミリ
秒遅れて画像信号が０Ｖになる。この時、トランジスタ
１８と１９が直列につながれた両端の電極間には１８Ｖ
の電圧差があり、ゲート電極には−１５Ｖが加わってい
る。トランジスタ１８と１９は逆バイアス状態になって
おり、そのリーク電極は図５の特性曲線９に示されてい
る。このときトランジスタ１個あたりのソース、ドレイ
ン間電圧は半分の約６Ｖとなり、トランジスタのＰＮ接
合部に発生する電界強度が１／２に減少するためトラン
ジスタのリーク電流も低下する。画像信号が１２Ｖから
０Ｖへ変化した後、０．１８ミリ秒経過したときの点２
４の電圧は約１０．６Ｖであった。トランジスタ１個の
図７の場合に比べて改善はされているものの、本来の画
像信号の約１０％が失われてしまった。 【００２０】次に本発明の結果を図９、図１０を用いて
説明する。図９に示すようにトランジスタ１８と１９の
接続部２１にコンデンサ２０を接続しておく。コンデン
サ２０の容量は１２ｐＦであった。コンデンサ２０容量
はコンデンサ１５とほぼ同等もしくはそれ以上であるこ
とが望ましい。ゲート電極には上記従来例と同様にパル
ス幅は２００ミリ秒であり、−１５Ｖから１８Ｖの振幅
を持っている。画像信号はパルス幅は２００ミリ秒であ
るが、ゲート電圧信号よりも２０ミリ秒遅れたタイミン
グで入力される。配線１７にゲート電圧１８Ｖが加えら
れると、トランジスタ１８，１９のゲート電極に電圧が
加わり、トランジスタがＯＮ状態となり、２０ミリ秒遅
れて画像信号が配線１６からコンデンサ２０と１５に充
電される。パルス幅２００ミリ秒のゲート電圧が−１５
Ｖへ変化し、トランジスタ１８と１９がＯＦＦ状態にな
った後、２０ミリ秒遅れて、画像信号も０Ｖへと変化す
る。この時、トランジスタのＯＦＦ状態はトランジスタ
１８と１９で異なっている。まずトランジスタ１８のソ
ース、ドレイン間電圧はコンデンサ１５と２０の電圧が
ほぼ等しいことから０Ｖである。そのためトランジスタ
１８のドレイン側ＰＮ接合部には電界集中がないためリ
ーク電流は極めて低い。 【００２１】一方、トランジスタ１９のバイアス状態
は、ソース、ドレイン間には１８Ｖの電圧が加わってお
り、ゲート電圧は−１８Ｖの逆バイアス状態である。逆
バイアス状態のトランジスタ１９には大きなリーク電流
が流れており、コンデンサ２０の充電電圧は減少してい
く。コンデンサ２０の電圧降下に伴って、トランジスタ
１８のソース、ドレイン間に電圧が発生するため、トラ
ンジスタ１８のリーク電流もわずかながら増加する。し
かしながら、トランジスタ１８のソース、ドレイン間電
圧は、まだ全電圧１２Ｖの２分の１、つまり６Ｖよりは
小さく、従来例図８の場合に比べてドレイン側ＰＮ接合
部に発生している電界集中も弱いため、トランジスタを
流れるリーク電流は前記実施例に比べて小さい。接続部
２２の電圧の時間変化を測定した結果を図１１の曲線２
７に示す。画像信号が０Ｖに変化してから０．１８ミリ
秒経過後の接続部２２の電圧は約１１．７Ｖであった。
従来技術に比べて電圧降下がさらに抑えられることがわ
かった。 【００２２】本実施例では電圧の時間変化を計測するた
めの計測機の容量性負荷が約１２ｐＦであるため、コン
デンサ１５の容量は１２ｐＦになっているが、通常のア
クティブマトリクス表示装置の場合、コンデンサ１５に
相当する容量は１ｐＦ以下となる。その場合には、コン
デンサ２０容量がコンデンサ１５に相当するか、もしく
はそれ以上の大きさであることが望ましい。そして、そ
の場合にも本発明の効果は損なわれることはない。 【００２３】本実施例では薄膜トランジスタを２個直列
に接続しているが、さらに個数を増やし、各接続部にコ
ンデンサ２０と同様にコンデンサを接続していくこと
で、接続部２２の電圧降下をさらに抑えることが可能と
なる。 【００２４】 【発明の効果】以上述べたように、本発明は前述のよう
に構成をとることにより、リーク電流による充電信号の
電圧降下を減少させることを可能とする優れた効果を有
する薄膜トランジスタ装置を提供するものである。本発
明を利用することで、逆バイアス状態で大きいリーク電
流を有する薄膜トランジスタをアクティブマトリクス表
示装置に使用し高品質の画像を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】 【図１】薄膜トランジスタをアクティブマトリクス表示
装置に応用した場合の構成図である。 【図２】従来の表示装置における薄膜トランジスタ周辺
の構成図である。 【図３】Ｎチャネル薄膜トランジスタのゲート電圧を負
にした逆バイアス状態における、ソース、ドレイン間の
リーク電流とドレイン電圧の関係を示す図である。 【図４】トランジスタを２個直列に接続した場合の構成
図である。 【図５】トランジスタを複数個（１〜３個）直列に接続
した場合のトランジスタ特性図である。 【図６】本発明の実施例を示す構成図である。 【図７】従来例を示す構成図である。 【図８】従来例を示す構成図である。 【図９】本発明の実施例を説明するための図である。 【図１０】本願実施例で用いた電圧信号のタイミングチ
ャートである。 【図１１】従来例及び本願実施例における時間による接
続部の電圧の変化を示す図である。 【符号の説明】 １ 表示領域 ２ 液晶駆動素子 ３，１６ データ信号ライン ４，１７ タイミング信号ライン ５ 薄膜トランジスタ ６ コンデンサ ７−１ 液晶駆動電極 ７−２ 上側ガラスパネル ８，９，１０ 薄膜トランジスタの特性曲線 １１，１４，１８，１９ 薄膜トランジスタ １２，１５，２０ コンデンサ １３，２２，２３，２４ 接続部

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 基板上にマトリクス状に配列された複数
   の画素電極を有し、該画素電極には、薄膜トランジスタ
   が接続されてなり、 一画素内にはＮ（Ｎ≧３）個の薄膜トランジスタが形成
   され、 該Ｎ個の薄膜トランジスタは直列接続され、該直列接続
   された薄膜トランジスタの一端は映像信号線に電気的に
   接続され、もう一端は画素電極に電気的に接続され、 前記直列接続された薄膜トランジスタの各接続部には容
   量性負荷が接続されることを特徴とする表示装置。