JP4690341B2 - 論理ゲートと部分整流段とを有する電子回路 - Google Patents

Description

本発明は論理回路に関し、特に論理回路に電力供給する方法に関する。

トランジスタ、ダイオード等などを含む薄膜回路デバイスは、集積回路、平面パネルディスプレイ、スマートカード、および無線識別（ＲＦＩＤ）タグなどの多様な現代の電子デバイス内の論理回路を形成するために幅広く用いられている。薄膜回路デバイスは様々な導体、半導体および絶縁層を蒸着し、マスキングし、さらにエッチングして薄膜スタックを形成することにより形成される。

典型的には薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）はアモルファスシリコンまたはセレン化カドミウムなどの無機半導体材料を基材にしている。近年では重要な研究および開発努力が有機半導体材料を利用して薄膜トランジスタ回路を形成するために向けられてきた。

有機半導体材料は低処理温度などのトランジスタ製造に対する多数の製造上の利点を提供する。具体的には有機半導体材料は、薄肉ガラス、高分子または紙ベースの基板などの可撓性基板上の有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ）の製造を可能にする。

加えて印刷、エンボス加工またはシャドーマスキングなどの低コスト製造技術を用いて有機半導体材料を形成することができる。ＯＴＦＴの性能特性は継続的研究および開発により向上したが、デバイス性能および安定性は引き続き課題を提示している。

一般に本発明は部分整流交流（ａｃ）波形により電力供給される論理回路を対象とする。この波形はクリーンな一次ｄｃ電源波形を提供しないという意味で部分的に整流されている。代わりに論理回路に実質的ａｃ成分を含む波形で電力供給することができる。事実ｄｃ成分はそのままでは回路に電力供給するには十分ではない。本発明はアモルファスまたは多結晶有機半導体、無機半導体または両方の組み合わせに基づいた薄膜トランジスタを組み込んだ論理回路に適用し得る。

安定性が向上するとＯＴＦＴ回路を用いてインバータ、発振器、論理ゲート、レジスタおよび他のトランジスタベースの論理回路などの様々な薄膜トランジスタベースの論理回路デバイスを形成することが可能になり得る。このような論理回路デバイスは集積回路、平面パネルディスプレイ、スマートカードおよびＲＦＩＤタグなどの様々な用途に有用性がある。用途によっては論理回路に部分整流ａｃ波形で電力供給することで全波ａｃ−ｄｃ整流段を不要とし得る。

フィルタリングコンデンサを必要とすることなく部分整流段をダイオード、トランジスタ等によって実現し得る。このようにして本発明は部分整流ａｃ電源波形により電力供給される論理回路を収容する構成部品の製造時間、費用、コスト、複雑さおよびサイズを削減し得る。部分整流によりａｃおよびｄｃ成分の両方とも存在する。ａｃ部分がかなり大きくｄｃ部分は小さい。ｄｃ部分はこの場合それ自体で論理回路に電力供給するには不十分である。典型的には論理回路は論理回路を構成するトランジスタの閾値電圧を超える電圧を必要とする。ｄｃにより電力供給される回路においてｄｃ電圧が閾値電圧未満である場合には回路は動作しない。ａｃ電力供給によれば、ａｃ成分が十分に大きい場合には閾値未満のｄｃ成分を有することが可能であるとともになお回路に電力供給可能である。

部分整流ａｃ電源波形は論理ゲート回路に直接電力供給する。具体的にはｄｃ電力を論理ゲートに印加する代わりに、ａｃ電源と部分整流段とが部分整流ａｃ電源波形を１つまたは複数の個々の論理ゲートに印加する。

部分整流段は不十分な容量性フィルタリングを有する半波または全波整流器を含んで、部分整流ａｃ電源波形として一次ｄｃ電源信号を生成し得る。このようにして全波または半波整流段に通常設けられる大きなフィルタリングコンデンサを排除またはサイズを削減することができるため、回路全体のサイズを削減することができる。

部分整流ａｃ電源波形により電力供給される論理回路を様々な電子デバイスにおいて用い得る。一例としてこのような論理回路は、ａｃ波形が近接場電磁無線結合により誘導される無線ＩＣ（ＲＦＩＤ）タグを対象とする用途において特に有用であり得る。ａｃ波形を部分整流してＲＦＩＤタグにより収容される電子論理回路のいくつかまたはすべてに電力供給することができる。

一実施例において本発明は、論理ゲートを形成するように配置された第１のトランジスタと第２のトランジスタと、ａｃ電源波形を生成する交流（ａｃ）電源と、ａｃ電源波形から部分整流ａｃ電源波形を生成するとともに部分整流ａｃ電源波形を用いて論理ゲートに直接電力供給する部分整流段とを備える電子回路を提供する。論理ゲートは伝播遅延により特徴付けられ得る。ａｃ波形は伝播遅延未満の期間を有し、伝播遅延の五分の一未満であることが好ましい。

他の実施例において本発明は、少なくとも第１のトランジスタと第２のトランジスタとにより形成された論理ゲートに、交流（ａｃ）電源から生成された部分整流交流（ａｃ）電源波形で直接電力供給するステップを含む方法を提供する。

さらなる実施例において本発明は、少なくとも第１のトランジスタと第２のトランジスタとにより形成された論理ゲートと、ａｃ電源波形を提供する無線周波（ＲＦ）エネルギー結合デバイスと、ａｃ電源波形から部分整流ａｃ電源波形を生成するとともに部分整流ａｃ電源波形を用いて論理ゲートに直接電力供給する部分整流段とを含む無線識別（ＲＦＩＤ）タグを提供する。

さらなる実施例において本発明は、論理ゲートを形成するように配置された第１および第２のトランジスタと、ＲＦエネルギーを交流（ａｃ）電源波形に変換する無線周波数（ＲＦ）変換器と、ａｃ電源波形から部分整流ａｃ電源波形を生成するとともに部分整流ａｃ電源波形を用いて論理ゲートに直接電力供給する部分整流段と、情報を伝達する変調器とを含むＲＦＩＤタグと、ＲＦ変換器による変換のためにＲＦエネルギーをＲＦＩＤタグに送信するとともに、変調器により伝達された情報を読み取るＲＦＩＤリーダとを備える無線識別（ＲＦＩＤ）システムを提供する。

本発明は多数の利点を提供することができる。例えば部分整流ａｃ電源波形を用いて論理回路に直接電力供給することで、回路にｄｃ電力を送出するために多くの用途で通常必要とされる全波整流器または半波整流器構成部品のフィルタリングコンデンサを不要とし得る。従って部分整流ａｃ電力の使用は薄膜トランジスタ回路を収容する構成部品の製造時間、費用、コスト、複雑さおよびサイズを削減し得る。

ＲＦＩＤタグの場合、具体的な例としてａｃ電力供給される薄膜回路の使用は、典型的にはダイオードまたはトランジスタブリッジおよび大きなフィルタリングコンデンサを含むａｃ−ｄｃ整流器段に関連する構成部品の多くをなくすかまたはサイズを削減することにより、タグのコストおよびサイズを大幅に削減し得る。整流器段の複雑さを低減することにより、部分整流ａｃ波形により電力供給される薄膜論理回路は、ＲＦＩＤタグの設計および製造において大幅なコスト節減およびサイズ削減をもたらすことが可能である。

これらおよび他の実施例の更なる詳細は添付の図面と以下の説明とに記載されている。他の特徴と目的と利点とは説明と図面とからならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

図１は部分整流ａｃ波形により電力供給される回路１０を示す回路図である。図１に示すようにａｃ電源１２はａｃ電源波形を部分整流段１４に送出する。部分整流段１４はａｃ電源波形を部分整流してデジタル論理回路１６に電力供給する。信号源１８は論理信号でデジタル論理回路１６を駆動する。デジタル論理回路１６は出力２０において出力論理信号を生成する。コンデンサ２２は出力２０とグランドとを結合し得る。

部分整流段１４によってデジタル論理回路１６に印加される波形は、従来デジタル論理回路に電力供給するために用いられるようなクリーンな一次ｄｃ電源信号を提供しないという意味で部分整流されている。代わりに本発明によればデジタル論理回路１６に実質的なａｃ成分を含む波形で電力供給することができる。

部分整流波形を例えば、アモルファスまたは多結晶有機半導体、無機半導体もしくはそれら２つの組み合わせによる薄膜トランジスタを内蔵するデジタル論理回路１６に印加し得る。部分整流ａｃ電源波形を利用してデジタル論理回路１６に電力供給することで多様な用途に対して満足なデバイス性能を提供することができる。例えばＯＴＦＴ回路が部分整流ａｃ電源波形により電力供給される場合、ＯＴＦＴ回路はｄｃ電源信号がなくても満足な性能特性を発揮し得る。

クリーンなｄｃ電源信号のない満足な性能により、全波整流回路を必要とせずにＴＦＴ回路を利用して、インバータ、発振器、論理ゲート、レジスタまたは任意の他のトランジスタベース論理回路などの様々な薄膜トランジスタベース論理回路デバイスの形成が可能になり得る。このような論理回路デバイスは集積回路、平面パネルディスプレイ、スマートカードおよびＲＦＩＤタグなどの様々な用途に有用性がある。

図２は半波ダイオードベース部分整流段１４Ａにより生成された部分整流ａｃ波形により電力供給されるインバータ回路１６Ａを示す回路図である。図２に示すように、ダイオード２６はａｃ電源１２により生成されたａｃ波形の立ち下がり半周期のみを通す働きをすることにより、部分整流段１４Ａとして機能する。この例ではインバータ回路１６Ａは負荷トランジスタ２８と駆動トランジスタ３０とを含む。各トランジスタ２８、３０は薄膜電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であってもよく、アモルファスまたは多結晶無機半導体または有機半導体材料もしくはそれら２つの組み合わせによってもよい。コンデンサ２２は出力２０とグランドとを結合し得る。

ＯＴＦＴを形成するための有用な有機半導体材料にはアセン類およびその置換誘導体がある。アセン類の具体例にはアントラセン、ナフタレン、テトラセン、ペンタセン、および置換ペンタセン類（好適にはペンタセンまたはフッ化ペンタセン類などの置換ペンタセン類）がある。他の例には半導体ポリマ類、ペリレン類、フラーレン類、フタロシアニン類、オリゴチオフェン類、ポリチオフェン類、ポリフェニルビニレン類、ポリアセチレン類、金属フタロシアニン類および置換誘導体がある。有用なビス（２−アセニル）アセチレン半導体材料が、２００３年７月１５日に出願された同時係属米国特許出願第１０／６２００２７号明細書に記載されている。有用なアセン−チオフェン半導体材料が同時係属米国特許出願第１０／６４１７３０号明細書に記載されている。薄膜トランジスタを形成するのに有用な無機半導体材料にはアモルファスシリコン、ポリシリコン、テルリウム、酸化亜鉛、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、硫化カドミウム、およびセレン化カドミウムがある。

代替例としてデジタル論理回路１６Ａを有機および無機半導体材料の組み合わせにより形成して、例えば相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）インバータ回路を形成し得る。例えばある用途においてインバータ回路１６Ａをｎ型金属酸化膜半導体（ＮＭＯＳ）無機電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）およびｐ型金属酸化膜半導体（ＰＭＯＳ）有機電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）により形成し得る。ＯＴＦＴを用いる場合、トランジスタ２８、３０を特に低コスト製造技術を用いた製造に特に適合可能にし得るとともに、用途によっては可撓性基板上に形成し得る。

ａｃ電源１２はａｃ電源波形をダイオード２６に直接印加し、ダイオード２６はａｃ波形の一連の交互半周期の形状で部分整流波形をインバータ回路１６Ａに印加する。ある実施例では、フィルタリングコンデンサをダイオード２６のカソードとグランドとの間に設け得る。しかしフィルタリングコンデンサは完全整流された、実質的にｄｃ波形を生成するには容量が不十分である場合がある。逆にダイオード２６はインバータ１６Ａに直接印加される部分整流ａｃ波形のみを生成する。

このようにインバータ１６Ａはｄｃ電源波形の代わりに部分整流ａｃ電源波形のみを受け取る。換言すればインバータ１６Ａは部分整流ａｃ電源波形に応じて動作する。従って反転回路は、インバータが動作電力としてｄｃ電源信号ではなく部分整流ａｃ電源波形のみを受け取るのであれば、ａｃ電源１２とダイオード２６とインバータ１６Ａとの間に存在し得る。図２の例において、部分整流ａｃ電源波形は負荷トランジスタ２８の共通ゲートとドレインの接続ならびに駆動トランジスタ３０のソースに結合されたグランド接続の間に直接印加される。

図３は半波トランジスタベース部分整流段１４Ｂにより生成された部分整流ａｃ波形により電力供給されるインバータ回路１６Ａを示す回路図である。図３に示すように、部分整流段１４Ｂはトランジスタ３４を含む。トランジスタ３４のゲートとドレインとはａｃ電源１２の正端子に共通結合されている。トランジスタ３４のソースは部分整流段１４Ｂ用の出力ノードを形成するように結合されている。部分整流段１４Ｂの出力ノードはインバータ回路１６Ａの負荷トランジスタ２８のゲートおよびドレインの両方に結合されている。それ故図３の回路は図２の回路に実質的に相当するが、トランジスタベースの部分整流段１４Ｂを含む。トランジスタ３４は薄膜電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、アモルファスまたは多結晶無機または有機半導体材料、もしくはそれらの組み合わせをベースにし得る。

また薄膜トランジスタベース論理回路、例えば図２および図３のインバータ１６Ａに電力供給する部分整流電源波形を使用することで、様々な用途に対する満足な性能をサポートする一方で回路の長期安定性を向上することができる。例えばインバータ１６Ａが部分整流ａｃ波形により電力供給される場合、インバータはｄｃ電力供給されたインバータに比べて満足な性能特性を示し得る。また部分整流ａｃ波形によるインバータ１６Ａの動作はａｃ−ｄｃ全波整流段を不要にする。

図３に示すように、負荷トランジスタ２８のゲートおよびドレインは、部分整流段１４Ｂにより生成された部分整流ａｃ波形を受け取るように結合されている。具体的には負荷トランジスタ２８のゲートおよびドレインは両方ともトランジスタ３４のソースに結合されている。駆動トランジスタ３０のドレインは負荷トランジスタ２８のソースに結合されているとともに、駆動トランジスタのソースはグランドに結合されている。信号源１８は論理信号を生成して駆動トランジスタ３０のゲートを駆動する。

これに応じてインバータ１６Ａは反転出力２０を生成し、これが負荷コンデンサ２２の両端の出力となり得る。負荷コンデンサ２２は反転出力２０に存在するａｃ電圧の一部をフィルタリングするように機能し得るとともに、よりクリーンな出力論理信号を提供する。フィルタリング量は負荷コンデンサ２２の容量とａｃ電力の周波数とに依存する。負荷コンデンサ２２は、インバータ１６Ａが１つまたは複数のさらなる論理ゲートを駆動するように結合された場合、出力２０に結合された論理ゲート内でのゲート／ソース・オーバーラップにより生成される入力容量により形成され得る。

ゲート／ソース・オーバーラップを後段の論理ゲート内の駆動トランジスタの製造中に制御することにより負荷コンデンサ２２の所望レベルの容量を生成し得る。代りに、特に出力２０が他の論理ゲートを駆動しない場合には負荷コンデンサ２２を独立して形成し得る。

いくつかの実施例において負荷トランジスタ２８は、駆動トランジスタ３０のゲート幅対ゲート長比以上のゲート幅対ゲート長比を有し得る。この場合、回路の直流（ｄｃ）電力供給は、ゲイン低下のためＮＭＯＳまたはＰＭＯＳ設計に対して論理ゲートの動作の低下を生じることもある。この設計によるＮＭＯＳおよびＰＭＯＳのリング発振器は例えば不安定であることもある。駆動トランジスタ３０のゲート幅対ゲート長比以上の負荷トランジスタ２８のゲート幅対ゲート長比を有するさらなる利点は総回路面積が減少することである。

反転出力２０は負荷コンデンサ２２によりフィルタリングされ得るが、とくにインバータ１６Ａに印加される入力電源波形は通常フィルタリングされない。具体的には部分整流段１４Ｂによって生成された部分整流ａｃ波形は、インバータ１６Ａに対する一次ｄｃ信号を生成するのに十分な程度にまではフィルタリングされない。逆に部分整流段１４Ｂにより生成された部分整流波形は実質的なａｃ成分を含む。

いくつかの実施例において比較的小さいフィルタリングコンデンサをトランジスタ３４のソースとグランドとの間に結合し得るが、ａｃ電源１２により生成されたａｃ電源波形の非整流部分のため、その容量は部分整流波形のばらつきを完全にフィルタリングするには通常不十分である。特に部分整流波形のａｃ電源１２により生成された負の非整流半周期と一致する部分は、なお部分整流波形の大きなばらつきをもたらすことになる。このように、回路または電子デバイスの全体サイズを削減することができるように、全波または半波整流段で通常提供される大きなフィルタリングコンデンサをなくすかまたは大きさを低減することができる。

図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃはａｃ電源波形および典型的な部分整流ａｃ電源波形を概念的に示すグラフである。図４Ａはａｃ電源１２により生成されるａｃ電源波形２１を示す。図４Ａに示すようにａｃ電源波形は実質的に正弦波であるとともに正の半周期２３、２５および負の半周期２７を含む。本発明によれば部分整流段１４はａｃ電源波形２１を部分的に整流して、例えば図４Ｂ又は４Ｃに示すような部分整流ａｃ波形を生成する。

図４Ｂの例では部分整流段１４は、基本的に一次ｄｃ信号を生成するのに十分な容量性フィルタリングなしで半波整流により部分整流ａｃ電源波形２９Ａを生成する。代わりに、部分整流ａｃ電源波形２９Ａは正の半周期３１と正の半周期３３とを含むが、いかなる負の半周期もなくすとともに基準電圧レベルまで降下する。従って図４Ｂの例によれば部分整流段１４は実質的に容量性フィルタリングを含まない。この結果部分整流波形２９Ａは基本的に、半周期３１、３３においてａｃ電源波形２１の正の半周期２３、２５の波形特性を保持する。線１３０は平均ｄｃ電圧を表わし、回路に電力供給するには不十分である。

図４Ｃの例において部分整流段１４は、正の半周期３５、３７を有する部分整流ａｃ電源波形２９Ｂを生成する。加えて部分整流段１４は各半周期３５、３７に続く指数関数的テールオフ（ｔａｉｌ ｏｆｆ）３９、４１を生成する限定量の容量性フィルタリングを含み得る。半周期３５および３７のピークは回路に電力供給する十分な電圧を表わす。容量性フィルタリングはいくつかの実施例において部分整流段１４の出力とグランドとの間に配置されたコンデンサにより提供され得る。図４Ｃに示すように容量は一次ｄｃ電源信号を生成するには不十分である。逆に部分整流波形２９Ｂはａｃ電源１２により生成された元のａｃ電源波形２１（図４Ａ）の実質的なａｃ成分を保存し得る。線１３１は平均ｄｃ電圧を表わし、回路に電力供給するには不十分である。

用途によっては論理回路１６に部分整流ａｃ波形で電力供給することで、回路に電力供給するのに十分なｄｃ成分を生成する全波または半波ａｃ−ｄｃ整流段を不要にする。代わりに電源は比較的単純な部分整流段１４を含み得る。図２および３に示すように部分整流段１４は大きなフィルタリングコンデンサを必要とすることなくダイオード、トランジスタ等によって実現され得る。このように本発明は部分整流ａｃ電源波形により電力供給される論理回路を収容する構成部品の製造時間、費用、コスト、複雑さおよびサイズを削減し得る。

部分整流ａｃ電源波形により電力供給される論理回路を多様な電子デバイスで用い得る。一例としてこのような論理回路は、無線結合によりａｃ波形が誘導される無線識別（ＲＦＩＤ）タグを対象とする用途で特に有用であり得る。ａｃ波形を部分整流してＲＦＩＤタグにより収容される電子論理回路のいくつかまたはすべてに電力供給することができる。半波整流器と共に用いられることが多いかなり大きいコンデンサを含む全波または半波整流器により通常必要とされる回路を不要にすることにより、ＲＦＩＤタグのサイズを大幅に削減し得る。同様の小型化を他のタイプの電子デバイスで達成し得る。

図５は半波ダイオードベース部分整流段１４Ａにより生成された部分整流ａｃ波形によって電力供給される薄膜トランジスタベースＮＡＮＤゲート回路３８を示す回路図である。図５に示すようにＮＡＮＤゲート４０は負荷トランジスタ２８と駆動トランジスタ３０Ａ、３０Ｂとを含む。負荷トランジスタ２８のゲートとドレインとは、ダイオード２６を含む部分整流段１４Ａの出力に結合されている。

第１の駆動トランジスタ３０Ａのドレインは負荷トランジスタ２８のソースに結合されている。第２の駆動トランジスタ３０Ｂのドレインは第１の駆動トランジスタ３０Ａのソースに結合されている。第２の駆動トランジスタ３０Ｂのソースはグランドに結合されている。第１および第２の信号源１８Ａ、１８Ｂはそれぞれ駆動トランジスタ３０Ａ、３０Ｂのゲートを駆動する。これに応じてトランジスタ２８、３０Ａ、３０Ｂは論理ＮＡＮＤ出力２０を生成するＮＡＮＤゲート４０を形成している。

図５のＮＡＮＤ回路４０はダイオード２６により生成された部分整流ａｃ電源波形に応じて動作する。具体的には部分整流ａｃ電源波形はＮＡＮＤゲート４０に直接結合されている。いくつかの実施例において負荷コンデンサを出力２０の両端に結合し得る。負荷コンデンサを独立して形成、またはＮＡＮＤゲート４０の出力２０により駆動される論理ゲートの入力容量により実現し得る。また結果的に得られる容量が一次ｄｃ電源信号を生成するには不十分であれば、フィルタリングコンデンサをダイオード２６のカソードとグランドとの間に配置し得る。

図６は半波トランジスタベース部分整流段１４Ｂにより生成された部分整流ａｃ波形によって電力供給されるＮＡＮＤゲート回路４２を示す回路図である。ＮＡＮＤゲート回路４２はＮＡＮＤゲート４０を含み、図５のＮＡＮＤ回路３８に実質的に相当するが、トランジスタ３４を有するトランジスタベース部分整流段１４Ｂを組み込んでいる。

トランジスタベース部分整流段１４Ｂは図３の部分整流段１４Ｂと同等であり得る。図５の例において負荷コンデンサを図６の回路４２の出力２０の両端に結合し得る。加えて、結果的に得られる容量が一次ｄｃ電源信号を生成するには不十分であれば、フィルタリングコンデンサを部分整流段１４Ｂの出力とグランドとの間に配置し得る。

図７は部分整流ａｃ波形によって電力供給される、ＮＯＲゲート４６を有する薄膜トランジスタベースＮＯＲゲート回路４４を示す回路図である。図７は部分整流段１４により生成された部分整流ａｃ波形で動作する薄膜トランジスタベース論理回路の他の例を表わす。図７に示すようにトランジスタ２８、５０Ａ、および５０ＢはＮＯＲゲート４６を形成している。第１および第２の駆動トランジスタ５０Ａ、５０Ｂのドレインは負荷トランジスタ２８のソースと出力２０とに結合されている。

第１および第２の駆動トランジスタ５０Ａ、５０Ｂのソースはグランドに結合されている。第１および第２の信号源４８Ａ、４８Ｂはそれぞれ駆動トランジスタ５０Ａ、５０Ｂのゲートを駆動する。これに応じてＮＯＲゲート４６は論理ＮＯＲ出力２０を生成する。ＮＯＲ回路４６は部分整流段１４により送出された部分整流ａｃ電源波形に応じて動作する。いくつかの実施例において負荷コンデンサを論理ＮＯＲ出力２０の両端に結合し得る。また、負荷コンデンサを独立して形成、またはＮＯＲ回路４４の出力２０により駆動される論理ゲートの入力容量により実現し得る。

図８および９はそれぞれａｃ電力供給される薄膜トランジスタベースリング発振回路５１、５３を示す回路図である。リング発振回路５１および５３は、例えば可撓性基板上に形成し得るＯＴＦＴによるインバータ段などの、部分整流ａｃ電源波形により電力供給される論理ゲートを用いて実施できる他の回路の例である。図８および９に示すように、リング発振回路５１および５３は直列に配置された奇数のインバータ段を含む。図８および９の例ではリング発振回路５１および５３はそれぞれ負荷トランジスタ５４Ａ〜５４Ｇと駆動トランジスタ５６Ａ〜５６Ｇとを有する７個のインバータ段５２Ａ〜５２Ｇを含む。

リング発振回路５１および５３の各トランジスタ５４および５６は、部分整流ａｃ波形により電力供給される薄膜電界効果トランジスタである。例えばａｃ電源１２はａｃ電力を部分整流段１４Ｂに送出する。図８および９の例では、ダイオードベース部分整流段または他の構成を用い得るが、部分整流段１４Ｂはトランジスタベース部分整流段である。部分整流段１４Ｂのトランジスタ３４のソースは第１のインバータ段５２Ａの負荷トランジスタ５４Ａの共通ゲート−ドレインノードを駆動するように結合されている。図８の例ではフィルタリングコンデンサ５５を場合によってはリング発振回路５１内に部分整流段１４Ｂの出力とグランドとの間に設け得る。図９ではフィルタリングコンデンサ５５はリング発振回路５３に設けられていない。

図８および９の例では各インバータ段５２Ａ〜Ｇは、場合によってはそれぞれの負荷コンデンサ５８Ａ〜５８Ｇの両端に結合される出力を有する。例えばインバータ段５２Ａの出力を負荷コンデンサ５８Ｂの両端に結合し得るとともに、インバータ段５２Ｇの出力を負荷コンデンサ５８Ａの両端に結合し得る。他の実施例において負荷コンデンサ５８を省略し得る。各コンデンサ５８はそれぞれのインバータ段の出力により駆動される後段のインバータ段５２の駆動トランジスタ５６内でゲート／ソース・オーバーラップにより生成される入力容量によって形成し得る。

最終インバータ段５２Ｇの出力６０は、第１のインバータ段５２Ａの駆動トランジスタ５６Ａのゲートに結合されることによりフィードバックを提供する。図８および９のリング発振回路５１、５３は、部分整流段１４Ｂにより送出された部分整流ａｃ電源波形に応じて動作する。動作中、リング発振回路５１はクロック信号を提供する。例えばリング発振回路５１、５３の各インバータ段５２の出力を利用して所望位相を有するクロック信号を提供することができる。

一般にリング発振回路５１、５３により生成される出力波形は、インバータ段５２の数と個々のインバータ段により生じる伝播遅延とに依存する周波数を有することになる。伝播遅延はリング発振回路５１、５３に印加される部分整流ａｃ波形の電圧と半導体材料の移動度とに反比例し、インバータ段５２に存在する任意の適用可能寄生または外部容量に正比例する。

リング発振回路５１、５３などの薄膜トランジスタ回路の動作は、高いａｃ電源周波数で可能であり得る。実質的に回路５１、５３と同じリング発振回路を機能させると、例えば数百ｋＨｚ〜６ＭＨｚ以上程度のａｃ電源周波数で動作し得る。半導体移動度が増加するにつれて、本明細書に説明するような部分整流ａｃ電源波形により電力供給されるリング発振回路の使用が１０ＭＨｚを超えるａｃ電源周波数で当然期待できる。

図１０はＲＦＩＤタグ／リーダシステム６６の部分整流ａｃ電源波形により電力供給される薄膜トランジスタベース回路の適用を示すブロック図である。ａｃ電力供給される薄膜トランジスタベース回路の使用は、以下に説明するように多数の理由のため、ＲＦＩＤタグで特に望ましい場合がある。図１０に示すようにＲＦＩＤタグシステム６６はリーダユニット６８とＲＦＩＤタグ７０とを含み得る。

リーダユニット６８は無線周波数（ＲＦ）源７４とリーダ７２とを含み得る。ＲＦ源７４はＲＦエネルギーをＲＦＩＤタグ７０に送信して電源を提供する。このようにＲＦＩＤタグ７０はバッテリなどの独立電源を収容する必要はない。代わりにＲＦＩＤタグ７０は、リーダユニット６８とＲＦＩＤタグとの間のワイヤレスエアインターフェースを介して電力供給される。この目的のためリーダユニット６８は、事実上アンテナとして機能してＲＦエネルギーを送信および受信するインダクタ７６を含む。

図１０にさらに示すようにＲＦＩＤタグ７０はａｃ電源７３を含み得る。以下に説明するようにａｃ電源７３は、リーダユニット６８により送信されたＲＦエネルギーをａｃ電力に変換してＲＦＩＤタグ７０により収容される薄膜トランジスタ回路に送出するように機能し得る。ＲＦＩＤタグ７０は受信器として機能するインダクタ７８を介してリーダユニット６８からのエネルギーを受信する。

インダクタ７８は、無線周波（ＲＦ）エネルギー結合デバイスとして機能して、リーダユニット６８により送信されたＲＦエネルギーから吸収したＲＦエネルギーに基づいてａｃ電源７３用のａｃ電源波形を提供する。必要に応じてコンデンサ（図示せず）をインダクタ７８と並列に設けてもよい。

部分整流段８０はインダクタ７８からａｃ波形を受け取り、部分整流ａｃ波形を生成してＲＦＩＤタグ７０内のデジタル論理回路に電力供給する。ＲＦＩＤタグ７０は変調インバータ８２と、出力バッファ回路８４と、制御論理回路８６と、クロック回路８８と、データ回路９０とをさらに含み、これらのうちの１つまたは複数を薄膜トランジスタ回路の配列により形成し得る。

クロック回路８８は制御論理回路８６を駆動して、識別コードを伝送する複数のデータ線を備え得るデータ回路９０からデータを出力する。出力バッファ回路８４は制御論理回路８６からの出力をバッファリングする。変調インバータ８２は次にインダクタ７６、７８を介してリーダユニット６８による解釈のためにバッファリングされた出力を変調する。例えば変調インバータ８２はインダクタ７８の両端に印加される信号を変調することにより情報を伝達する。

図１１は図１０のＲＦＩＤタグ／リーダシステム６６をさらに示す回路図である。図１１に示すようにＲＦ源７４は、インダクタ７６を介してａｃ出力信号を送信するａｃ発生器９２を含み得る。用途によってはａｃ発生器９２は、およそ１２５ｋＨｚの周波数でおよそ０〜５アンペアの出力を有する正弦波電流源という形を取り得る。

インダクタ７６および７８は、ＲＦ源とＲＦＩＤタグ７０との間のＲＦエネルギーの電磁結合用変圧器を形成する。抵抗９４を選択して電流を制限する。コンデンサ９６をａｃ電源７３内にインダクタ７８と並列に配置することにより、以下の式による電源の周波数を調整する並列共振タンクを形成し得る。

ここでＬはインダクタ７８のインダクタンスであり、Ｃはコンデンサ９６の容量である。

５０μＨのインダクタンスおよび３２ｎＦの容量で、インダクタ７８とコンデンサ９６とがおよそ１２５ｋＨｚの共振周波数を発生する。したがってこの例ではａｃ電源７３の出力はおよそ１２５ｋＨｚの周波数を有する正弦波形である。インダクタ７８により生成されたこの波形は部分整流段８０によって部分整流されて、ａｃ電源７３の出力として部分整流ａｃ電源波形を生成する。そして部分整流ａｃ電源波形を電力端子および共通端子によって図１１に示すようにクロック回路８８と、制御論理回路８６と、データ線９０と、出力バッファ８４と、変調インバータ８２とに印加する。

図１１はｎビット識別コードを収容するＲＦＩＤタグ７０を示している。図示を容易にするためにＲＦＩＤタグ７０は、データ線９０によって指定される７ビットの識別コードを収容している。多くの用途においてＲＦＩＤタグ７０はより大きな識別コード、例えば３１ビット、６３ビットまたは１２７ビットコードを収容し得る。いくつかの実施例では選択されたデータ線９０は開始ビット識別と、データストリーム同期とエラーチェックとに用いられる情報を伝送し得る。図１１の例ではクロック回路８８は、帰還ループに配列された一連の７個のインバータ段により形成されたリング発振器である。

図１１のリング発振器は図８および９のリング発振器５１または５３と同様であり得る。２個の連続インバータの出力は、制御論理回路８６内に設けられたそれぞれのＮＯＲゲートに印加される。このように７個のＮＯＲゲートを用いて、リング発振器により生成された各クロック周期内に一連の７個のパルスを発生する。なお制御論理回路８６内のＮＯＲゲートの数は変更し得る。またこの配列を原理的により大きなビット数、例えばｎ＝３１、６３または１２７に拡張することもできる。

データ線９０と直列に示されているスイッチは、一端でそれぞれのＮＯＲゲート出力に接続されている。スイッチが閉じている場合には、それぞれのデータ線はＮＯＲゲート出力をグランドに結合する。スイッチが開いている場合には、ＮＯＲゲート出力は制御論理回路８６内の７入力ＯＲゲートへの入力のうちの１つとして結合される。

図１１の例では第２および第４のデータ線（左から右に）のスイッチが閉じられる。その結果データ線９０は７ビット識別コード「１０１０１１１」を格納する。スイッチは例えばＮＯＲゲート出力からグランドに延びる金属線から作製することができる。グランドへの電気接続を製造中に意図的に切断または接続して事実上オープンスイッチを作製することにより、一意の識別コードをＲＦＩＤタグ７０のデータ線９０に符号化することができる。例えばレーザエッチング、機械的スクライビング、または電気溶断などの様々な製造技術によって電気接続を切断し得る。

制御論理回路８６内の７入力ＯＲゲートの出力を、出力バッファ８４の縦続接続されたバッファ増幅器に印加して、論理回路の出力インピーダンスを変調インバータ８２の入力インピーダンスに一致させることを助ける。出力バッファ８４内のバッファ増幅器の出力は変調インバータ８２の入力に印加される。具体的にはタグ出力信号が変調インバータ８２に関連する駆動トランジスタのゲートに印加される。その後変調インバータ８２はインダクタ７８とコンデンサ９６とにより形成されるタンクのＱを変調して、搬送波信号の振幅変調を提供する。このようにして、リーダ７２は識別コードを読み取ることができるように受け取ったバッファ出力をリーダユニット６８に伝える。具体的にはリーダ７２はインダクタ７６を介してＬ＿タップで受信した信号を処理する。

図１２は図１０のＲＦＩＤタグ／リーダシステム６８に関連するリーダ７２をさらに示す回路図である。リーダ７２はＬ＿タップを介して、クロック回路８８の周波数に応じて１ｋＨｚ程度であり得るタグ出力信号により変調された、例えば１２５ｋＨｚの搬送波信号を含む信号を受信する。低接合静電容量信号ダイオード１０２を用いて信号を復調する。ローパスフィルタ部９８は搬送波周波数を除去し、インダクタ１０４と、コンデンサ１０６と、抵抗１０８と、インダクタ１１０と、コンデンサ１１２と抵抗１１４とを含み得る。増幅段１００は、抵抗１１８および帰還抵抗１２０が反転入力に結合された非反転構成の増幅器１１６を含む。

図１３は部分整流ａｃ電源波形により電力供給されて液晶（ＬＣ）表示素子１２４を駆動する、薄膜トランジスタベースインバータ回路１２２を示す回路図である。図１３の例ではインバータ回路１２２は図２および３のインバータ回路１６Ａと実質的に同じである。しかしインバータ１６の出力は液晶表示素子１２４を駆動する。具体的には液晶表示素子１２４の一方の電極は負荷トランジスタ２８のソースと駆動トランジスタ３０のドレインとに結合されている。液晶表示素子１２４の他方の電極はグランドに結合されている。図１３に示すようにインバータ回路１６は部分整流段１４により電力供給され、そのため負荷トランジスタ２８の共通ゲート／ドレイン接続において、部分整流ａｃ電源波形を受け取る。ＬＣＤ全体を駆動するにはインバータ１６と同様のインバータをＬＣＤの素子毎に設け得る。

図１４は発光ダイオード（ＬＥＤ）１２８を駆動するａｃ電力供給される薄膜トランジスタベースインバータ回路１２６を示す回路図である。インバータ回路１６は図２および３のインバータ回路１６Ａと実質的に同じであるがＬＥＤ１２８を駆動する。ＬＥＤ１２８のカソードは負荷トランジスタ２８のソースと駆動トランジスタ３０のドレインとに結合されているとともに、ＬＥＤのアノードはグランドに結合されている。

本発明は多数の利点を提供することができる。例えば部分整流ａｃ波形により電力供給される論理回路および特にＯＴＦＴベース論理回路は、ｄｃ電力供給される薄膜トランジスタ回路と比べて満足な性能を示し得る。リング発振器の場合、例えば部分整流ａｃ波形により電力供給される薄膜トランジスタ回路は、ｄｃ電力供給される薄膜トランジスタ回路と比べて満足な発振振幅を維持し得る。

利点として論理回路に直接電力供給するための部分整流ａｃ電源波形の使用は、全波整流器構成部品またはフィルタリングコンデンサを有する半波整流器構成部品を不要とし得るが、使用しない場合はこれらの要素は回路へｄｃ電力を送出する多くの用途で必要とされる。従って従来の整流器構成部品を不要とすることによって、部分整流ａｃ電力の利用が薄膜トランジスタ回路を収容する構成部品の製造時間、費用、コスト、複雑さおよびサイズを削減し得る。

具体例としてＲＦＩＤタグの場合ａｃ電力供給される薄膜回路の使用は、典型的には、ダイオードまたはトランジスタブリッジおよび大きなフィルタリングコンデンサなどのａｃ−ｄｃ整流器段に関連する構成部品の殆どをなくすことにより、タグのコストとサイズとを大幅に削減し得る。整流器段の複雑さを低減することにより部分整流ａｃ波形により電力供給される薄膜論理回路は、ＲＦＩＤタグの設計および製造において大幅なコストおよびサイズ削減をもたらすことができる。

本明細書に説明するように部分整流ａｃ波形により電力供給される論理回路を形成するのに有用な薄膜トランジスタは、様々な形態を取り得るとともに様々な製造方法を用いて製造し得る。例えば薄膜トランジスタは有機半導体材料、無機半導体材料、またはその両方の組み合わせを含み得る。用途によっては有機および無機半導体材料を用いてＣＭＯＳ薄膜トランジスタ回路を形成することができる。

本明細書に説明するように部分整流ａｃ波形により電力供給される論理回路を形成する際に有用な薄膜トランジスタには、米国特許第６４３３３５９号明細書、同第６７６８１３２号明細書および同第６６１６６０９号明細書、２００３年１１月６日に公開された米国特許出願公開第２００３／０２０７５０５号明細書、２００３年６月５日に公開された同第２００３／０１０２４７１Ａ１号明細書、いずれも２００３年８月１４日に公開された同第２００３／０１５１１１８Ａ１号明細書、同第２００３／０１５０３８４Ａ１号明細書および同第２００３／０１５２６９１Ａ１号明細書に記載された技術により製造される薄膜トランジスタがあるがこれに限定されるものではない。

本発明の精神と範囲とから逸脱することなく様々な変更が可能である。例えば部分整流段の特定例を説明したが、他の部分整流段を設けて同様な部分整流結果を達成し得る。さらに様々な論理回路は部分整流波形を利用して論理回路に電力供給する恩恵を被る。従って本明細書に説明した例を本発明の範囲の限定として考えるべきではない。これらのおよび他の実施例は以下の特許請求の範囲の範囲内にある。

部分整流ａｃ波形により電力供給されるデジタル論理回路の回路図を示す図である。 半波ダイオードベース部分整流段により生成された部分整流ａｃ波形により電力供給されるインバータ回路の回路図を示す図である。 半波トランジスタベース部分整流段により生成された部分整流ａｃ波形により電力供給されるインバータ回路の回路図を示す図である。 ａｃ電源波形および典型的な部分整流ａｃ電源波形を概念的に示すグラフを示す図である。 ａｃ電源波形および典型的な部分整流ａｃ電源波形を概念的に示すグラフを示す図である。 ａｃ電源波形および典型的な部分整流ａｃ電源波形を概念的に示すグラフを示す図である。 半波ダイオードベース部分整流段により生成された部分整流ａｃ波形によって電力供給されるＮＡＮＤゲート回路の回路図を示す図である。 半波トランジスタベース部分整流段により生成された部分整流ａｃ波形によって電力供給されるＮＡＮＤゲート回路の回路図を示す図である。 部分整流ａｃ波形によって電力供給されるＮＯＲゲート回路の回路図を示す図である。 フィルタリングコンデンサを有する半波トランジスタベース整流器段により生成された部分整流ａｃ波形によって電力供給される、薄膜トランジスタベースリング発振回路の回路図を示す図である。 フィルタリングコンデンサのない半波トランジスタベース整流器段により生成された部分整流ａｃ波形によって電力供給される、薄膜トランジスタベースリング発振回路の回路図を示す図である。 ＲＦＩＤタグ／リーダシステムのａｃ電力供給される薄膜トランジスタ回路の適用を説明するブロック図を示す図である。 図１０のＲＦＩＤタグ／リーダシステムをさらに説明する回路図を示す図である。 図１０のＲＦＩＤタグ／リーダシステムに関連するリーダをさらに説明する回路図を示す図である。 部分整流ａｃ波形により電力供給されて液晶表示素子を駆動するインバータ回路の回路図を示す図である。 部分整流ａｃ波形により電力供給されて発光ダイオード（ＬＥＤ）を駆動するインバータ回路の回路図を示す図である。

Claims (10)

1. 電子回路であって、
   論理ゲートを形成するように構成された第１のトランジスタと第２のトランジスタと、
   ａｃ電源波形を生成する交流（ａｃ）電源と、
   前記ａｃ電源波形から部分整流ａｃ電源波形を生成するとともに該部分整流ａｃ電源波形を用いて前記論理ゲートに直接電力供給する部分整流段と、
   を備え、前記部分整流ａｃ電源波形の半サイクルのピーク値が前記論理ゲートに電力供給するのに十分な電圧を有し、前記部分整流段は前記論理ゲートに電力供給するには不十分な平均直流(ｄｃ)電圧を生成し、前記ａｃ電源波形は前記論理ゲートの伝搬遅延より小さな周期を有する電子回路。
2. 前記部分整流段が、前記部分整流ａｃ電源波形として一次直流（ｄｃ）電源信号を生成するには不十分な容量性フィルタリングを有する半波整流器を含む、請求項１に記載の回路。
3. 前記回路が一連のインバータ段を含み、該インバータ段がリング発振器の少なくとも一部を形成するように結合されており、さらに前記回路は複数のデータ線と、前記リング発振器により生成されたクロック信号に応じて前記データ線からデータを選択的に出力する複数の論理ゲートと、を備える請求項１に記載の回路。
4. 前記トランジスタのうちの少なくとも１つが有機薄膜トランジスタであり、前記論理ゲートが無線識別（ＲＦＩＤ）タグの一部を形成する請求項１に記載の回路。
5. 少なくとも第１のトランジスタと第２のトランジスタとにより形成された論理ゲートに、ａｃ電源と部分整流段から生成された部分整流交流（ａｃ）電源波形を用いて直接電力供給するステップを有する方法であって、前記部分整流ａｃ電源波形の半サイクルのピーク値が前記論理ゲートに電力供給するのに十分な電圧を有し、前記部分整流段は前記論理ゲートに電力供給するには不十分な平均直流(ｄｃ)電圧を生成し、前記ａｃ電源波形は前記論理ゲートの伝搬遅延より小さな周期を有する方法。
6. 前記部分整流段が、前記部分整流ａｃ電源波形として一次直流（ｄｃ）電源信号を生成するには不十分な容量性フィルタリングを有する半波形整流器を含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記トランジスタのうちの少なくとも１つが有機薄膜トランジスタであり、前記論理ゲートが無線識別（ＲＦＩＤ）タグの一部を形成する請求項５に記載の方法。
8. 前記論理ゲートは一連のインバータ段を含む回路の１つのインバータ段の一部を形成し、前記一連のインバータ段はリング発振器の少なくとも一部を形成するように結合され、さらに前記回路は複数のデータ線と、前記リング発振器により生成されたクロック信号に応じて前記データ線からデータを選択的に出力する複数の論理ゲートと、を備える請求項７に記載の方法。
9. 無線識別（ＲＦＩＤ）タグであって、
   論理ゲートを形成するように構成された第１および第２のトランジスタと、
   無線周波数（ＲＦ）エネルギーを交流（ａｃ）電源波形に変換する無線周波数（ＲＦ）変換器と、
   前記ａｃ電源波形から部分整流ａｃ電源波形を生成するとともに該部分整流ａｃ電源波形を用いて前記論理ゲートに直接電力供給する部分整流段であって、前記部分整流ａｃ電源波形の半サイクルのピーク値が前記論理ゲートに電力供給するのに十分な電圧を有し、この部分整流段は前記論理ゲートに電力供給するには不十分な平均直流(ｄｃ)電圧を生成し、前記ａｃ電源波形は前記論理ゲートの伝搬遅延より小さな周期を有する、部分整流段と、
   情報を伝達する変調器と、
   を備える無線識別（ＲＦＩＤ）タグ。
10. 無線識別（ＲＦＩＤ）システムであって、
    請求項９に記載のＲＦＩＤタグと、
    前記ＲＦ変換器による変換のために無線周波数（ＲＦ）エネルギーを前記ＲＦＩＤタグに送信し、前記ＲＦエネルギーに応じて前記ＲＦＩＤタグ内の前記変調器により伝達された情報を読み取るＲＦＩＤリーダと、
    を備える無線識別（ＲＦＩＤ）システム。

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